专利名称：Led光学系统及利用光学系统进行混光、变焦的方法
技术领域：
本发明涉及光学系统及混光、变焦的方法，特别是LED光学系统及利用LED光学系统进行混光、变焦的方法。
背景技术：
LED灯由于具有色彩丰富、寿命长、发光效率高、节能环保等优点而被广泛应用在日常生活中及舞台演绎中。由于LED芯片主要是红色、蓝色和绿色，因此，在实际应用当中， 为了得到某一特定色彩的光，通常需要进行混光。现在采用的混光方法一般是物理混光， 即如图1所示，在灯具中安装不同颜色的LED芯片，由于LED芯片发出的光具有一定的发射角度，因此，LED芯片独自发出的光会在前方与相邻的LED芯片的光混合从而达到混光的目的，但是，如图1所示，由于LED芯片的发射角度有限，因此，在LED灯具边缘处只有一种颜色的光，无法实现混光的目的，另外，在中间位置，有些地方为两种颜色的混色区，有些则为三种颜色的混色区，这样，LED灯具打出的光斑形成了明显的具有不同色彩的光斑，造成了色彩的不均勻性。另外，如图2所示，如LED芯片的发射角度越小，则不同色块的分布越明显，色彩也就越不均勻。另外，现有的LED灯具中的变焦是针对实际的LED光源进行的，即，LED光源发出的光直接进入到变焦镜中，通过调节变焦镜与LED光源之间的距离达到变焦的目的。这种变焦方式的缺点是由于LED光源都为单色光源，经变焦后还是单色光，其混光最终为物理混光，因此，造成了光斑的色彩不均勻。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种LED光学系统，该光学系统发出的光经变焦镜后色彩均勻性好，而且具有变焦的功能。本发明的第二目的提供一种利用LED光学系统进行混光、变焦的方法，该方法不仅能得到色彩均勻性好的光斑，而且能得到大小不同的光斑。为达到上述第一目的，一种LED光学系统，按光线方向依次包括LED、聚光透镜及变焦透镜；聚光透镜出光面上有由二个以上的第一微透镜组成的第一微透镜组；所述的变焦镜包括变焦镜体和设在变焦镜体上的第二微透镜组，第二微透镜组由第二微透镜组成， 第二微透镜与聚光透镜上的第一微透镜数量相等且位置相对应。LED由一个以上的芯片组成，其中，LED中的芯片可以为同一颜色，也可以为不同颜色。在使用此光学系统时，聚光透镜将LED发散的光线聚集混色，并通过第一微透镜组， 将光线聚焦在第一微透镜后方，形成与第一微透镜数量相等的微小光斑点，这些光斑点在与光轴垂直的平面上，每个第二微透镜对应一个微小光斑点，对于第二微透镜来说，微小光斑点就是一个点光源；通过调整第二微透镜在光轴方向的位置，改变出射光束角度，实现变焦。所述的第二微透镜的数量和位置与第一微透镜的数量和位置必须一一对应，以实现对每个第一微透镜射出的光进行再一次聚焦，从而形成在实际中所需要的光斑。
作为改进，第一微透镜组中的每个第一微透镜曲率相等，第二微透镜组中的每个第二微透镜曲率相等，第一微透镜和第二微透镜为正透镜。每个第一微透镜的曲率相等能保证经每个第一微透镜的光的聚焦点在同一平面内，为第二微透镜再一次变焦提供较好的基础，再在曲率相等的第二微透镜的配合下，使得从第二微透镜射出的光斑大小相等，从而提高LED光学系统的照射光斑质量。作为改进，第一微透镜组中的每个第一微透都处于同一平面上，第二微透镜组中的每个第二微透镜都处于同一平面上。每一个微透镜处在同一平面上能保证第一微透镜组所形成的虚拟光源在同一平面内，为变焦和第二透镜进行再一次变焦提供好的基础；每个第二微透镜都处于同一平面上能提高出光光斑的质量。作为改进，变焦镜的前方设有格栅，格栅上设有格栅孔，格栅孔的数量与第二微透镜的数量相等，且格栅孔的位置与第二微透镜的位置相对应。所述的格栅用于遮挡从第二微透镜发出光的杂光，以提高光斑的质量。作为该改进，格栅的前方设有灯筒。所述的灯筒用于遮挡从第二微透镜发出光的杂光，以提高光斑的质量。作为改进，所述的聚光透镜的侧壁上设有定位柱。所述的定位柱用于对聚光透镜定位，防止聚光透镜安装到LED混色灯中后发生旋转而使第一微透镜和第二微透镜无法在位置上一一对应，从而影响光斑的质量。作为改进，变焦镜体的周边向外延伸有凸缘，凸缘的上表面上设有定位凸起，格栅的外边缘上设有与定位凸起相对应的卡槽。设置凸缘便于安装变焦镜；所述的定位凸起用于定位设在变焦镜上的格栅板，保证格栅孔与第二微透镜在位置上一一对应，提高光斑的质量。作为改进，所述的凸缘上设有上下贯通的一凹槽。所述的凹槽用于确定变焦镜的安装位置，防止出现安装错位的现象，造成第一微透镜和第二微透镜在位置上无法一一对应而影响变焦和LED光斑的质量。为达到上述的第二目的，LED光学系统按光线方向依次包括LED、聚光透镜及变焦透镜；聚光透镜出光面上有由二个以上的第一微透镜组成的第一微透镜组；所述的变焦镜包括变焦镜体和设在变焦镜体上的第二微透镜组，第二微透镜组由第二微透镜组成，第二微透镜与聚光透镜上的第一微透镜数量相等且位置相对应.
