实现复合光斑效果的光学系统的制作方法

本发明属于舞台和景观灯具领域，特别是涉及帕灯或者投光灯成像领域。

背景技术：

目前led灯具应用越来越广泛，在舞台和景观领域，现在最常用的就是帕灯或者投光灯，它们广泛的被用于表演舞台/展厅/娱乐场所和室内外的场景照明。

led帕灯，即led作为光源的一种照明灯具。帕灯的叫法起源于国外parcan，聚光灯的意思，led帕灯和比传统的帕灯比，具备更加丰富的色彩效果，三色灯珠的混色效果多达1670万种。以上解释具体见https://baike.baidu.com/item/%e5%b8%95%e7%81%af。

投光灯是指定被照面上的照度高于周围环境的灯具。又称聚光灯。通常，它能够瞄准任何方向，并具备不受气候条件影响的结构。主要用于大面积作业场矿、建筑物轮廓、体育场、立交桥、纪念碑、公园和花坛等。因此，几乎所有室外使用的大面积照明灯具都可看作投光灯。投光灯的出射光束角度有宽有窄，变化范围在0°～180°之间，其中光束特别窄的称为探照灯。以上解释具体见https://baike.baidu.com/item/%e6%8a%95%e5%85%89%e7%81%af。

目前应用最为广泛的帕灯或者投光灯均是由多颗led光源然后搭配不同角度的透镜，来形成一定的光斑或者背景效果，并且随着技术的发展，光斑可以实现变焦效果，但是随着舞台效果或者场景多样化，某些特定的场合需要多种灯光效果时，现有技术一般均采用如下2种方案：1-采用两种不同类型的光源组合；2-采用同一光源，形成简单的搭配或者采用不同的控制，从而形成第二种效果-背景光；但是对于第1种方案，两种光源显然在结构设计上会复杂很多，且一般不在一个平面，另外此种方案形成的两种效果同时打出，是不具舞台美感的，即是混乱的复合效果；对于第2种方案，背景光效果是一个极其简单的满屏平铺的颜色渲染效果，即不能形成特定的光斑效果，另外背景光和主效果如果同时共存，则背景光的效果显的无实际意义。

如何在帕灯或者投光灯中使用同一种led光源，搭配创新的光学系统，从而能达到两种独立的光斑效果，并且当两种光斑效果同时出现时，同样能形成带美感的复合光斑效果，是本专利中要解决的问题；在本行业内的技术人员，均能理解此问题的难点在于在共用1套光学元件的前提下，如何使实现第一种光斑效果的光路和实现第二种效果的光路之间不发生光线的干扰才是关键，即它们的光路是各自相对独立的才是关键。

如公开号为cn104566172a的专利一种同时包含led光束和染色效果的复合舞台灯具系统，专利文献中提到“本发明公开了一种同时包含led光束和染色效果的复合舞台灯具系统，包括由led光源1、镜头组件1组成的光束效果组和由led光源2、镜头组件2组成的染色效果组；其特征在于：所述的光束效果组在灯具外圈，染色效果组在灯具内圈，或者是光束效果组在灯具内圈，染色效果组在灯具外圈。通过对光束效果组和染色效果组的控制，实现同时具有光束和染色效果功能的复合舞台灯具系统。”由上文可见，其采用的是led光源1和led光源2两种led光源，且其效果为染色和光束一起出现时，行业内技术人员可知此时是相对混乱的灯光效果。

如公开号为cn102721001a的专利一种投影式舞台灯光照明系统，专利文献中提到“一种投影式舞台灯光照明系统，包括灯座，与所述灯座连接的摇臂，以及与所述摇臂活动连接的灯头。所述灯头包括至少一个投影机、灯头支架，以及设置在该灯头支架上至少一个led图案灯。本发明的投影式舞台灯光照明系统，通过投影机和led图案灯的结合，增加了舞台灯光的照明方式，灵活性高，功能强大，使投射到舞台上的灯光效果丰富多彩，增加现场气氛，满足舞台灯光照明日益增长的照明需求。”由上文可见，其采用的也是2种光源，即投影机和led图案灯的叠加。

如公开号为cn107842826a的专利一种可变配光的透镜及led灯具，专利文献中提到“本发明涉及一种可变配光的透镜及led灯具，包含一个全内反射透镜(第一透镜)和二个以上外侧面为全反射面的透镜(第二透镜)，第一透镜和第二透镜的折射率相同且呈同心圆分布，第一透镜和第二透镜彼此之间留有空隙，由此形成了多个不同曲率的全反射面，当需要改变配光角度时，只要向不同曲率的全反射面之间的空隙中填充入与第一透镜和第二透镜折射率相同的透明材质，即可利用不同曲率的全反射面实现配光角度的改变，从而实现多种配光效果，更好地满足较复杂或特殊的配光效果需求。”由上文可见，其多种效果的改变也是相互独立的，且此光学系统的重点是利用不同曲率的全发射面来实现不同角度的改变，即改变光斑的角度大小，但是并不能形成多种配光效果共存和特定的光斑成像。

