舞台灯光照明系统及其提供高亮度白光的方法

摘要

一种舞台灯光照明系统及其提供高亮度白光的方法，该舞台灯光照明系统包括封装在散热基板上的由复数个LED芯片构成的LED阵列，以及将各LED芯片的发光汇聚合成为一束合光的合光装置，将该合光装置的输出光聚焦到出光口的聚焦透镜；尤其还包括透射型光波长转换装置及控制处理装置。在提供白光的时段内，控制处理装置控制预定波长的LED芯片发光，同时在光路上切入所述透射型光波长转换装置来产生受激发光，以混合产生白光；该时段过后，将该透射型光波长转换装置切离所述光路。采用本发明，提高了高亮度白光的输出效率，具有舞台灯光色彩丰富、发光源光利用效率高的优点。

说明书

技术领域本发明涉及照明装置或其系统的功能特征，具体来说，尤其涉及主要用于舞台灯光照明的照明系统。

背景技术LED(发光二极管)光源为绿色无污染的干净节能光源，其可达到的光通量设计指标在逐年提升。目前LED光源主要应用于一些小功率、低端的换色灯产品上。

大功率舞台灯光光源主要采用金卤放电泡。金卤放电泡为白色光源，使用寿命较低，一般为几百小时到数千小时不等。因金卤放电泡的发光谱为白色连续光谱，舞台灯光所需的不同色彩只能靠彩色滤光片来滤光实现，使得灯光投射出的图案具有较低的色彩饱和度，色彩既不鲜艳，也不丰富。为了提高单色光的色彩饱和度，可以使用带宽极窄的滤光片来滤光，其不足之处是会降低单色光的亮度。

若舞台灯光采用LED光源，则可以省掉所述彩色滤光片，并通过调节不同基色LED的电流来改变光源的颜色，从而利用单色LED较高的色彩饱和度，可使舞台灯光色彩的表现自由度大为提高。但目前LED发热量大，发光效率还不够高，且单个LED芯片不能承受高功率，因此大功率舞台灯光的高光通量往往要靠LED阵列来实现。

申请号为200720061982.0的中国专利公开了一种舞台灯的光源组件，采用一个LED阵列和大型散热装置，可以提供一百瓦的发光功率，并可通过控制该LED阵列中的不同色LED的工作来实现色彩调整。其不足之处在于：基于散热和光通量等性能指标，尤其是输出光的亮色均匀性方面的考虑，该光源组件尚不能满足大功率舞台灯光的需求。

为此，本公司曾提出中国专利申请中，将来自多个LED阵列的单色光通过分光合色装置来合成为一束，可以提高光源的输出功率及改善光输出亮色均匀性。

上述在舞台灯系统中采用LED阵列的现有技术不足之处在于：在产生白光时系统的发光效率较传统的金卤放电泡方案低，具体分析为：金卤放电泡为热光源，输出光的效率几乎不受热量影响，因而光源输出功率无论是高是低，输出光的效率几乎不变。以现有的575瓦摇头灯来说，其灯泡输出的光通量达到49000流明，发光效率为85流明/瓦；而1200瓦摇头灯的灯泡光通量输出达到110000流明时，发光效率仍为85流明/瓦。与之对应的是，大功率LED光源采用单色光来合光产生白光时，由于目前产生绿(G)光的LED芯片的电光转换效率较低、产生蓝(B)光的LED电光效率最高、产生红(R)光的LED电光效率居中；而白光的光谱成分中绿光最高、红光次之、蓝光最少，为了调整白平衡，合光时系统必然会降低蓝、红光的输出功率，这样造成了白光效率的低下，光源输出功率越大白光效率越小。

发明内容本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种舞台灯光照明系统及其方法，在提高光输出功率的同时，提高高亮度白光的输出效率。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：既然采用R，G和B三基色LED来合成白光的亮度或效率较低，若在舞台灯光照明系统提供白光输出的时段内，设置采用一单色光来激发光波长转换材料，例如荧光粉，以产生白光，则无疑可以提高白光的亮度。