利用上述LED光学系统进行混光、变焦的方法是
(1)聚光透镜将LED发散的光线聚集混色，并通过第一微透镜组，将光线聚焦在第一微透镜后方，形成与第一微透镜数量相等的微小光斑点，这些光斑点在与光轴垂直的平面上。(2)每个第二微透镜对应一个微小光斑点，对于第二微透镜来说，微小光斑点就是一个点光源；通过调整第二微透镜在光轴方向的位置，改变出射光束角度，实现变焦。此混光、变焦方法，由于是对第一微透镜组后方形成的微小光斑点进行变焦，因此，射出的光斑色彩均勻，而且，通过调节变焦镜的位置能得到不同大小的光斑。作为改进，变焦镜的前方设有格栅，格栅上设有格栅孔，格栅孔的数量与第二微透镜的数量相等，且格栅孔的位置与第二微透镜的位置相对应，去除从第二微透镜射出光的杂光；格栅的前方设有灯筒，以去除杂光。这样，能提高光斑的质量。
图1为现有技术当LED芯片发射角较大时的光路图。图2为现有技术当LED芯片发射角较小时的光路图。图3为本发明光学系统的结构图。图4为本发明光学系统的分解图。图5为本发明的光路示意图。图6为聚光透镜的立体图。图7为聚光透镜的剖视图。图8为变焦镜正面立体图。图9为变焦镜背面立体图。图10为变焦镜和格栅的分解图。图11为格栅的立体图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行进一步详细说明。如图3和图4所示，LED光学系统按光线方向依次包括LED、聚光透镜1、变焦镜2、 格栅3及灯筒4。LED由一个以上的芯片组成，其中，LED中的芯片可以为同一颜色，也可以为不同颜色。如图6和图7所示，聚光透镜11出光面112上设有由二个以上的第一微透镜12 组成的第一微透镜组，所述的聚光透镜11具有一出光面112，在聚光透镜上设有向内凹陷的容置腔13，用于安放LED，第一微透镜12在出光面上形成阵列，其中，第一微透镜可以是蜂窝状排列，也可以是正方形整列排列，也可以是同心圆排列；聚光透镜11的侧壁113上设有定位柱14，用于对聚光透镜定位，防止聚光透镜安装到LED混色灯中后发生旋转而使第一微透镜和第二微透镜在位置上无法一一对应，从而影响光斑的质量。如图8至图10所示，所述的变焦镜2包括变焦镜体21及设在变焦镜体出光面上的与聚光透镜上的第一微透镜数量相等的位置相对应的第二微透镜22，第二微透镜22构成第二微透镜组，当然，第二微透镜也可以安装在与变焦镜体出光面相对的一面上。变焦镜体21的周边向外延伸有凸缘23，以便于安装变焦镜，凸缘23的上表面上设有定位凸起24， 如图10所示，格栅板3上设置有卡置槽31，在安装格栅板3时，卡置槽31卡在定位凸起M 上，通过定位凸起M实现对格栅板3的定位；所述的凸缘23上设有上下贯通的一凹槽25， 用于确定变焦镜的安装位置，使得第一微透镜和第二微透镜的位置相互对应，防止出现安装错位的现象而影响变焦和LED光斑的质量；凸缘23的下表面上设有突起部沈，且突起部 26与变焦镜体相连接，以提高凸缘23与变焦镜体21的连接强度。所述第一微透镜组中的每个第一微透镜12曲率相等，第二微透镜组中的每个第二微透镜22曲率相等，第一微透镜12和第二微透镜22为正透镜。每个第一微透镜12的曲率相等能保证经每个第一微透镜12的光的聚焦点在同一平面内，为第二微透镜22再一次变焦提供较好的基础，再在曲率相等的第二微透镜22的配合下，使得从第二微透镜22射出的光斑大小相等，从而提高LED光学系统的照射光斑质量。
第一微透镜组中的每个第一微透12都处于同一平面上，第二微透镜组中的每个第二微透镜22都处于同一平面上。每一个微透镜12处在同一平面上能保证第一微透镜组所形成的虚拟光源在同一平面内，为变焦和第二透镜22进行再一次变焦提供好的基础；每个第二微透镜22都处于同一平面上能提高出光光斑的质量。如图11所示，格栅3上设有格栅孔32，格栅孔32的数量与第二微透镜的数量相等，且格栅孔32的位置与第二微透镜的位置相对应。格栅的边缘上设有定位凹槽33，在安装时，使定位凹槽33与凹槽25对齐，以保证格栅孔32与第二微透镜的位置对正。所述的格栅3和灯筒4用于遮挡从第二微透镜发出光的杂光，以提高光斑的质量。如图5所示，利用上述LED光学系统进行混光、变焦的方法是
