灯光装置及其调节颜色的方法、光波长转换轮组件

摘要

一种灯光装置及其调节颜色的方法，该灯光装置包括光源，该光源包括激发光源和运动装置；尤其是该运动装置包括一种带散热基底的光波长转换轮组件，该散热基底上划分有若干个承载不同受激材料的区域，受控以一轮轴为中心进行间歇转动或预定角度的转动；使该散热基底迎向激发光并被局部照射，照射范围不大于任一所述区域的大小；控制单元控制所述转动，以将一选定区域切换入激发光的照射范围，由激发光源与该选定区域、受激材料提供具有选定颜色的光源输出光。采用本发明，可提供低成本、高亮度或高饱和度舞台图案的同时具有较高的白光合成效率。

说明书

技术领域  本发明涉及灯光装置及其光源，尤其涉及光源的控制或调节技术，特别是光源出射光颜色的调节方法。

背景技术  目前大功率舞台灯光装置的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，只能靠彩色滤光片来滤光获得不同色彩的光输出，使得灯光装置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。

为了提高单色光的饱和度，传统舞台灯光装置有时会用带宽极窄的滤光片来滤光。这样虽然提高了颜色饱和度，但降低了单色光的输出亮度。

随着固态光源技术的发展，固态光源，尤其是LED(发光二极管)，在舞台灯光装置上得到越来越多的应用。鉴于LED散热和光通量等性能指标的限制，目前LED光源还主要使用于一些低端的小功率换色灯产品上。

为了在大功率舞台灯光装置中使用固态光源，本公司之前提出过的专利申请中(如图1所示)采用了多个大功率LED阵列分别来提供红(R)、绿(G)、蓝(B)光，利用分光合光装置，例如X型合光装置15来合成获得不同颜色的光输出。

现有光源还采用单一光源配合荧光材料来产生不同颜色的光输出。例如申请号为2008100653661的中国专利申请所公开的方案，采用在发光源的光输出通路上设置一个携带有多种荧光转换材料的高速旋转着的运动装置，来实现不同单色光的“混光”输出；并通过控制及调节发光源的实时光输出功率来实现“混合”光的颜色变化。

上述现有技术的不足在于，对于本公司之前申请专利的技术来说，虽然大功率舞台灯光装置在单色光的亮度及色彩上得到完美展现，但其白光的表现力尚有不足之处，具体分析为：传统金卤放电灯因属热光源，其发光效率不受光输出功率的影响，例如575瓦的摇头灯，其输出的光通量无论是49000流明，或110000流明，金卤放电灯的发光效率均为85流明/瓦。而现有大功率LED的发光效率却随驱动功率的增加而下降，且现有红绿蓝三基色LED的发光效率中绿光的效率最低，蓝光的效率最高，白光的光谱成分中却是绿光最多，蓝光最少，故为了调整白平衡，必然造成LED舞台灯光装置的白光亮度低下。尤其是舞台灯光时有需要较低色温(如3200K)的应用场合，要求提供更多的绿光成份，白光亮度将更为低下。同时，该技术方案采用的大功率LED阵列由于阵列规模较大，成本相对于传统光源偏高，制约了其应用。

申请号为2008100653661的中国专利申请所公开的方案光源虽然颜色变化较为丰富，但为了实现颜色调整，对运动装置的转速要求较高，相应地，对发光源控制的实时性要求也相当高。

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，而提出一种便于低成本实现的灯光装置及其调整颜色的方法，提供低成本舞台图案的同时具有较高的合成白光的效率。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：采用一可散热的运动装置来分区域承载不同的光波长转换材料，依据灯光装置在诸如舞台上的不同颜色光需求来调节该运动装置对准激发光的区域，从而可以适应舞台图案的颜色需求，提供低成本而高亮度或高饱和度的图案光。

作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种光波长转换轮组件，尤其是，包括一散热基底，在该散热基底上划分有若干个区域，分别承载不同的受激材料或有一区域不承载任何受激材料；还包括一实心或空心的轮轴，所述散热基底受控进行间歇转动或预定角度的转动时是以该轮轴为中心进行转动的。