作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种舞台灯光照明系统提供高亮度白光的方法，包括步骤：

将来自于封装在散热基板上的LED阵列中的复数个LED芯片的光汇聚合成为一束合光；

将该束合光引导往一个出光口；

控制所述LED阵列中具有不同发光波长的LED芯片发光来使所述出光口的光具有预定的颜色或颜色变化；

尤其是，还包括步骤：在所述出光口的光为白光的时段内，控制预定波长的LED芯片发光，同时在所述合光的引导光路上切入一透射型光波长转换装置来产生具有第二预定波长的受激发光，来混合产生白光；该时段过后，将所述透射型光波长转换装置切离所述引导光路。

具体地说，上述方案中，所述舞台灯光照明系统可以是包括两个所述LED阵列，同一所述LED阵列上的各LED芯片均为一同色LED芯片；用两个包括复数个透镜的透镜阵列，使每一所述透镜对准一LED芯片来将该LED芯片的输出光准直成近平行光；将由该两个透镜阵列而出的两束近平行光分别通过一合色滤光片的透射和反射来汇聚成一束，再通过一聚焦透镜聚焦到所述出光口。还可以是包括三个所述LED阵列，同一所述LED阵列上的各LED芯片均为一同色LED芯片；用三个包括复数个透镜的透镜阵列，使每一所述透镜对准一LED芯片以将该LED芯片的输出光准直成近平行光；将由该三个透镜阵列而出的三束近平行光通过一分光合色装置来汇聚成一束，再通过一聚焦透镜聚焦到所述出光口。其中，所述分光合色装置采用具有三个光入口端的X型合色滤光装置，使每一所述光入口端对准一所述透镜阵列。有一所述LED阵列上的各LED芯片均为蓝光LED芯片；对应的透射型光波长转换装置包括可产生黄色受激发光的光波长转换材料。

上述方案中，所述透射型光波长转换装置包括光波长转换材料，及用来承载或夹持所述光波长转换材料的一具有转轴的透光轮盘；相应地，还包括步骤：当所述透射型光波长转换装置被切入所述光路时，控制该透光轮盘转动使得该透光轮盘上一预定圆环区域循环扫过该光路。或者将所述透射型光波长转换装置设置在一具有转轴的透光轮/盘上，通过控制该透光轮/盘的旋转角度来控制该透射型光波长转换装置在所述光路中的切入或切离。进一步地，还在所述透光轮/盘上设置有一张或一张以上的图案片，通过控制该透光轮/盘的旋转角度来选择在所述光路中切入的是所述透射型光波长转换装置还是图案片。

上述方案中，还包括在所述出光口后端设置投影透镜来引导输出光进行远距离投影的步骤。此外，还包括步骤：当所述透射型光波长转换装置被切入所述光路时，还同时切入两个联动透镜，将该两个联动透镜分置于该透射型光波长转换装置的前、后；当所述透射型光波长转换装置被切离所述光路时，还同时切离所述两个联动透镜。进一步地，还包括步骤：在所述出光口处设置一携带有一张或一张以上图案片的图案盘，使总有一所述图案片正对着所述出光口。可以控制图案盘来切换对着所述出光口的图案片。

作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种舞台灯光照明系统，包括封装在散热基板上的由复数个LED芯片构成的LED阵列，以及将各LED芯片的发光汇聚合成为一束合光的合光装置，将该合光装置的输出光聚焦到出光口的聚焦透镜；尤其是，还包括透射型光波长转换装置，以及控制处理装置；该控制处理装置控制各所述LED芯片的发光，还控制所述透射型光波长转换装置适时切入和切离所述聚焦透镜到所述出光口之间的光路。

