一种LED水纹灯具产生水纹3D起伏效果的方法

摘要

一种LED水纹灯具产生水纹3D起伏效果的方法，其特征在于，包括光源组件、散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B；所述光源组件包括LED光源和聚光透镜组；所述LED光源发出的光线依次经过聚光透镜组、散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B后投射成像形成光斑；所述成像光斑的照度曲线呈现的是连续的多段的照度差异明显的曲线，而不是常规光斑的高斯曲线；所述成像光斑的照度曲线的形成是通过两个像的运动叠加实现的，所述的像包括若干个光照度差异明显的水纹图案；所述的两个像分别是光线经过水纹成像镜片A所成的像和光线经过水纹成像镜片B所成的像。

说明书

技术领域

本发明属于舞台和景观灯具照明领域，特别是涉及水纹灯产生水纹3D起伏效果的方法领域。

背景技术

现代社会舞台灯具市场应用越来越广泛，应用的场所也越来越多，某些时候需要让灯具打到建筑物上产生灯光照射效果，起到对景物的美化和烘托氛围的作用，目前市场上较少带有水纹图案效果的水纹灯，这种带有水纹图案效果的水纹灯会照射出流水的效果，非常漂亮、美观。目前市场上水纹灯的水纹效果有以下几种表现方式。

第一种是靠水纹图案滚筒的转动来实现的。如公开号为CN206093600U的实用新型专利一种新型LED水纹灯，在其说明书的发明内容第二段中提到“所述固定转轴穿过电机连接封头安装在花纹管的左端；所述花纹管的最右端安装有转动支架，转动支架的左端安装有封头，封头与转动支架之间安装有轴承，并通过转轴连接，封头连接在花纹管的右端。”又如公开号为CN207262094U的实用新型专利一种水纹灯，在其说明书的具体实施方第4段中提到“所述水纹滚筒5连接驱动组件能转动地安装于所述灯壳1内”，由上述可以见，两种方案打出水纹效果是靠花纹管或者水纹滚筒5的转动，而花纹管或者水纹滚筒均有多个镂空的水纹图案孔，即其成像原理采取的是光直接透射小孔成像，然后通过转动，达成2D的水纹流动效果。

第二种是靠水纹图案盘的转动来实现，从原理来讲，即光照射到水纹图案盘上然后直接投射成像类似于水纹图案，然后通过水纹图案盘的转动来达到流水效果。如公开号为CN205807269U的实用新型专利一种水纹灯，其在说明书的具体实施方式中提到“所述水纹图案盘9上涂覆有图案涂层或雕刻有图案形状，具体的，可以是水纹的图案或者是其它的图案格式，所述水纹图案盘9可在所述驱动装置6的驱动下转动。由于在光源的底部设置有驱动装置，并在光源的上部设置了水纹图案盘，利用驱动装置驱动水纹图案盘转动，在光源发光的情况下，由于水纹图案盘上的图案作用，使得发出的光线具有动态的光影效果。”，由上述可见，其水纹效果即为简单的光投射水纹图案盘成像，此种水纹效果有一个非常大的局限性，就是边缘十分清晰，即成像为一个圆盘，圆盘内有多个类似水纹，在水纹图案盘转动的情况下，水纹产生转动2D的模拟流水效果。

第三种是通过水纹图案盘搭配其他的效果盘，来达到相对较好的水纹效果，如公开号为 CN103574481A的发明专利，其在说明书中提到“在舞台上安装了水舞灯，当需要水纹光效时，LED光源2经过通电后提供灯光，经过二次配光透镜3做高效的二次配光，照射到色片盘6，色片过滤颜色，光透过了色片盘6得到多色的效果后经过效果玻璃纹片7，得到效果后的光照射在多面透明棱镜8上，折射出去的光效便达到水纹的效果。”，由上述可见，此方案是在上面第二种的方案基础上，简单的加入一个透明棱镜8，其达到的效果还是简单的通过水纹转动来达到2D的水纹效果。

