專利名稱：Led舞臺燈光照明設備及其改善顏色均勻性的方法
技術領域：
本發明涉及照明裝置或其系統的功能特征或零部件，特別是涉及主要用于舞臺燈 光照明的設備。
背景技術：
現有技術大功率舞臺燈光主要采用金鹵放電泡作為光源；由于金鹵放電泡為白色 光源，所述照明設備發出的燈光色彩需要通過在金鹵放電泡前設置濾光片實現。所述金鹵 放電泡使用壽命較低，只有幾百小時到數千小時不等；如果使用濾光片獲得多種色彩的舞 臺照明燈光，投射出圖像的色彩飽和度低，色彩不鮮艷，色彩也不豐富。發光二極管LED光 源為綠色無污染的干凈節能光源，且使用壽命高，隨著光通量逐年提升，所述LED光源已經 在照明領域內逐漸成為開發應用的首選裝置。LED光源可以發出多種單色光，如果舞臺燈 光照明設備采用LED光源，可以省掉傳統方式中的濾光片，而利用RGB三基色光原理，通過 調節發出紅色光、綠色光和藍色光的LED的電流的方法獲得任意色彩的混合光。由于單色 LED的發光顏色飽和度比較高，因而在舞臺燈光上采用LED光源，在色彩表現上有非常高的 自由度。現有技術LED發熱量高，單個LED芯片不能承受高功率且發光效率還不是很高，通 常采用LED陣列的方式來實現高光通量以獲得理想的舞臺燈光照明光源。申請號為200720061982. 0的中國專利公開了一種舞臺燈的光源組件，采用一個 LED陣列和大型散熱裝置，可以提供一百瓦的發光功率，并可通過控制該LED陣列中的不同 色LED的工作來實現色彩調整。其不足之處在于基于散熱和光通量等性能指標，尤其是輸 出光的亮色均勻性方面的考慮，該光源組件尚不能滿足大功率舞臺燈光的需求。為此，本公司曾提出中國專利申請中，將來自多個LED陣列的單色光通過分光合 色裝置來合成為一束，可以提高光源的輸出功率及改善光輸出亮色均勻性。上述技術還存在一些缺陷和不足之處1.組成所述LED陣列的各LED芯片的發射光譜、亮度和溫度特性都不一樣，各LED 芯片發出的光經過后續光學系統投射到舞臺或者屏幕上時，在該舞臺或者屏幕上某一個部 分對應每一個LED芯片發出光的特性，例如亮度和光譜，都不一樣，從而造成投射出的圖像 局部偏色；2.僅僅依靠所述分光合色裝置不能令各單色光混合后達到很好的混光效果，從而 造成投射在舞臺或者屏幕上的圖像顏色均勻性較差，尤其會使投射出的白場偏色。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于避免現有技術的不足之處而提出改善LED舞臺燈 光照明設備顏色均勻性的方法以及使用該方法制成的LED舞臺燈光照明設備以解決投射 在舞臺或者屏幕上的圖像出現偏色問題。本發明解決所述技術問題可以通過采用以下技術方案來實現
實施一種LED舞臺燈光照明設備改善顏色均勻性的方法，所述LED舞臺燈光照明 設備包括由封裝在散熱基板上的復數個LED芯片構成的LED陣列；所述方法包括步驟A.將來自于各所述LED芯片的光匯聚合成為一束合光；B.引導該束合光通過聚焦透鏡聚焦到一出光口 ；C.控制所述LED陣列中具有不同發光波長的LED芯片發光來使所述出光口的光具 有預定的顏色或顏色變化；尤其是，步驟B中，先引導所述合光通過一復眼透鏡對，再射往所述聚焦透鏡；所 述復眼透鏡對包括兩個相對的復眼透鏡，每一復眼透鏡均由緊密聯結在一起的且鏡面曲率 相同的復數個透鏡單元構成；沿光路方向，將后一復眼透鏡設置在前一復眼透鏡的焦點處。上述方法步驟B中，各所述透鏡單元的縱向截面呈正六邊形或者正方形，各透鏡 單元無縫聯結在一起；或，各所述透鏡單元的縱向截面呈圓形，且各透鏡單元邊緣相切地緊 密聯結在一起。上述方法還進一步包括設置一帶圖案片的圖案盤的步驟，將圖案片對準所述出光 口來使投射在舞臺上的光斑具有圖案效果。