CN208670636U - 一种led光源的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种LED光源的光学系统，包括依次设置的LED光源阵列、准直透镜阵列和聚光透镜，所述准直透镜阵列与LED光源一一对应，用于对LED光源发出的光束准直成近平行光，所述准直透镜阵列与聚光透镜之间设有高斯型散射片，用于对准直后的近平行光进行高斯散射，再通过聚光透镜聚焦于预设面上，形成高斯分布的光斑。与现有技术比较，本实用新型具有既能有效保证光束中心的亮度，又能对光束进行匀化，且工艺简单、成本低的有益效果。

Description

一种LED光源的光学系统
技术领域
本实用新型涉及LED光源的技术领域，更具体地，涉及一种LED光源的光学系统。
背景技术
传统的舞台灯具是基于气体放电灯泡光源(俗称HID)，通过反光杯收集光源发出的光线，成像镜头后投射出光线，以实现舞台的照明或制造各种舞台场景的效果。通常情况下，使用这种光源的灯具能耗高，发光效率低，产品寿命短，且灯胆内高压并充斥高压金属卤化物，存在一定的危险系数。
近几年，发光二极管LED光源作为绿色无污染的干净节能光源，且使用寿命高，随着技术的不断挖掘，每瓦电功率产生的光通量逐年提高，且工艺日趋成熟，使得LED的大规模推广应用具备了条件。
用于舞台灯行业的LED要求功率高，光通量输出大，方向性强，均匀性好等特点，而传统的LED封装技术为满足这些特点通常是将若干颗LED芯片密集封装于基板上，形成一颗大功率的LED光源，该种技术封装工艺相对简单，但光源的发光热量高且密集，不利于系统散热，这极大地限制了单个LED芯片的高功率驱动及发光效率。
舞台灯行业对灯具的分类有光束灯，柔光灯，图案灯及三合一灯等。光束灯的特点是光束角度小，光束中心亮度高(不均匀)，照射距离远，光束边缘锐利等特点，通常用于舞台的空间动感效果。柔光灯则是无明显光束或光斑边缘的泛光灯，以舞台染色、补光为主，主要用于舞台照明和渲染感情色彩等作用。图案则要求光斑照度均匀度高，光束角度较大，投射的图案效果清晰。三合一灯则是集合了光束灯、柔光灯及图案灯三者的特点，利用具有大变倍范围的光学镜头来实现光束灯小角度，切换成图案灯时又具有大角度的特点，是目前市场上比较流行的灯具。所以根据舞台各种灯具的不同需求，对光源的要求亦有不同要求。
申请号为201310038767.9的中国专利公开了一种LED光源系统和LED照明装置，包括多色LED光源阵列，与光源阵列一一对应的准直透镜阵列，复眼透镜和聚光透镜。LED光源发出的多光束由准直透镜阵列准直成近平行光，然后经由复眼透镜进行匀光，最后由聚光透镜汇聚于预定面上形成均匀并具有一定照射面积的光斑。该方案虽通过复眼透镜组匀光能使光斑变得均匀，但也导致了光斑的中心亮度不高，对于要求中心亮度高，光束角度小投射距离远的光束灯显得欠缺。且复眼透镜的加工成本高，加工难度高，在生产安装调试过程中，对置的复眼透镜单元需要严格的重合，否则容易导致光效的降低或光源的光学效果不理想等瑕疵。
实用新型内容
为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种既能有效保证光束中心的亮度，又能对光束进行匀化，且工艺简单、成本低的LED光源的光学系统。
为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种LED光源的光学系统，包括依次设置的LED光源阵列、准直透镜阵列和聚光透镜，所述准直透镜阵列与LED光源一一对应，用于对LED光源发出的光束准直成近平行光，所述准直透镜阵列与聚光透镜之间设有高斯型散射片，用于对准直后的近平行光进行高斯散射，再通过聚光透镜聚焦于预设面上，形成高斯分布的光斑。