上述方案中，所述LED阵列包括两种或两种以上具有不同发光波长的LED芯片；所述合光装置为具有杯状反射面的光收集组件，杯底被置入所述LED阵列，杯口朝向所述聚焦透镜。或者是，所述舞台灯光照明系统包括两个所述LED阵列，同一所述LED阵列上的各LED芯片均为一同色LED芯片；所述合光装置包括一个合色滤光片及两个与所述LED阵列相对应的包括复数个透镜的透镜阵列，每一所述透镜对准一LED以将该LED的输出光准直成近平行光，出自该两个透镜阵列的两束近平行光一边一束地射往所述合色滤光片的两边，分别通过透射和反射的方式汇聚成一束射往所述聚焦透镜。或者是，所述舞台灯光照明系统包括三个所述LED阵列，同一所述LED阵列上的各LED芯片均为一同色LED芯片；所述合光装置包括一个具有三个光入口端的分光合色装置，及三个与所述LED阵列相对应的包括复数个透镜的透镜阵列，每一所述透镜对准一LED以将该LED的输出光准直成近平行光，出自该三个透镜阵列的三束近平行光通过所述分光合色装置汇聚成一束射往所述聚焦透镜。其中，所述分光合色装置或者为一个X型合色滤光装置，或者为由两片合色滤光片平行设置而成的级联型合色滤光装置。所述合色滤光片或者为二向色片，或者为镀有分光滤光膜的玻璃片。

上述方案中，系统还包括两个联动透镜，随所述透射型光波长转换装置切入和切离所述光路；在所述光路中，该两个联动透镜分置在所述透射型光波长转换装置的两边。所述联动透镜为凸透镜或菲涅尔透镜。

上述方案中，所述透射型光波长转换装置包括光波长转换材料及承载或夹持该光波长转换材料的透光介质。所述透光介质包括具有转轴的透光轮盘，当所述透射型光波长转换装置被切入所述光路时，该透光轮盘受控转动使得轮盘上一预定圆环区域内的光波长转换材料循环扫过该光路。所述控制处理装置通过控制所述透射型光波长转换装置移动来控制该透射型光波长转换装置在所述光路中的切入或切离。或者是，所述透射型光波长转换装置被设置在一具有转轴的透光轮/盘上，所述控制处理装置通过控制该透光轮/盘的旋转角度来控制该透射型光波长转换装置在所述光路中的切入或切离。进一步地，所述透光轮/盘上在所述透射型光波长转换装置以外区域还设置有一张或一张以上的图案片。

上述方案中，所述舞台灯光照明系统还包括携带有一张或一张以上图案片的图案盘；总有一所述图案片正对着所述出光口。或者还包括投影透镜，引导所述出光口的输出光进行远距离投影。

采用上述各技术方案，具有光色彩丰富、易于实施、发光源的光利用效率高的优点。

附图说明图1示意了本发明舞台灯光照明系统产生白光时的光路图；

        图2示意了本发明舞台灯光照明系统产生非白光时的光路图；

        图3示意了图1中包括的光波长转换装置的结构图；

        图4示意了图1系统结构中投影透镜的工作；

        图5示意了对图1系统结构进行改进的替换实施例；

        图6示意了图案盘的一种实施例；

其中，各附图标记为：1、2、3——第一、二、三LED芯片阵列，4——分光合色装置，5——聚焦透镜，6、8——第一、二凸透镜，7——光波长转换装置，9——透光轮/盘，10——转轴，11——出光口，12——投影透镜，13——图案盘，14——图案盘的转轴。

具体实施方式下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。

根据现有技术，舞台灯光照明系统提供各种色光的方法包括步骤：

将来自于封装在散热基板上的LED阵列中的复数个LED芯片的光汇聚合成为一束合光；

将该束合光引导往一个出光口；

控制所述LED阵列中具有不同发光波长的LED芯片发光来使所述出光口的光具有预定的颜色或颜色变化。

本发明方法基于上述各步骤，还包括步骤：

在所述出光口的光为白光的时段内，控制预定波长的LED芯片发光，同时在所述合光的引导光路上切入一透射型光波长转换装置来产生具有第二预定波长的受激发光，来混合产生白光；该时段过后，将所述透射型光波长转换装置切离所述引导光路。