本發明解決所述技術問題還可以通過采用以下技術方案來實現設計、制造一種LED舞臺燈光照明設備，包括封裝在散熱基板上的由復數個LED芯 片構成的LED陣列，以及將各LED芯片的發光匯聚合成為一束合光的合光裝置，將該合光裝 置的輸出光聚焦到出光口的聚焦透鏡；尤其是，還包括置于所述合光裝置和聚焦透鏡之間 的一復眼透鏡對；該復眼透鏡對包括兩個相對的復眼透鏡，每一復眼透鏡均由緊密聯結在 一起的且鏡面曲率相同的復數個透鏡單元構成，沿光路方向，后一復眼透鏡位于前一復眼 透鏡的焦點處。為了提高LED光源的利用率，各所述透鏡單元的縱向截面呈正六邊形或者正方 形，各透鏡單元無縫聯結在一起；或者，各所述透鏡單元的縱向截面呈圓形，各透鏡單元邊 緣相切地緊密聯結在一起。所述復眼透鏡對用玻璃制成，或者用塑膠制造并經過開膜工藝 處理而成。所述復眼透鏡對最好是一體成型的。所述舞臺燈光照明設備包括三個所述LED陣列，同一所述LED陣列上的各LED芯 片均為一同色LED芯片；所述合光裝置包括一個具有三個光入口端的分光合色裝置，及三 個與所述LED陣列相對應的包括復數個透鏡的透鏡陣列，每一所述透鏡對準一 LED以將該 LED的輸出光準直成近平行光，出自該三個透鏡陣列的三束近平行光通過所述分光合色裝 置匯聚成一束射往所述聚焦透鏡。所述分光合色裝置是X型分光合色裝置，該X型分光合色裝置包括兩個垂直交叉 設置的分光合色濾光片，以及由該兩分光合色濾光片交叉形成的三個光入射口和一個光出 射口。所述分光合色裝置還可以是由兩片分光合色濾光片平行設置而成的級聯型分光 合色裝置；所述分光合色濾光片包括分別從該分光合色濾光片兩個側面入射的第一入射口 和第二入射口，以及與該分光合色濾光片反射面側向相對的出射口 ；沿光束方向，第一片分 光合色濾光片的出射口正對第二片分光合色濾光片的第一入射口。所述分光合色濾光片是 二向色片，或者是鍍有分光濾光膜的透光片。所述LED舞臺燈光照明設備還包括一帶有圖案片的圖案盤，所述圖案片對準所述出光口。同現有技術相比較，本發明“LED舞臺燈光照明設備及其改善顏色均勻性的方法” 的技術效果在于所述復眼透鏡對對合光裝置初步混合成的光進行切割積分，從而提高該混合光的 均勻性，令投射在舞臺或者屏幕上的圖像的白場亮度和顏色均勻性都有提高，解決了現有 技術LED舞臺燈光照明設備的偏色問題；而且，在解決LED舞臺燈光照明設備偏色問題同 時，考慮到照明光斑與圓形圖案相匹配，所述復眼透鏡對的各透鏡單元的縱向截面采用正 六邊形設計，使光學效率達到最優。


圖1是本發明設備第一實施例的光路示意圖；圖2是所述第一實施例的復眼透鏡300的光路原理示意圖；圖3是所述第一實施例的圖案盤500的正投影示意圖；圖4是所述第一實施例的復眼透鏡300的正投影示意圖；圖5是圖4復眼透鏡實施例縱向截面的局部示意圖；圖6是圖4復眼透鏡實施例的光能量損耗示意圖；圖7是所述第一實施例所獲得的投射光斑；圖8是圖7所示光斑的照度測試曲線；圖9是本發明復眼透鏡300第二實施例的正投影示意圖；圖10是圖9復眼透鏡實施例縱向截面的局部示意圖；圖11是本發明復眼透鏡300第三實施例的局部正投影示意圖；圖12是圖11復眼透鏡的光能量損耗示意圖；圖13是本發明設備第二實施例的光路示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示各實施例作進一步詳述。本發明涉及一種LED舞臺燈光照明設備改善顏色均勻性的方法，所述LED舞臺燈 光照明設備包括由封裝在散熱基板上的復數個LED芯片構成的LED陣列110，可以在一個 LED陣列中包括兩種或兩種以上具有不同發光波長的LED芯片，也可以采用兩個或兩個以 上LED陣列分別來承載不同色LED芯片，例如但不限于分別發出紅光、綠光、藍光基色的三 種LED芯片(視設備光學系統采用的基色類型而定)。