另外，通过检索，还发现一些另外一种水纹效果的专利文献：

如公开号为 CN202196254U的实用新型专利，其在说明书提到“如放映投影仪，只需打开开关28、音量开关29，则摇摆投影镜头即长方体 10在摇摆机构16、减速机构18的传动下作前后摆动和左右窜动，因为固定投影镜头9、摇摆投影镜头即长方体10都有一似波光粼粼水面的凹凸面，所以放映出的画面似波浪起伏的海洋，与此同时喇叭4中会放出波浪的浪声。”由上述可见，其文献中所提到的产生似波浪起伏的海洋，是通过振动摇摆投影镜头即长方体10来实现的，可以理解的是，其摇摆投影镜头就相当于上面文献中所述的第二种方案中的水纹图案盘9或者第三种方案中的效果玻璃纹片7，差异的只是驱动方式的不同，本质上还是2D的水纹效果。

上述方案均没有能够研发出如何通过光学系统产生一种更为逼真的3D水纹效果的方案，日常生活中，我们所看到的3D电影的原理如下：

用两个镜头如人眼那样的拍摄装置，拍摄下景物的双视点图像。再通过两台放映机，把两个视点的图像同步放映，使这略有差别的两幅图像显示在银幕上，这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是重叠的，有些模糊不清，要看到立体影像，就要采取措施，使左眼只看到左图像，右眼只看到右图像。从放映机射出的光通过偏振片后，就成了偏振光，左右两架放映机前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，观众使用对应上述的偏振光的偏振眼镜观看，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会看到立体景像，这就是立体电影的原理。

那么如何同样的利用光学原理来达到水纹流动的3D效果是本技术要解决的问题，在此先对一些公知的光学名词进行解释，发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd，发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。这个量是表明发光体在空间发射的汇聚能力的，可以说，发光强度就是描述了光源到底有多亮。上述引用自百度百科。

通过上文及日常生活可理解一种现象，如果1个点光源在一个成像面上成像为A，A分为a1、a0两个区域，

初始状态S1：a1为光强高的区域，a0为光强低的区域，且a1和a0的光强差非常大，那么人眼会感觉a1亮/a0暗的明显视觉差；

过渡状态S2：a1、a0光强与初始状态S1相反，即a1为光强低的区域，a0为光强高的区域，且a1和a0的光强差非常大，那么人眼会感觉a1暗/a0亮的明显视觉差；

可以理解的是，当像A从初始状态S1切换到过渡状态S2时，则人眼会产生亮度的跳跃视觉感，光强差越大越明显；而当这个S1切换到S2的过程不断重复时，则人眼会产生2D的亮度跳跃的视觉感。

通过实验可知，同时若没有看过实验但是可以理解的是，当1个点光源在一个成像面上成A、B两个像，且A、B的特性一样，当A、B像叠加并同时不断重复S1切换到S2的过程时，则人眼即会产生3D的亮度起伏效果。