具体地说，上述方案中，各所述区域大小相近并呈圆形，一起环形分布在所述散热基底上。所述散热基底呈盘状平面或筒状曲面。所述受激材料包括荧光粉、染料或量子点。所述受激材料是被以涂覆、填充或贴膜的形式施加到各所述区域上的。

上述方案中，所述散热基底为透明材料构成。所述散热基底包括两片被箍在一起的导热玻璃，受激材料被夹持在该两片导热玻璃中。所述散热基底上至少有一个所述区域还涂覆有滤光膜或承载有滤光片。所述散热基底为包括若干通孔的散热片，各所述区域位于所述通孔中；还包括被嵌套在各所述通孔中的透明导热片，承载所述受激材料。所述光波长转换轮组件还包括一齿轮，嵌套在所述轮轴上或所述散热基底的边缘。

作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种灯光装置，包括光源，一出光口，将光源输出光导往所述出光口的导光装置；尤其是，所述光源包括用来提供激发光的激发光源，以及一运动装置；该运动装置包括如上述所述的光波长转换轮组件，所述散热基底迎向激发光并被局部照射，照射范围不大于任一所述区域的大小；还包括一控制单元，控制所述光波长转换轮组件运动直到所述散热基底上各区域中的一选定区域进入激发光的照射范围，以提供所述光源输出光为止。

上述方案中，所述激发光源包括阵列排布的若干LED；该灯光装置还包括阵列排布的若干准直透镜，各准直透镜分别对准一LED，以将来自各LED的激发光准直成近平行光。所述导光装置包括聚焦透镜，将光源输出光聚焦到所述出光口。还包括一与所述区域大小相近的滤光片及承载该滤光片的轮片，所述控制单元控制该轮片运动，直到所述滤光片切入或切离所述散热基底与所述导光装置之间的光路为止。所述光波长转换轮组件的散热基底或散热片上至少有一个承载有受激材料的区域在该区域朝向激发光入射的一面设置有具有光波长选择作用的滤光膜或滤光片。

具体地，上述方案中还包括一第二聚焦透镜，将照射所述散热基底的激发光聚焦到该散热基底所承载的受激材料上。还包括一第二准直透镜，介于所述散热基底及所述聚焦透镜之间，将光源输出光准直成近平行光后投射往该聚焦透镜。还包括一积分透镜组，介于所述第二准直透镜与所述聚焦透镜之间。还包括一携带图案片用的图案盘，所述出光口对着该图案盘或图案片。

作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种灯光装置调节颜色的方法，该灯光装置包括光源，一出光口，将光源输出光导往所述出光口的导光装置；所述光源包括用来提供激发光的激发光源；尤其是，还包括步骤：

设置一运动装置，该运动装置包括如权利要求1～10任一项所述的光波长转换轮组件，所述散热基底迎向激发光并被局部照射，照射范围不大于任一所述区域的大小；

设置或启动控制单元，控制所述光波长转换轮组件运动，使所述散热基底随着该光波长转换轮组件的运动而将一选定区域切换入激发光的照射范围；

由激发光源与该选定区域或该选定区域所承载的受激材料共同选择产生并提供具有选定颜色的光源输出光。

上述方案中，所述激发光源包括阵列排布的若干LED，采用阵列排布的若干准直透镜来分别对准一LED，以将来自各LED的激发光准直成近平行光。具体地说，所述LED为蓝光LED。

上述方案中，散热基底采用透明材料或各区域嵌套在散热基底的通孔中时，还包括面向所述导光装置，在散热基底上或靠近该散热基底处设置滤光片或滤光膜的步骤；该滤光片或滤光膜被切入所述散热基底与所述导光装置之间的光路时，用来选通具有预定波长范围或预定出射角度范围的光。进一步地，还可以在散热基底上激发光的入射面涂覆或设置一具有光波长选择作用的滤光膜或滤光片的步骤，以反射受激发光。