本發明方法包括如下步驟A.將來自于各所述LED芯片的光匯聚合成為一束合光；以本發明設備包括三個所 述LED陣列(同一所述LED陣列上的各LED芯片均為一同色LED芯片)為例，可以用三個 包括復數個透鏡的透鏡陣列，使每一所述透鏡對準一 LED芯片以將該LED芯片的輸出光準 直成近平行光；再將由該三個透鏡陣列而出的三束近平行光通過一分光合色裝置來匯聚成 一束合光；B.引導該束合光通過聚焦透鏡聚焦到一出光口 ；C.控制所述LED陣列中具有不同發光波長的LED芯片發光來使所述出光口的光具 有預定的顏色或顏色變化。
本發明方法尤其在上述步驟B中，先引導所述合光通過一復眼透鏡對，再射往所 述聚焦透鏡；所述復眼透鏡對包括兩個相對的復眼透鏡，每一復眼透鏡均由緊密聯結在一 起的且鏡面曲率相同的復數個透鏡單元構成；沿光路方向，將后一復眼透鏡設置在前一復 眼透鏡的焦點處。為了使投射在舞臺或者屏幕上的圖像具有特定的形狀，所述方法還進一步包括以 下步驟設置一帶圖案片的圖案盤，將圖案片對準所述出光口來使投射在舞臺上的光斑具 有圖案效果。為了提高LED發出光能量的利用率，在步驟B中，使各所述透鏡單元的縱向截面呈 正六邊形(或者正方形)，各透鏡單元無縫聯結在一起；或者，使各所述透鏡單元的縱向截 面呈圓形，且各透鏡單元邊緣相切地緊密聯結在一起。本發明依據上述方法制成的LED舞臺燈光照明設備，包括封裝在散熱基板上的由 復數個LED芯片構成的LED陣列，以及將各LED芯片的發光匯聚合成為一束合光的合光裝 置，將該合光裝置的輸出光聚焦到出光口的聚焦透鏡。該設備以包括三個LED陣列為例，如 圖1所示，例如三個LED陣列110分別發出紅光、綠光、藍光，所述合光裝置包括分別正對各 LED陣列的透鏡陣列120及一個具有三個光入口端的分光合色裝置200。所述LED陣列110 是由按陣列均勻排布的LED芯片111組成，從而形成陣列光源。所述透鏡陣列120由分別正 對各LED芯片111的透鏡121組成，每一所述透鏡121對準一 LED芯片以將該LED芯片的輸 出光準直成近平行光。出自該三個透鏡陣列120的三束近平行光射入分光合色裝置200進 行混光匯聚成一束，而后射往聚焦透鏡400。如該實施例，本發明LED舞臺燈光照明設備還 包括所述合光裝置和聚焦透鏡400之間的復眼透鏡對300，該復眼透鏡對300包括兩個相對 的復眼透鏡，每一復眼透鏡均由互相緊密聯結在一起的透鏡單元310構成，各透鏡單元310 的鏡面曲率相同；沿光路方向，后一復眼透鏡位于前一復眼透鏡的焦點處。為了使投射在舞臺上的光斑具有圖案效果，所述LED舞臺燈光照明設備還包括圖 案盤500，所帶的圖案片對準所述聚焦透鏡400之后的出光口。當本發明設備僅包括一個所述LED陣列110時，上述實施例中的合光裝置可以用 一個具有杯狀反射面的光收集組件來替代，該光收集組件杯底被置入所述LED陣列110，杯 口朝向所述聚焦透鏡400。當本發明設備包括兩個所述LED陣列110時，可令同一所述LED陣列上的各LED 芯片均為一同色LED芯片。上述實施例中的合光裝置可以用一個分光合色濾光片及兩個與 所述LED陣列相對應的包括復數個透鏡的透鏡陣列120來替代，出自該兩個透鏡陣列的兩 束近平行光一邊一束地射往所述分光合色濾光片的兩邊，分別通過透射和反射的方式匯聚 成一束射往所述聚焦透鏡400。本發明各實施例，所述LED陣列110的LED芯片111是方形光源，發光角度為 180°。所述透鏡陣列120將各LED芯片111發出的光準直成近平行光束。