本实用新型主要应用于单色LED光源阵列的多光源模组，如多光源的纯白色LED，由于LED光源为面光源，且LED光源本身发光均匀，相较传统的金卤灯，LED光源发光效率、产品寿命和灯光效果均更好。所述准直透镜阵列与LED光源阵列一一对应，主要用于对LED光源发出的光束进行准直成近平行光输出。高斯型散射片本身具有散射光束的功能，可以把光束进行一定角度的扩散，且扩散时能保证光束中心的光能量最大，即亮度大，从光束中心两边扩散的光束能量呈逐渐降低的趋势，即亮度逐渐降低，进而保证满足光束中心亮度的同时，又能对光束进行散射匀化的效果。
现有技术中的LED光源的光学系统，在未使用复眼透镜或高斯散射片进行匀光处理时，成像镜头组会将多颗LED产生的多个光束的拼接缝隙显示出来，在出光口附近能显示出清晰的多个LED小光束拼接形成的亮暗相间的情况。在使用复眼透镜组匀光后，由于复眼透镜的光学积分作用，对光斑中心的光强有较大的削弱作用，形成亮度均匀的光斑效果，但由于光斑中心的光强与光斑边缘的光强非常相近，因此仍然存在稍许小光束拼接成型的亮暗相间的情况。
本实用新型中，进行准直后的一束束近平行光束在通过高斯型散射片时，被高斯型散射片进行匀化散射，形成一束束散射的小光束，且这一束束散射的小光束由于边缘模糊叠加，进而混合形成一束中心光能量密度高，亮度高，往中心两边扩散的光能量逐渐降低、亮度也逐渐降低的大光束。大光束经过聚光透镜聚焦于预设面上，形成高斯分布的光斑。但由于高斯特性使得光束中心的光强削弱程度低于复眼透镜对光束中心的削弱程度，高斯散射后形成的高斯型光斑的中心光强至边缘的光强渐变，且由于高斯型散射片散射特性及散射颗粒极其细小，远小于复眼透镜，因此匀光效果更好；同时，多个LED小光束之间进行高斯扩散并部分叠加，可弱化多个小光束之间的拼接关系，消除亮暗相间的现象。因此，本实用新型具有既能保证光束中心亮度，又能对光束进行匀化的有益效果。且高斯型散射片的工艺要求相对简单，在生产安装过程中无严格的位置要求，因此，能有效控制成本，减少人力、物力的投入，后期维护简单。
进一步地，所述高斯型散热片为透射式的不透明光学材料。
进一步地，所述高斯型散射片为透射式的扩散片、散射片或毛玻璃，其散射特性为高斯型散射。
进一步地，所述高斯型散射片的出光面具有高斯型散射特性。高斯型散射片至少在出光面具有高斯型散射特性，主要为了保证准直后的光束在通过高斯型散射片时，能进行高斯散射成具有匀化效果且保证光斑中心照度的大光束。
进一步地，所述高斯型散射片的出光面和入光面均具有高斯型散射的散射特性。
进一步地，所述高斯型散射片所散射的光线能量分布满足公式：
其中，P(θ)为高斯型散射片所散射的任意θ角度方向的光线辐射密度；P0为光线原始传播方向辐射密度，即高斯型散射片所散射的0度角度方向的光线辐射密度；σ为高斯散射的标准差角度，标准差σ决定了分布的幅度。
高斯散射的标准差角度σ的取值决定高斯分布的光线辐射密度，由于能量守恒，当光束经过高斯散射片散射时，其形成的高斯分布的光密度曲线与横轴之间的总面积是一致的。σ越大，则原始光线传播方向的密度P0越小，分布曲线两边下降的越平滑，即散射片散射能力越强；σ越小，则原始光密度P0越大，高斯曲线越集中，即散射片散射能力越弱。由于P0为光线原始传播方向辐射密度，P(θ)为高斯型散射片所散射的任意角度方向的光线辐射密度，P0大于或等于P(θ)，因此，也能证明散射后的光束原始传播方向的密度大，亮度高；边缘的光束密度小，亮度低，保证光束中心的亮度。
进一步地，为保证出光效果范围，选取高斯散射片时，所述高斯散射的标准差角度σ为2～15度。
进一步地，为保证准直后的光束效果，所述准直透镜阵列对每个LED光源所发出的光束准直后的光束扩散角度范围是2～30度。
与现有技术比较，本实用新型具有既能有效保证光束中心的亮度，又能对光束进行匀化，且工艺简单、成本低的有益效果。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为高斯型散射片的结构示意图。
图3为高斯型散射片进行高斯散射的效果图。