(1)聚光透镜11将LED发散的光线聚集混色，并通过第一微透镜组，将光线聚焦在第一微透镜12后方，形成与第一微透镜数量相等的微小光斑点，这些光斑点在与光轴垂直的平面A上。经聚光镜11和第一微透镜组后，所述的小光斑点色彩均勻，且为变焦镜变焦提供光源。(2)每个第二微透镜对应一个微小光斑点，对于第二微透镜来说，微小光斑点就是一个点光源；通过调整第二微透镜在光轴方向的位置，改变出射光束角度，实现变焦。所述的第二微透镜22的数量和位置与第一微透镜12的数量和位置必须一一对应，以实现对每个第一微透镜射出的光进行再一次聚焦，从而形成在实际中所需要的光斑。
权利要求
1.一种LED光学系统，其特征在于按光线方向依次包括LED、聚光透镜及变焦透镜； 聚光透镜出光面上有由二个以上的第一微透镜组成的第一微透镜组；所述的变焦镜包括变焦镜体和设在变焦镜体上的第二微透镜组，第二微透镜组由第二微透镜组成，第二微透镜与聚光透镜上的第一微透镜数量相等且位置相对应。
2.根据权利要求1所述的LED光学系统，其特征在于第一微透镜组中的每个第一微透镜曲率相等，第二微透镜组中的每个第二微透镜曲率相等，第一微透镜和第二微透镜为正透镜。
3.根据权利要求1所述的LED光学系统，其特征在于第一微透镜组中的每个第一微透都处于同一平面上，第二微透镜组中的每个第二微透镜都处于同一平面上。
4.根据权利要求1所述的LED光学系统，其特征在于变焦镜的前方设有格栅，格栅上设有格栅孔，格栅孔的数量与第二微透镜的数量相等，且格栅孔的位置与第二微透镜的位置相对应。
5.根据权利要求4所述的LED光学系统，其特征在于格栅的前方设有灯筒。
6.根据权利要求1所述的LED光学系统，其特征在于聚光透镜的侧壁上设有定位柱。
7.根据权利要求4所述的LED光学系统，其特征在于变焦镜体的周边向外延伸有凸缘，凸缘的上表面上设有定位凸起，格栅的外边缘上设有与定位凸起相对应的卡槽。
8.根据权利要求7所述的LED光学系统，其特征在于所述的凸缘上设有上下贯通的一凹槽。
9.一种利用LED光学系统进行混光、变焦的方法，其特征在于LED光学系统按光线方向依次包括LED、聚光透镜及变焦透镜；聚光透镜出光面上有由二个以上的第一微透镜组成的第一微透镜组；所述的变焦镜包括变焦镜体和设在变焦镜体上的第二微透镜组，第二微透镜组由第二微透镜组成，第二微透镜与聚光透镜上的第一微透镜数量相等且位置相对应；利用上述LED光学系统进行混光、变焦的方法是(1)聚光透镜将LED发散的光线聚集混色，并通过第一微透镜组，将光线聚焦在第一微透镜后方，形成与第一微透镜数量相等的微小光斑点，这些光斑点在与光轴垂直的平面上；(2)每个第二微透镜对应一个微小光斑点，对于第二微透镜来说，微小光斑点就是一个点光源；通过调整第二微透镜在光轴方向的位置，改变出射光束角度，实现变焦。
10.根据权利要求9所述的利用LED光学系统进行混光、变焦的方法，其特征在于变焦镜的前方设有格栅，格栅上设有格栅孔，格栅孔的数量与第二微透镜的数量相等，且格栅孔的位置与第二微透镜的位置相对应，去除从第二微透镜射出光的杂光；格栅的前方设有灯筒，以去除杂光。
全文摘要
本发明公开了一种LED光学系统及利用LED光学系统进行混光、变焦的方法，LED光学系统按光线方向依次包括LED、聚光透镜及变焦透镜；聚光透镜出光面上有由二个以上的第一微透镜组成的第一微透镜组；所述的变焦镜包括变焦镜体和设在变焦镜体上的第二微透镜组，第二微透镜组由第二微透镜组成，第二微透镜与聚光透镜上的第一微透镜数量相等且位置相对应。混光、变焦的方法是先混光，然后形成色彩均匀的位于第一微透镜组后面的小光斑点，最后，通过变焦镜对小光斑点进行变焦，从而得到一光斑。该光学系统和方法不仅能得到色彩均匀性好的光斑，而且能得到大小不同的光斑。
文档编号F21Y101/02GK102287647SQ20111022110
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者李春荣 申请人:广州市雅江光电设备有限公司