在分光合色裝 置200與聚焦透鏡400之間的光路上，沿光路方向，位于前方的復眼透鏡300是將合色分光 裝置200中射出的混合平行光聚焦在位于后方的復眼透鏡300的表面上。位于前方的復眼 透鏡300的各透鏡單元310對入射面積上的光強度進行切割積分，該位于前方的復眼透鏡 300的各透鏡單元310經過位于后方的復眼透鏡300和聚焦透鏡400成像在圖案盤500上，每個透鏡單元310在圖案盤500上進行強度積分，即位于前方的復眼透鏡300的各透鏡單 元310前表面都成像在圖案盤500處，這樣就在圖案盤500得到很好的亮度均勻性和顏色 均勻性。圖7和圖8是經實驗測得的應用本發明投射出的光斑及其光學特性，可見，該光斑 的光學特性(照度)很均勻。因此，本發明解決了現有技術LED舞臺燈光照明設備的偏色 問題，改善了顏色的均勻性。所述透鏡單元310縱向截面的形狀應當與圖案盤500上圖案片的形狀相匹配以取 得較高的光學利用率。在舞臺燈光照明時，通常都需要在舞臺投射圓形光斑，因此在本發明 第一實施例及其它各實施例中，如圖3所示，所述圖案盤片采用常用的圓形。此時，所述復 眼透鏡300的各透鏡單元310的形狀和排布關系就是造成光能量損耗的主要因素。從復眼 透鏡300方面考慮提高光學利用率，就需要各透鏡單元310無縫聯結，一般只有縱向截面是 正多邊形時，才能做到透鏡單元310的無縫聯結。但是，這種復眼透鏡300形成的正多邊形 光斑投射在圓形圖案盤500，必然會有部分光線不能投射在圓形圖案片上，從而造成光能量 損失。從圖案片方面考慮提高光學利用率，就需要投射光斑的形狀是圓形，那么各透鏡單元 310的縱向截面以圓形為佳。但是，這種縱向截面是圓形的透鏡單元310無法實現無縫聯 結，只能相切聯結，此時，不是所有的光線都能經過各透鏡單元310，從而導致光能量損耗。 本發明第一實施例，如圖4和圖5所示，所述透鏡單元310的縱向截面呈正六邊形，各透鏡 單元310無縫聯結在一起。圖6中陰影部分610就是投射在圖案盤500上的光斑面積最大 時的光能量的損耗部分。本發明透鏡單元310的第二實施例，如圖9和圖10所示，所述透鏡 單元310縱向截面呈圓形，各透鏡單元310互相緊靠且邊緣相切地聯結在一起。此時，投射 的光斑雖然可以布滿整個圖案盤500，但通過圖10中陰影部分620的光線不能投射在圖案 片上，因此，該陰影部分620就是所述第二實施例的光能量損耗部分。本發明透鏡單元310 第三實施例，如圖11所示，所述透鏡單元310縱向截面呈正方形，各透鏡單元310緊密得無 縫聯結在一起。圖12中的陰影部分630就是投射在圖案盤500上的光斑面積最大時的光 能量的損耗部分。分析圖6、圖10和圖12可以確定，對于相同面積的圓形圖案片，第一實施 例至第三實施例各自的光能量損耗逐步增加。所述復眼透鏡300用玻璃制成，或者用塑膠制造并經過開膜工藝處理而成。考慮 到成本及裝配方便，該復眼透鏡對300最好為一體成型的，這樣對著光路的兩面將呈波浪 形凸出狀。當本發明設備包括三個或三個以上所述LED陣列110時，所述合色分光裝置200 可以有如下兩種實現方案如圖1所示，所述分光合色裝置200是X型分光合色裝置210，或者是分光合色棱 鏡；該X型分光合色裝置210包括兩個垂直交叉設置的分光合色濾光片230，以及由該兩分 光合色濾光片230交叉形成的三個光入射口 212和一個光出射口 213 ；所述分光合色濾光 片230是二向色片，或者是鍍有分光濾光膜的透光片。如圖13所示，本發明設備以包括三個LED陣列為例的第二實施例，所述分光合色 裝置200為由兩片分光合色濾光片230平行設置而成的級聯型分光合色裝置。