上述方案中，根据人工设置或预先设定的颜色变化模式，适时或间歇启动所述控制单元，以进行预定的区域选择或滤光片选择。还包括所述控制单元对激发光和运动装置进行同时控制的步骤。所述控制单元包括步进电机，通过带动齿轮组来驱动所述光波长转换轮组件运动。

采用上述技术方案，均可以以易于实现的结构实现光源或舞台灯的出射光颜色变化，具有实现控制方便、成本低的优点。

附图说明  图1是现有舞台灯光装置提供不同颜色输出光的合光结构示意图；

图2是本发明灯光装置的结构示意图；

图3示意了本发明光波长转换轮组件，其中

图3a为侧视示意图，图3b为正视示意图；

图4示意了图3结构的改进实施例，以图3b所示剖线部位的侧视图为例；

图5是图3结构的替换实施例示意图；

图6是本发明灯光装置的实施例之二结构示意图

其中，各附图标记为：1--LED阵列，2--准直透镜阵列，3--第二聚焦透镜，4--运动装置/光波长转换轮组件，5--第二准直透镜，6--积分透镜，7--聚焦透镜，8出光口；40--散热基底，41--带光波长转换材料的区域，42--不带光波长转换材料的区域，43--轮轴，44--齿轮，45--滤光片，46--光波长转换材料，47--导热片。

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。

灯光装置大致都包括有光源，一个可以对着图案盘或图案片的出光口，将光源输出光导往所述出光口的导光装置。如图2所示，所述导光装置可以是聚焦透镜7，将光源输出光聚焦到所述出光口8。所述导光装置也可以如图6所示，为一锥形导光棒7′，该锥形导光棒为实心的玻璃圆棒，或为内镀有高反射膜或贴反光片的空心棒，便于以较短的光路来产生均匀的光斑。本发明中，所述光源采用光波长转换方案，因此光源包括用来提供激发光的激发光源以及一运动装置。如图2所示，所述激发光源可以采用固态光源，尤其是阵列排布的若干固态光源(例如但不限于LED阵列1)，可以降低成本及提高光源功率和亮度。图2中还采用阵列排布的若干准直透镜2，各准直透镜分别对准一LED，以把来自各LED的大角度激发光准直成具有较小发散角的近平行光，有助于提高光源的光利用率。本发明的重点在于所述运动装置，该运动装置包括如图2所示意的光波长转换轮组件4。

图3对所述组件4进行更详细的示意。它包括了一散热基底40，如图3b正视图所示，在该散热基底上划分有若干个区域，分别承载不同的受激材料(例如区域41)或有一区域(例如区域42)不承载任何受激材料；以及一实心或空心的轮轴43，所述散热基底受控进行间歇转动或预定角度的转动时是以该轮轴为中心进行转动的。所述区域的数量视舞台灯光装置的需求而定，一般为三个或三个以上。为便于控制，各所述区域大小最好相近，形状以但不限于圆形(可与现有图案片的形状相适配)为例，一起环形分布在所述散热基底上。所述受激材料包括荧光粉、染料或量子点，可以吸收激发光并发出不同于激发光波长的光；被以涂覆、填充或贴膜等各种形式施加到各所述区域上。各区域所承载的不同的受激材料，可以是指受激材料种类不同，这样在相同激发光下将产生不同颜色的受激发光；也可以是指不同浓度或不同涂覆厚度的同种受激材料，或指不同配比混合的两种或两种以上受激材料，这样在相同激发光下将产生不同纯度或色温的混合光。若需要与激发光源同色的输出光，则设置一不承载任何受激材料的透明区域或反射光区域。

所述散热基底40可以采用透明材料构成，例如但不限于采用两片被箍在一起的导热率极佳的导热玻璃，所述受激材料被夹持在该两片导热玻璃中。图3a的侧视图示意了滤光膜或滤光片45的存在，该滤光膜或滤光片45可以被涂覆或承载在所述散热基底40上，至少与一个所述区域相对应。所述散热基底40还可以采用非透明材料，如图4实施例的侧剖视图所示，该散热基底40为具有若干通孔的散热片，将各所述区域设置于所述通孔中，用被嵌套在通孔中的透明导热片47(例如导热玻璃)来承载所述受激材料46。还可以在该通孔中设置滤光膜或滤光片45，如图所示。所述散热片可以具有多个叶片以增加散热面积，因为现有技术，不在此赘述或另加图示。根据荧光粉