由上述，可以理解的是，此光学系统的技术要点在于1-点光源；2-在同一个成像面成2个像；3-每个像由光强差很大的各个区域组成；4-同一区域光强差连续不断的变化。

在公开号为CN105066058B的发明专利一种动态光投射装置中，其在文献中提到“所述LED光源的发光角度为180°；所述LED光源长度和宽度与所述摆动透光片和固定透光片的焦距的比例为1:30，所述摆动透光片和固定透光片的焦距与所述铝基板和所述摆动透光片之间的距离D1的比例为3:2，所述摆动透光片和固定透光片的焦距与所述铝基板和所述固定透光片的距离D2的比例为1:1”，还提到“通过LED光源2提供单色或者多色的光，可以各种日光色和需求的颜色，发光规律符合180度lambertian发光，轴向光强最大，其他方向按照与轴向的余弦夹角进行衰减。经过摆动透光片3的自由曲面后配光变为多向，不等光强。经过固定透光片4的自由曲面后配光变为多向，高对比度配光，部分区域为亮区域，部分区域为暗区域。由于自由曲面的移动，亮区域不断移动，不同LED产生的亮区域不同步移动形成了“风力吹拂下的动态水面反射太阳光到受照物，水波纹交叉荡漾，光影斑驳”的效果。”由上文可见，其实现“1-点光源的效果”是通过LED光源长度和宽度与所述摆动透光片和固定透光片的焦距的比例为1:30，此比例明显过大，严重加大了灯具的长度；另外其光线是直接经过摆动透光片和固定透光片，出来的亮暗区域的光强差是多少，也没有进行说明，即其实现“3-每个像由光强差很大的各个区域组成”的技术参数、光学原理以及实际效果上是公开不充分的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED水纹灯具产生水纹3D起伏效果的方法，通过光学系统的设计，达到投射出来的水纹图案产生3D的起伏效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种LED水纹灯具产生水纹3D起伏效果的方法，包括光源组件、散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B；所述光源组件包括LED光源和聚光透镜组；所述LED光源发出的光线依次经过聚光透镜组、散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B后投射成像形成光斑；所述成像光斑的照度曲线呈现的是连续的多段的照度差异明显的曲线，而不是常规光斑的高斯曲线；所述成像光斑的照度曲线的形成是通过两个像的运动叠加实现的，所述的像包括若干个光照度差异明显的水纹图案；所述的两个像分别是光线经过水纹成像镜片A 所成的像和光线经过水纹成像镜片B所成的像；

所述散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B三者的相对运动关系是如下七种运动方式中的任意一种：

1-散射镜片固定不动，水纹成像镜片A固定不动，水纹成像镜片B在其平面内往返平移滑动；

2-散射镜片固定不动，水纹成像镜片B固定不动，水纹成像镜片A在其平面内往返平移滑动；

3-散射镜片固定不动，水纹成像镜片A、水纹成像镜片B同时在各自平面内往返平移滑动，且两者处于相对运动关系；

4-散射镜片在其平面内往返平移滑动，水纹成像镜片A固定不动，水纹成像镜片B在其平面内往返平移滑动，且两者处于相对运动关系；

5-散射镜片在其平面内往返平移滑动，水纹成像镜片B固定不动，水纹成像镜片A在其平面内往返平移滑动，且两者处于相对运动关系；

6-散射镜片在其平面内绕轴自转，且散射镜片中心轴与LED光源主光轴不同轴，水纹成像镜片A固定不动，水纹成像镜片B在其平面内往返平移滑动；

7-散射镜片在其平面内绕轴自转，且散射镜片中心轴与LED光源主光轴不同轴，水纹成像镜片B固定不动，水纹成像镜片A在其平面内往返平移滑动；

其中，所述散射镜片或水纹成像镜片A或水纹成像镜片B的滑动是由步进电机驱动完成的；

同时，所述LED光源成像过程如下：

（1）所述LED光源发出的180°全角光线通过聚光透镜组后形成汇聚光线；

（2）所述汇聚光线经过散射镜片后形成散射状的非线性光线；

（3）所述散射状的非线性光线经过水纹成像镜片A、水纹成像镜片B后在同一个成像面形成两个包括若干个水纹图案的像；（4）散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B三者进行所述七种运动方式中的任意一种。