所述分光合 色濾光片230包括分別從該分光合色濾光片230兩個側面入射的第一入射口 231和第二入 射口 232，以及與該分光合色濾光片230反射面側向相對的出射口 233 ；沿光束方向，第一 片分光合色濾光片230的出射口 233正對第二片分光合色濾光片230的第一入射口 231，從而，來自所述三個LED陣列110的光分別射入該第一片分光合色濾光片230的兩入射口 231、232和第二片分光合色濾光片230的第二入射口 232，合成的光由所述第二片分光合色 濾光片230的出射口 233射出；所述分光合色濾光片230是二向色片，或者是鍍有分光濾光 膜的透光片。
權利要求
一種LED舞臺燈光照明設備改善顏色均勻性的方法，所述LED舞臺燈光照明設備包括由封裝在散熱基板上的復數個LED芯片構成的LED陣列；包括步驟A.將來自于各所述LED芯片的光匯聚合成為一束合光；B.引導該束合光通過聚焦透鏡聚焦到一出光口；C.控制所述LED陣列中具有不同發光波長的LED芯片發光來使所述出光口的光具有預定的顏色或顏色變化；其特征在于步驟B中，先引導所述合光通過一復眼透鏡對，再射往所述聚焦透鏡；所述復眼透鏡對包括兩個相對的復眼透鏡，每一復眼透鏡均由緊密聯結在一起的且鏡面曲率相同的復數個透鏡單元構成；沿光路方向，將后一復眼透鏡設置在前一復眼透鏡的焦點處。
2.根據權利要求1所述LED舞臺燈光照明設備改善顏色均勻性的方法，其特征在于 該舞臺燈光照明設備包括三個所述LED陣列，同一所述LED陣列上的各LED芯片均為一同色LED芯片；步驟A中，用三個包括復數個透鏡的透鏡陣列，使每一所述透鏡對準一 LED芯片以將該LED芯片的輸出光準直成近平行光；再將由該三個透鏡陣列而出的三束近 平行光通過一分光合色裝置來匯聚成一束合光。
3.根據權利要求1所述LED舞臺燈光照明設備改善顏色均勻性的方法，其特征在于 步驟B中，各所述透鏡單元的縱向截面呈正六邊形或者正方形，各透鏡單元無縫聯結在一起；或，各所述透鏡單元的縱向截面呈圓形，且各透鏡單元邊緣相切地緊密聯結在一起。
4.根據權利要求1所述LED舞臺燈光照明設備改善顏色均勻性的方法，其特征在于 還包括設置一帶圖案片的圖案盤的步驟，將圖案片對準所述出光口來使投射在舞臺上的光斑具有圖案效果。
5.一種LED舞臺燈光照明設備，包括封裝在散熱基板上的由復數個LED芯片構成的 LED陣列(110)，以及將各LED芯片的發光匯聚合成為一束合光的合光裝置，將該合光裝置 的輸出光聚焦到出光口的聚焦透鏡(400)；其特征在于還包括置于所述合光裝置和聚焦透鏡(400)之間的一復眼透鏡對(300)；該復眼透鏡 對(300)包括兩個相對的復眼透鏡，每一復眼透鏡均由緊密聯結在一起的且鏡面曲率相同 的復數個透鏡單元(310)構成，沿光路方向，后一復眼透鏡位于前一復眼透鏡的焦點處。
6.根據權利要求5所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于各所述透鏡單元(310)的縱向截面呈正六邊形或者正方形，各透鏡單元(310)無縫聯 結在一起；或者，各所述透鏡單元(310)的縱向截面呈圓形，各透鏡單元(310)邊緣相切地緊密聯結在一起。
7.根據權利要求5所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于所述LED陣列(110)包括兩種或兩種以上具有不同發光波長的LED芯片；所述合光 裝置為具有杯狀反射面的光收集組件，杯底被置入所述LED陣列，杯口朝向所述聚焦透鏡 (400)。