E_output＝E_input*η_oe*η_stock

其中，E_output为激发光的能量，E_input为入射光的能量，η_oe为量子效率(一般小于1)，η_stock为斯托克斯位移效率，也就是当光由一波长转换另一波长的转换效率；当中心波长为460纳米的蓝光转换成中心波长为530纳米时，η_stock＝460/530＝0.87。随着波长越长，转换效率越低，损失的光能都转化成热能。散热基底40或导热片47的导热率越好，越有利于提高受激材料46的光转换效率，同时避免荧光粉因热量积聚过高而烧掉。导热性能好的透明材料包括但不限于蓝宝石。

上述两种实施例的散热基底40均适用于透射型光路。当考虑到装置的体积而采用反射型设计时，可以在散热基底40上增加反射膜，来反射受激发光或未被受激材料吸收利用的激发光。

图3及图4示意的光波长转换轮组件均以盘状平面或总体呈平面为例，如图5所示，该组件亦可采用筒状曲面替代，将各所述区域41、42设置在呈筒状曲面的散热基底40上。同样，该滚筒状曲面可以采用透明或不透明材料。

图3～5中的轮轴43可以同时用作为支承该光波长转换轮组件4的部位。嵌套在该轮轴43上的齿轮44则用于转动控制以选择欲加以照射的区域。作为等同替换，本领域技术人员可以预见，若将所述齿轮44嵌套在所述散热基底40的边缘，所述轮轴43可以用其它固定支撑散热基底40的部件(例如但不限于螺栓及其固定座)来替换，但所述散热基底40的转动不可避免存在一个转轴，类似轮轴的空心存在；这些符合本发明思想，亦在本发明保护范围内。

当该组件4用于本发明灯光装置时，如图2所示，使所述散热基底40迎向激发光并被局部照射，照射范围将小于或等于任一所述区域的大小。本发明灯光装置还包括一控制单元(未示意于图中)，控制所述光波长转换轮组件运动直到所述散热基底上各区域中的一选定区域进入激发光的照射范围，以提供所述光源输出光为止。

在本最佳实施例中，考虑到提高现有荧光粉的萃取效率，本发明装置还包括一个第二聚焦透镜3，将照射所述散热基底40的较大面积的激发光近平行光聚焦到该散热基底所承载的较小面积的受激材料上，可以降低系统的光学扩展量。该第二聚焦透镜3可以是玻璃的球面或非球面镜片，也可以是塑胶的球面或非球面镜片。

考虑到受激发光的光强分布多为朗泊分布，发光角度一般为全角180度，可以在所述散热基底40及所述聚焦透镜7之间采用第二准直透镜5，其收光角度可以要求大于全角120度，用来将光源大角度输出光准直成近平行光后投射往聚焦透镜7。积分透镜组6，介于所述第二准直透镜5与所述聚焦透镜7之间，用来使光源输出光斑的亮度或颜色实现均匀化；其不足之处在于会加长光学系统的长度。这些具体措施均可借鉴或引用现有技术，不在此赘述。值得提的是，本发明装置除了运动装置外的其它组成部件均可用其它部件来替代。例如，导光装置除了前述的聚焦透镜7、第二准直透镜5等部件之外，还可以采用具有较大口径的光导纤维。若使用一个光收集组件来靠近所述散热基底40，以将出射光口径缩小的化，所述导光装置还可以采用较小口径的光导纤维。若不涉及对发光源的实时控制，激发光源还可以采用LED及激光等固态光源以外的其它传统单色光源如紫外光灯。