进一步的，所述LED光源是单色或者多色LED。

进一步的，当LED光源发出的180°全角光线经过聚光透镜组后形成光束角为45°-110°的汇聚光线。

进一步的，所述散射镜片包括若干个高低不同的不规则棱台；棱台高度H为0.2mm≤ H ≤ 1.4mm。

进一步的，所述水纹成像镜片A包括若干个长条形的自由曲面透镜c，所述若干个自由曲面透镜c呈阵列排列，所述自由曲面透镜c的投影轮廓呈水纹状。

进一步的，所述自由曲面透镜c的曲率半径R为-25mm~25mm正负曲率之间连续过渡, 所述自由曲面透镜c的焦距f2为-48mm~48mm之间连续过渡。

进一步的，所述水纹成像镜片B包括若干个长条形的自由曲面透镜d，所述若干个自由曲面透镜d呈阵列排列，所述自由曲面透镜d的投影轮廓呈水纹状；

进一步的，所述自由曲面透镜d的曲率半径R为-25mm~25mm正负曲率之间连续过渡；所述自由曲面透镜d的焦距f2为-48mm~48mm之间连续过渡。

进一步的，所述自由曲面透镜c和自由曲面透镜d的投影轮廓是相似或相同的水纹状。

进一步的，所述散射镜片为透明玻璃材质，所述水纹成像镜片A和水纹成像镜片B为折射率为1.47-1.65的透明材质。

附图说明

图1为本发明的光学元件位置图。

图2为本发明的一种优选模拟光斑效果图。

图3为本发明模拟光斑XY方向的光照度曲线图。

图4为常规光斑1模拟图及XY方向光照度曲线图。

图5为常规光斑2模拟图及XY方向光照度曲线图。

图6为水纹成像镜片A示意图。

图7为水纹成像镜片A的剖面a-a及局部放大图。

图8为水纹成像镜片B示意图。

图9为水纹成像镜片B的剖面b-b及局部放大图。

图10为散射镜片示意图。

图11为散射镜片的棱台高度H=0.2mm时的模拟散射光强曲线。

图12为散射镜片的棱台高度H=1.4mm时的模拟散射光强曲线。

图13为运动方式a。

图14为运动方式b。

图15为运动方式c。

图16为运动方式d。

图17为运动方式e。

图18为运动方式f。

图19为运动方式g。

附图中图示标号说明：11-LED光源； 12-聚光透镜组；2-散射镜片；21-散射镜片上的棱台；3-水纹成像镜片A；4-水纹成像镜片B；5-自由曲面透镜c；6-自由曲面透镜d。

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，一种LED水纹灯具产生水纹3D起伏效果的方法，包括光源组件、散射镜片（2）、水纹成像镜片A（3）、水纹成像镜片B（4）；光源组件包括LED光源（11）和聚光透镜组（12）； LED光源（11）发出的光线依次经过聚光透镜组（12）、散射镜片（2）、水纹成像镜片A（3）、水纹成像镜片B（4）后投射成像形成光斑。优选的，如附图2所示，为本技术方案的一种静态的模拟成像光斑图。

如附图3所述，依照十字线方向对成像光斑的照度曲线进行XY方向的照度分析，可以明显看到XY方向的照度曲线是连续多段的差异明显的曲线，而不是常规光斑的高斯曲线，为了便于理解，给出两种常规光斑以及它们XY方向上的照度曲线图，如附图4,5所示。

上述成像光斑是两种像叠加的效果，即当两个像中的每一个都包括若干个光照度差异明显的水纹图案时，当2个物进行相对运动后，两个像进行运动叠加，就会形成如附图2所示的光斑效果，且在运动状态下，就会看到同一位置水纹图案的形态和亮暗不断变化。

要形成上述动态光斑效果，可以理解的是，就需要满足以下条件：

(1)两个像；(2)每个像包括若干个光照度差异明显的水纹图案；(3)两个像产生相对运动。

在本发明中，上述条件可以通过具体方案实现：

1-两个像：

水纹成像镜片A包括若干个长条形的自由曲面透镜c，所述若干个自由曲面透镜c呈阵列排列，自由曲面透镜c的曲率半径R为-25mm~25mm正负曲率之间连续过渡, 所述自由曲面透镜c的焦距f2为-48mm~48mm之间连续过渡，如附图6，7所示；

水纹成像镜片B包括若干个长条形的自由曲面透镜d，所述若干个自由曲面透镜d呈阵列排列，自由曲面透镜d的曲率半径R为-25mm~25mm正负曲率之间连续过渡；所述自由曲面透镜d的焦距f2为-48mm~48mm之间连续过渡，如附图8，9所示；