如公开号为cn204901515u的专利具有染色和光束效果的单面摇头灯，专利文献中提到本发明是具有染色和光束效果的单面摇头灯，包括底座、射灯头以及连接底座与射灯头的“u”型支架，所述“u”型支架开口端与射灯头的转动连接，闭合端与底座转动连接；射灯头包括外壳和自下而上依次设置在外壳内的散热器、集成灯板、调焦电机、导光柱，外壳开口处固定有透镜板，透镜板上方设有固定盖，固定盖下端与透镜板的侧边形成环形腔，环形腔内安装有5050灯珠…。”由上文可见，其采用的是集成灯板上的led光源和环形腔内的5050灯珠两种led光源，且很明显两种光源的结构上位于不同的平面内。

如公开号为cn207500840u的专利，文献中提到“本发明提供了一种实现花型光斑效果的照明装置，包括cob光源、子光源、平凸透镜以及反光杯，所述子光源环绕cob光源阵列分布，所述平凸透镜设于cob光源与子光源的上方，所述反光杯套设于平凸透镜的外边缘。在cob光源周边环绕阵列多颗子光源，同时配合平凸透镜和反光杯，cob光源的光线折射穿过平凸透镜，子光源的光线传播方向分两部分，其中主要部分折射通过平凸透镜，另一部分光线经全反射、折射、反光杯镜面再反射，此时在灯具正前方观察灯具时将呈现两个光斑，其中一个是主光斑，另一个就是子光斑。”由上文可见，其依然采用的是2种光源，一种是cob光源，一种是子光源，本行业的技术人员也可以知道两者显然也不是位于一个平面内的，另外在结构、光源的驱动模式和控制上显然也是不同的。

技术实现要素：

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

实现复合光斑效果的光学系统，包括多颗led灯珠和凹凸透镜，所述凹凸透镜位于多颗led灯珠上方；实现复合光斑效果的光学系统还包括反光杯；所述凹凸透镜位于led灯珠的外侧，所述反光杯为上下开口的碗形，位于凹凸透镜的外侧；所述多颗led灯珠的排布分为内层和外层，所述内层与外层在同一平面上；所述内层包括多颗规律排列的led灯珠，内层的外径r1≤21mm；所述外层包括多颗led灯珠，外层的外径25cm≤r2≤50mm；所述内层与外层分别能独立形成单独的光斑，也能形成互不影响的复合光斑。

进一步的，所述内层所形成的光斑是圆形光斑。

进一步的，所述外层所形成的光斑是多角星型光斑。

进一步的，所述外层的多颗led灯珠可以是阵列排列，也可以是非阵列排列。

进一步的，所述内层的多颗led灯珠是阵列排列的。

进一步的，所述反光杯的光束角30°≤ß≤60º，优选的。

优选的，所述反光杯的光束角ß=45º。

进一步的，所述凹凸透镜的入光面曲率半径为r1=130mm，出光面曲率半径r2=23mm。

进一步的，所述凹凸透镜的焦距35mm≤f≤50mm。

优选的，所述凹凸透镜的焦距f=45mm。

本发明的技术相对于传统的多种效果的舞台或者景观灯具具有以下不同和明显优势：

1-只是用1种led光源，没有结构或者工艺上的难点，仅相当于传统帕灯或者投光灯的led灯珠外围再增加了一圈灯珠即可。

2-本发明的2种复合光斑效果，每一种均可单独的展现，同时又可以叠加的展现，且叠加展现时依然具有艺术美感，而不是传统的背景光又或者2种独立光效的不具艺术美感的强行混合。

3-传统的帕灯或者投光灯的配光方式为led灯珠+透镜，本发明仅在led灯珠+透镜的基础上增加了一个反光杯，就达到了复合光斑的效果，此种特殊设计的凹凸透镜+反光杯设计是相对最简洁最优化的模式，也是本发明最关键的技术点，同样是传统帕灯或者投光灯一直没有解决的问题。

附图说明

图1为光学系统结构剖视图。

图2为内外层led灯珠的3种排布方式示意图。

图3为内层所形成光斑实际效果图。

图4为外层所形成光斑实际效果图。

图5为复合光斑实际效果图。

图6为本发明的模拟光路图一。

图7为本发明的模拟光路图二。

图8为模拟复合光斑图。

附图中图示标号说明：11-内层的led灯珠；12-外层的led灯珠；2-凹凸透镜；3-反光杯；4-内层光路；5-外层光路。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如附图1所示，实现复合光斑效果的光学系统，包括多颗led灯珠和凹凸透镜（2）和反光杯（3），凹凸透镜（2）位于多颗led灯珠上方；凹凸透镜（2）位于led灯珠的外侧；反光杯（3）为上下开口的碗形，位于凹凸透镜（2）的外侧；多颗led灯珠的排布分为内层（11）和外层（12），内层（11）与外层（12）在同一平面上。