如图1所示，根据本发明方法设计的舞台灯光照明系统包括至少一个LED阵列，由按一定的空间间隔封装在散热基板上的复数个LED芯片构成；合光装置4，将各LED芯片的发光汇聚合成为一束合光；聚焦透镜5，将合光聚焦到出光口11。可以令同一所述LED阵列上的各LED芯片均为一同色LED，图1以三个LED阵列1、2、3为例，例如但不限于分别采用R、G、B LED发光芯片。相应地，所述合光装置4包括一个具有三个光入口端的分光合色装置，及三个与所述LED阵列相对应的包括复数个透镜的透镜阵列，每一所述透镜对准一LED芯片以最大限度地收集从该LED芯片输出的大角度光，并将该大角度光线转为有一定发散角的近平行光，该近平行光发散角度越小越好；出自该三个透镜阵列的三束(R、G、B)近平行光通过所述分光合色装置汇聚成一束射往所述聚焦透镜5。所述分光合色装置可以如图所示是一个具有三个光入口端的X型合色滤光装置，使每一所述光入口端对准一所述透镜阵列；还可以是由两片合色滤光片平行设置而成的级联型合色滤光装置。而所述合色滤光片可以是二向色片，也可以是镀有分光滤光膜的玻璃片；这些均在本公司的相关在先申请中涉及，此处不再赘述。

事实上，在对舞台灯光照明系统颜色种类要求不很丰富的场合，或许采用两个单色LED阵列足可。相应地，此时合光装置4可以用一个合色滤光片及两个所述透镜阵列来替代，出自该两个透镜阵列的两束近平行光一边一束地射往所述合色滤光片的两边，分别通过透射和反射的方式汇聚成一束射往所述聚焦透镜5。在对舞台灯光照明系统出射光的亮度或颜色均匀性要求不高的场合，还可以仅采用一个LED阵列来同时包括两种或两种以上具有不同发光波长的LED芯片，所述合光装置4用具有杯状反射面的光收集组件来替代，在该光收集组件杯底置入所述LED阵列，将杯口朝向所述聚焦透镜5。这些因非本发明重点，不再另加图示说明。

本发明舞台灯光照明系统还包括透射型光波长转换装置7，以及控制处理装置；该控制处理装置控制各所述LED芯片的发光，还控制所述透射型光波长转换装置7适时切入和切离所述聚焦透镜到所述出光口之间的光路。图1示意了当所述透射型光波长转换装置7切入所述光路，用来产生高亮度白光的情形；图2示意了当所述透射型光波长转换装置7切离所述光路的情形。

所述透射型光波长转换装置7包括光波长转换材料及承载或夹持该光波长转换材料的透光介质。可以如图3所示用两片透光介质15、17来夹持光波长转换材料16，例如但不限于荧光粉、染料或量子发光材料；还可以将所述光波长转换材料与胶水混合后胶贴在任一所述透光介质上。

图1中示意的所述透射型光波长转换装置7被设置在一具有转轴10的透光轮或透光盘9上，所述控制处理装置通过控制该透光轮/盘9的旋转角度来控制该透射型光波长转换装置7在所述光路中的切入或切离。所述光波长转换材料以荧光粉为例，因为小角度的入射激发光线经过荧光粉后，出光呈180度朗伯分布，使系统的光学扩展量变大，不利于出光口11对大角度光线的收集利用；本发明舞台灯光照明系统还包括了两个联动的透镜6、8，随所述透射型光波长转换装置7切入和切离所述光路。所述联动透镜6、8可以是凸透镜，也可以是较薄的菲涅尔透镜；在所述光路中，该两个透镜分置在所述透射型光波长转换装置的两边。第一透镜6具有较强的聚焦能力，将光线聚焦到光波长转换装置7上；第二透镜8收集来自所述光波长转换装置7的大角度光线，使出射光的有效孔径与出光口11相匹配，来减少光能的损失。