LED光源发出的光线经过水纹成像镜片A、水纹成像镜片B后在同一个成像面形成两个包括若干个水纹图案的像。

2-每个像包括若干个光照度差异明显的水纹图案：

因为自由曲面透镜c的投影轮廓呈水纹状；自由曲面透镜d的投影轮廓呈水纹状，因此最后形成的像就是水纹图案；另外由自由曲面透镜c和自由曲面透镜d的曲率半径和焦距可知，二者均为连续的曲面正负透镜，那么在同一成像面所成的像就是存在亮度差异明显的水纹图案；

同时，如附图10所示，散射镜片包括若干个高低不同的不规则棱台，棱台高度H为0.2mm≤ H ≤ 1.4mm，当光线射入到散射镜片，由于棱台的高低不同，其本身会加剧射出光线的亮度差异，如附图11为散射镜片（2）的棱台（21）高度H=0.2mm时的模拟散射光强曲线，最大光强=3128.5cd；如附图12为散射镜片（2）的棱台（21）高度H=1.4mm时的模拟散射光强曲线，最大光强=1826.0cd；可见两者最大的光强差异达到3128.5/1826.0=1.7倍；将棱台（21）高度设置成不同的目的在于，加大光线的光强差，以便于在成像的时候形成亮暗对比更为明显的水纹图案，同时光线经过散射镜（2）后成像的区域更大，以避免光斑边界过于锐利的问题。

3-两个像产生相对运动：

可以理解的是，让两个像产生相对运动，即让两个物产生相对运动即可，也就是水纹成像镜片A（3）、水纹成像镜片B（4）产生相对运动，再叠加散射镜片，则满足散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B三者的相对运动关系是如下七种运动方式中的任意一种时，均可以达到水纹成像镜片A（3）、水纹成像镜片B（4）产生相对运动的效果，散射镜片或水纹成像镜片A或水纹成像镜片B的滑动是由步进电机驱动完成的：

a-如附图13所示，散射镜片固定不动，水纹成像镜片A固定不动，水纹成像镜片B在其平面内往返平移滑动；

b-如附图14所示，散射镜片固定不动，水纹成像镜片B固定不动，水纹成像镜片A在其平面内往返平移滑动；

c-如附图15所示，散射镜片固定不动，水纹成像镜片A、水纹成像镜片B同时在各自平面内往返平移滑动，且两者处于相对运动关系；

d-如附图16所示，散射镜片在其平面内往返平移滑动，水纹成像镜片A固定不动，水纹成像镜片B在其平面内往返平移滑动，且两者处于相对运动关系；

e-如附图17所示，散射镜片在其平面内往返平移滑动，水纹成像镜片B固定不动，水纹成像镜片A在其平面内往返平移滑动，且两者处于相对运动关系；

f-如附图18所示，散射镜片在其平面内绕轴自转，且散射镜片中心轴与LED光源主光轴不同轴，水纹成像镜片A固定不动，水纹成像镜片B在其平面内往返平移滑动；

g-如附图19所示，散射镜片在其平面内绕轴自转，且散射镜片中心轴与LED光源主光轴不同轴，水纹成像镜片B固定不动，水纹成像镜片A在其平面内往返平移滑动。

优选的，当自由曲面透镜c和自由曲面透镜d的投影轮廓是相似或者相同的水纹状时，叠加效果最好。

优选的，当散射镜片为透明玻璃材质，水纹成像镜片A和水纹成像镜片B为折射率为1.47-1.65的透明材质时，成像效果最好。

从LED光源发出的光线的路线来说，LED光源成像过程如下：

（1）所述LED光源发出的180°全角光线通过聚光透镜组后形成汇聚光线；优选的，当汇聚光线的光束角为45°-110°时，光源的利用效率点对较高；

（2）所述汇聚光线经过散射镜片后形成散射状的非线性光线；

（3）所述散射状的非线性光线经过水纹成像镜片A、水纹成像镜片B后在同一个成像面形成两个包括若干个水纹图案的像；（4）散射镜片、水纹成像镜片A、水纹成像镜片B三者进行所述七种运动方式中的任意一种。

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。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。