如附图2所示，内层（11）包括多颗规律排列的led灯珠，内层（11）的外径r1≤21mm；外层包括多颗led灯珠，外层（12）的外径25cm≤r2≤50mm；内层（11）的多颗led灯珠是阵列排列的，外层（12）的多颗led灯珠可以是阵列排列，也可以是非阵列排列。

在图2的a、b、c三种排布中，优选的，内层（11）外径r1=21mm，外层（12）外径=28mm；a排布中，内层（11）的led灯珠成规律的等间距排布，外层（12）的灯珠成规律的阵列圆形排布；b排布中，内层（11）的led灯珠成规律的绕中心点圆环形排布，外层（12）的灯珠成无规律的圆形排布；c排布中，内层（11）的led灯珠成规律的等间距排布，外层（12）的灯珠成规律的矩形排布。

如图3所示，内层（11）的led灯珠单独所形成的实际光斑效果是圆形光斑，本领域技术人员能理解的是，led灯珠颜色可以是rgbw的任意一种或者全部，所以内层（11）所形成的可以是rgbw任意一色的圆形光斑或者是rgbw全亮时所形成的白色圆形光斑，而此种内层（11）的光斑效果属于目前帕灯或者投光灯现有的公知光学效果。

如图4，外层（12）的led灯珠单独所形成的实际光斑效果是多角星型光斑，本领域技术人员能理解的是，led灯珠颜色可以是rgbw的任意一种或者全部，所以外层（12）所形成的可以是rgbw任意一色的多角星型光斑或者是rgbw全亮时所形成的白色的多角星型光斑。

当内层（11）与外层（12）的led灯珠全亮时，形成的是互不影响的复合光斑，实际效果如图5所示；本领域技术人员能理解的是，led灯珠颜色可以是rgbw的任意一种或者全部，复合光斑可以是rgbw任意一色或者是rgbw全亮时白色复合光斑。

下面对内层和外层的led灯珠能形成独立且互不影响的光斑的原理进行阐述：

1、内层（11）led灯珠+凹凸透镜（2），此种是常规帕灯或者投光头的光路设计，凹凸透镜（2）的焦距和曲率半径的参数设置所影响的是投射光斑的直径大小；

2、本实施例中，凹凸透镜（2）的焦距为35mm≤f≤50mm，优选的f=45mm，入光面曲率半径为r1=130mm，出光面曲率半径r2=23mm；对于凹凸透镜（2）的参数设置的目的就是使得外层（12）的led灯珠的光线在凹凸透镜（2）进行全反射；同时不同于常规设计的，还加入了反光杯（3），对凹凸透镜（2）出光面出射的光线进行二次反射；为了搭配凹凸透镜（2）对外层（12）的led灯珠发出的光线进行相对最合理的角度改变，本实施例中反光杯（3）的光束角30°≤ß≤60º，优选的，反光杯的光束角ß=45º，下口径为ø58mm，上口径为ø107mm,高为h=34mm。

在此对上面描述中的公知技术进行阐述：

全反射，又称全内反射，指光由光密介质（即光在此介质中的折射率大的）射到光疏介质（即光在此介质中折射率小的）的界面时，全部被反射回原介质内的现象。以上解释具体见百度百科全反射。

如图6，7所示的光路图，内层（11）的led灯珠发出的光线从凹凸透镜（2）的入光面进入，最后经折射后从凹凸透镜（2）的出光面射出，最后投射成圆形光斑；外层（12）的led灯珠发出的光线从凹凸透镜（2）的入光面进入，而后在凹凸透镜（2）内部进行全发射后再从出光面折射而出，折射出的光线再经过反光杯（3）的反射，形成了多角星型光斑，外层（12）的led灯珠数量越多，所形成的角越多，当外层（12）的led灯珠成密集的阵列排列时，会形成近似圆环形的光斑。

在光学软件上进行模拟时，形成的是如图8所示的模拟光斑图，与图5的实际光斑效果图也是吻合的。

由上述的说明可见，本技术的技术核心在于外层led+凹凸透镜+反光杯的搭配组合，这与常规的单凸透镜又或者在凸透镜的上方加入其它配光元件是有本质差异的，在凸透镜上方再加入其它配管元件，可以改变的是光斑亮度或者光斑大小或者光斑清晰度，但是无法形成本发明中所展现的互不影响的复合光斑的。

以上实施例仅是对本发明的技术方案做进一步说明，而非限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。