令图1所示系统中有一所述LED阵列上的各LED芯片均为蓝光LED芯片，对应的透射型光波长转换装置包括可产生黄色受激发光的光波长转换材料，则当舞台灯光要投射白色光时，控制处理装置控制使蓝光芯片发光，将另两LED阵列上的各LED芯片关掉，控制使联动透镜6、8和透射型光波长转换装置7切入所述光路即可。此时荧光粉受激发出黄光，所述黄光与透射部分的蓝光合成白光，其亮度效率远远大于采用R、G、B三基色高功率LED来合成白光。所述光波长转换材料的厚度不同，将影响合成白光的色温；因而可以通过调节所述光波长转换材料的厚度来改变所述白光的色温。

所述联动透镜6、8可以设计成与所述透射型光波长转换装置7联动，例如一起绕转轴10旋转。图2中，将所述联动透镜6、8与所述透射型光波长转换装置7一起切离所述光路，从而可以利用R、G、B三基色高功率LED来合成各种色光。采用本发明切换方案，既能弥补现有LED舞台灯光中白光亮度的不足，又能保持舞台灯光具有颜色高饱和和色彩丰富的优点。

考虑到射入所述透射型光波长转换装置7的光可能具有较大光功率，为了保护光波长转换材料，可以将该透射型光波长转换装置7改装成用一具有转轴的透光轮盘来承载或夹持所述光波长转换材料。相应地，改进本发明方法为，当该透射型光波长转换装置被切入所述光路时，控制所述透光轮盘转动使得该透光轮盘上一预定圆环区域(携带该区域内光波长转换材料)循环扫过该光路。这样，可以避免热量在任一处光波长转换材料上积聚。相应地，透射型光波长转换装置7在所述光路中的切入或切离将通过一移动机构来移动所述透光轮盘实现。所述联动透镜6、8可以通过所述移动机构来与该透射型光波长转换装置7联动，而不与该透射型光波长转换装置7的轮盘的转动联动。

考虑到本发明系统图案投影的需求，本发明系统还包括携带有一张或一张以上图案片的图案盘。如图2所示，当所述透射型光波长转换装置7被切离所述光路时(图中以虚线示意此时切入的透光部分)，可以在所述出光口11处设置一图案片。所述图案盘可以如图6所示为一带转轴14的转盘13，携带有多张图案片，控制处理装置通过控制该转盘13的旋  转角度来切换或选择图案片，使总有一图案片(例如但不限于131)正对着所述出光口11。

在该实施例中，所述图案片131被固定在图案盘13上时，还可以被设计成能绕着自己的轴自转，使系统出光图案更具有动态效果。

若系统提供白光时无需同时提供任何图案，则还可以考虑同时在图1所示的透光轮/盘9在所述透射型光波长转换装置7以外的区域上设置有一张或一张以上的图案片，通过控制该透光轮/盘的旋转角度来选择在所述光路中切入的是所述透射型光波长转换装置还是某一图案片；如图5a及图5b所示。该方案中，如图5a所示，因参与成像系统对孔径的控制需求，对第二联动镜头8具有较高的规格要求。

本发明系统还可以包括设置在所述出光口后端的投影透镜12，引导该出光口的输出光进行远距离投影。

所述图案片还可以是不带任何图案，供产生白光时或有需求时使用。但不排除系统提供白光时，对图案片有带图案的需求。则系统结构可以局部示意如图4所示。透射型光转换装置7设置在转盘9上，图案片设置在图案盘13上。如图4a，当透射型光转换装置7被切入所述光路时，为了使成像清晰，投影镜头12整体要向远离光源的方向移动；如图4b，当透射型光转换装置7被切离所述光路时，一般图案片具有较大的外径，为了使成像清晰，投影镜头12整体要向靠近光源的方向移动。