若不考虑在上述光波长转换轮组件4上设置面向所述导光装置的滤光片或滤光膜的话，本发明舞台灯光装置还可以包括一与所述区域大小相近的滤光片及承载该滤光片的轮片，用所述控制单元来控制该轮片运动，直到所述滤光片切入或切离所述散热基底40与所述导光装置之间的光路为止。

基于上述结构的灯光装置，本发明用来调节颜色的方法可以大致总结为尤其包括以下步骤：

设置所述运动装置的步骤，尤其是设置所述光波长转换轮组件4；

设置或启动控制单元的步骤，使所述散热基底随着该光波长转换轮组件的运动而将一选定区域切换入激发光的照射范围；

由激发光源与该选定区域或该选定区域所承载的受激材料共同选择产生并提供具有选定颜色的光源输出光的步骤。

具体示例如下：以采用蓝光LED阵列为激发光源、荧光粉为受激材料、所述区域在整个光路中具有透射性为例，当一个携带有黄色荧光粉的区域被控制选择进入光路时，光源输出光呈现白色，为蓝色激发光与黄色受激发光的混合色。当散热基底采用透明材料或各区域被嵌套在散热基底的通孔中时，本发明方法还可以进一步包括面向所述导光装置，在散热基底上或靠近该散热基底处设置滤光片或滤光膜的步骤；该滤光片或滤光膜用来选通具有预定波长范围或预定出射角度范围的光。例如，在所述散热基底与所述导光装置之间的光路中切入一个蓝光滤光片来滤除蓝光，若所述散热基底上进入光路的是携带有黄色荧光粉的区域，则光源输出光呈现黄色；若所述散热基底上进入光路的是携带有红色荧光粉的区域，则光源输出光呈现红色；若所述散热基底上进入光路的是携带有绿色荧光粉的区域，则光源输出光呈现绿色；等等。同样，用UV光LED及滤除UV光的滤光片也能配合不同荧光粉产生不同色光。当所述滤光片或滤光膜对光输出角度具有选通作用时，则可以改善光源输出光的发散角度，甚至可提供低发散角度的输出光，从而能酌情考虑是否使用第二准直透镜5。考虑到所述光波长转换轮上受激发光的光部分会射向激发光源，为有效将受激发光导出，还可以同时在散热基底40或导热片47上激发光的入射面涂覆或设置一具有光波长选择作用的滤光膜或滤光片，该滤光膜或滤光片反射受激发光及允许激发光通过，则将有效导出受激发光，进一步提高对受激发光的利用率而大大提高光源输出光的亮度。由于通常激发光的光波长小于受激发光，该滤光膜或滤光片可以采用光学低通滤波器，也即透过短波长的光，反射长波长的光。

本发明方法还可以进一步包括控制单元对激发光和运动装置进行同时控制的步骤。例如当所述控制单元控制光波长转换轮组件4运动的同时，控制切断激发光的供电源；等该光波长转换轮组件4静止时，再控制打开激发光供电源。这将产生颜色呈现跳跃性变化的受激发光。

为了使出射光颜色变化可轮换进行，本发明还可以根据人工设置或预先设定的颜色变化模式，采用适时或间歇启动所述控制单元的方法，来进行预定的区域选择或滤光片选择。所述控制单元可以包括步进电机，通过该步进电机带动齿轮组来驱动所述光波长转换轮组件运动。因此，可以利用现有数字电路技术来完成上述控制单元的间歇启动及控制。因其为现有技术，非本发明重点，不在此赘述。

本发明装置或方法中，除了依赖所述光波长转换轮组件4中各区域来改变光源出射光的颜色或色温外，还可以结合使用的措施包括借助不同的激发光源来调整光源出射光的色温。例如，上述各实施例中所述激发光源以单色光为例，若激发光源采用具有两种或两种以上发光波长的LED或LED阵列，例如蓝光LED阵列中混入少量红(R)光LED，配以黄光荧光粉，则将在光源的白光输出中增加些红光成分。或者考虑到光分布的均匀性，可以将所述红光LED另组成阵列，如图6所示，通过分光合光装置3′来将该红光成分合光入激发光光束。这些因非本发明重点，不再详述。