图4为高斯型散射片的高斯散射原理模型示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。
实施例
如图1所示，一种LED光源的光学系统，包括依次设置的LED光源阵列1、准直透镜阵列2和聚光透镜4，所述准直透镜阵列2与LED光源一一对应，用于对LED光源发出的光束准直成近平行光，所述准直透镜阵列2与聚光透镜4之间设有高斯型散射片3，用于对准直透镜阵列2准直后的近平行光高斯散射形成大光束，再通过聚光透镜4聚焦于预设面上，形成高斯分布的光斑。
所述准直透镜阵列2与LED光源阵列1一一对应，主要用于对LED光源发出的光束进行准直成近平行光输出，准直后光束的扩散范围是2～30度。所述高斯型散射片3主要用于对准直后的光束进行高斯散射，将光束匀化成具有高斯分布的大光束，使得光束在满足中心亮度的同时，又能对光束进行匀化。
如图2所示，所述高斯型散射片3为投射式的扩散片，其散射特性为高斯型散射。
如图3所示，所述高斯型散射片3具有高斯型散射特性的面与LED光源的出光方向一致，该面为出光面，另一面为入光面，能使通过高斯型散射片3的光束高斯散射成具有匀化效果且保证光斑中心照度的大光束。
如图4所示，所述高斯型散射片3所散射的光线能量分布关系式为：
其中，P(θ)为θ角方向的光线辐射密度；P0为光线原始传播方向辐射密度；σ为高斯散射的标准差角度。
当已知高斯型散射片3在θ角方向的光线辐射密度P(θ)，以及光线原始传播方向辐射密度P0，则可通过上式计算出高斯散射的标准差角度σ，即高斯型散射片3散射光束的角度范围，进而可证明光线的能量分布符合高斯型函数的曲线。同时，由于P0为光线原始传播方向辐射密度，P(θ)为高斯型散射片3所散射的任意角度方向的光线辐射密度，当θ不等于0时，P0大于P(θ)，且当|θ1|>|θ2|，P(θ1)<P(θ2)，因此，也能证明散射后的光束原始传播方向的密度大，亮度高；越靠近边缘的光束密度越小，亮度低，保证光束中心的亮度。同理，当已知高斯散射的标准差角度σ，以及光线原始传播方向辐射密度P0，也可通过上式，计算出高斯型散射片3在θ角方向的光线辐射密度P(θ)。
所述高斯散射的标准差角度σ为2～15度。
与现有技术比较，本实用新型具有既能有效保证光束中心的亮度，又能对光束进行匀化，且工艺简单、成本低的有益效果。

Claims (8)

1.一种LED光源的光学系统，包括依次设置的LED光源阵列、准直透镜阵列和聚光透镜，所述准直透镜阵列与LED光源一一对应，用于对LED光源发出的光束准直成近平行光，其特征在于，所述准直透镜阵列与聚光透镜之间设有高斯型散射片，用于对准直后的近平行光束进行高斯散射，再通过聚光透镜聚焦于预设面上，形成高斯分布的光斑。
2.根据权利要求1所述的一种LED光源的光学系统，其特征在于，所述高斯型散热片为透射式的不透明光学材料。
3.根据权利要求1所述的一种LED光源的光学系统，其特征在于，所述高斯型散射片为透射式的扩散片、散射片或毛玻璃，其散射特性为高斯型散射。
4.根据权利要求3所述的一种LED光源的光学系统，其特征在于，所述高斯型散射片的出光面具有高斯型散射特性。
5.根据权利要求3所述的一种LED光源的光学系统，其特征在于，所述高斯型散射片的出光面和入光面均具有高斯型散射的散射特性。
6.根据权利要求1所述的一种LED光源的光学系统，其特征在于，所述高斯型散射片所散射的光线能量分布满足公式：
其中，P(θ)为高斯型散射片所散射的任意角度方向的光线辐射密度；P0为光线原始传播方向辐射密度；σ为高斯散射的标准差角度。
7.根据权利要求6所述的一种LED光源的光学系统，其特征在于，所述高斯散射的标准差角度σ为2～15度。
8.根据权利要求1所述的一种LED光源的光学系统，其特征在于，所述准直透镜阵列对每个LED光源所发出的光束准直后的光束扩散角度范围是2～30度。
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