8.根據權利要求5所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于該舞臺燈光照明設備包括兩個所述LED陣列(110)，同一所述LED陣列上的各LED芯片均為一同色LED芯片；所述合光裝置包括一個分光合色濾光片及兩個與所述LED陣列相對 應的包括復數個透鏡的透鏡陣列(120)，每一所述透鏡對準一 LED以將該LED的輸出光準直 成近平行光，出自該兩個透鏡陣列的兩束近平行光一邊一束地射往所述分光合色濾光片的 兩邊，分別通過透射和反射的方式匯聚成一束射往所述聚焦透鏡(400)。
9.根據權利要求5所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于該舞臺燈光照明設備包括三個所述LED陣列(110)，同一所述LED陣列上的各LED芯片 均為一同色LED芯片；所述合光裝置包括一個具有三個光入口端的分光合色裝置(200)，及 三個與所述LED陣列相對應的包括復數個透鏡的透鏡陣列(120)，每一所述透鏡對準一 LED 芯片以將該LED芯片的輸出光準直成近平行光，出自該三個透鏡陣列的三束近平行光通過 所述分光合色裝置(200)匯聚成一束射往所述聚焦透鏡(400)。
10.根據權利要求9所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于所述分光合色裝置(200)是X型分光合色裝置(210)，該X型分光合色裝置(210)包括 兩個垂直交叉設置的分光合色濾光片(230)，以及由該兩分光合色濾光片(230)交叉形成 的三個光入射口(212)和一個光出射口(213)；或者所述分光合色裝置(200)是由兩片分光合色濾光片(230)平行設置而成的級聯型 分光合色裝置；所述分光合色濾光片(230)包括分別從該分光合色濾光片(230)兩個側面 入射的第一入射口(231)和第二入射口(232)，以及與該分光合色濾光片(230)反射面側向 相對的出射口(233)；沿光束方向，第一片分光合色濾光片(230)的出射口(233)正對第二 片分光合色濾光片(230)的第一入射口(231)；所述分光合色濾光片(230)是二向色片，或者是鍍有分光濾光膜的透光片。
11.根據權利要求5所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于還包括一帶有圖案片的圖案盤(500)，所述圖案片對準所述出光口。
12.根據權利要求5所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于所述復眼透鏡對(300)用玻璃制成，或者用塑膠制造并經過開膜工藝處理而成。
13.根據權利要求5或12所述的LED舞臺燈光照明設備，其特征在于所述復眼透鏡對(300)是一體成型的。
全文摘要
LED舞臺燈光照明設備及其改善顏色均勻性的方法，所述設備包括封裝在散熱基板上的由復數個LED芯片構成的LED陣列(110)，以及將各LED芯片的發光匯聚合成為合光的合光裝置，將該合光聚焦到出光口的聚焦透鏡(400)；尤其是，還包括置于合光裝置和聚焦透鏡(400)之間的復眼透鏡對(300)；該復眼透鏡對(300)包括兩個相對的復眼透鏡，均由緊密聯結在一起的且鏡面曲率相同的復數個透鏡單元(310)構成，后一復眼透鏡位于前一復眼透鏡的焦點處。該復眼透鏡對合光進行切割積分，從而提高混合輸出光的均勻性，令投射圖像的白場亮度和顏色均勻性都有提高，解決了現有技術LED舞臺燈光照明設備的偏色問題。
文檔編號F21W131/406GK101988631SQ20091010950
公開日2011年3月23日 申請日期2009年7月31日 優先權日2009年7月31日
發明者張權, 李屹 申請人:深圳市光峰光電技術有限公司