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[技术文章] 浅谈在电脑灯具的光学系统结构设计中应注意的事项

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 楼主| 发表于 2010-11-28 21:33:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
目前,国际上的灯光行业已将灯具的光色效果和光学质量参数作为产品验收和评价的重要内容之一。光色的应用,也是舞台灯光设计师特别重视的项目,要求舞台灯具产品的光色效果在现代化的演示场所中,能更好地发挥其空间感、层次感、距离感、立体三维感、光的波动感、较理想的光通量和成像清晰的投影画面等效果,这就对灯光设备提出了新的要求。国内的灯光行业,就舞台电脑灯具而言,同国外先进成熟的名牌产品相比还有一定的差距,其光效、功能、质量的可靠性不够稳定,特别是光学质量方面,还不能达到理想的效果,以至于目前的国内重要演示场所大部分还是选用国外产品,以确保演出质量。总之,提高国内灯具产品的光学质量水平,研究光学系统的结构,仍然是目前在产品设计开发中的主要课题之一。为此我们根据国外目前较为成熟的先进电脑灯具产品,就光学系统结构的特性和应注意的事项作一些介绍,仅供使用者和制造厂家参考:    一. 舞台电脑灯具的分类7 W4 o- F  N1 `9 }  Q3 I3 d% K& z  R
    1. 灯具按光学系统的结构模式可分为:/ ?& \" @* l( x% ?) W. g
    a. 球面反光镜聚光模式
0 V7 N  _4 \% H4 E) k( o    球面反光镜聚光模式的特点:是采用球面反光镜与镀增透膜石英非球面镜结合而形成的聚光模式,且光源和非球面镜靠近的设置,既消除或减少了球差,又扩大对光源的包容角,提高投影成像的清晰度,获得高效的聚光效果。
! l+ n( m! I+ y6 _    b. 椭球面反光镜聚光模式9 O9 M2 e! C/ I' [, ]: H. ^+ h
    椭球面反光镜聚光模式的特点:是采用椭球面反光镜与光学透镜构成的聚光模式,可使光源的光线对弧面的入射角变小,减少了反射光能的损失,提高了光通量的利用率,产生亮丽光束聚光效果。目前电脑换色灯采用了椭球面反光镜与菲涅耳-螺纹透镜构成的新型聚光模式,更能体现出其特点,产生聚而柔的光束效果。/ C; X( \0 }, {: O
    2. 灯具按投影效果可分为
& D! ]+ Z1 J7 V+ }    a. 硬光斑灯具- \6 d! W, N" y3 C/ w# J( G
    硬光斑灯具中的光学系统结构,通常采用的是球面反光镜与镀增透膜石英非球面镜结合而形成的聚光模式或椭球面反光镜与光学透镜构成的聚光模式。具有图案清晰、边缘有明显、清晰的分界线、光束锐丽的特点。一般有如下功能:1 ]" P/ `7 V: s! L- f
    静态图案效果;5 H# }$ R( r4 D8 g# Z$ G# {2 `
    动态图案效果;
# N: Z- C  `" Z1 b* T. Z& d    图案叠加效果;
/ K. ?5 U" c+ w! _9 J& K' L    图案增色效果;
5 |  u0 e$ T7 y7 P/ _: r0 `  y    图案三维动感效果;
& b- f& D2 {0 s9 J. p0 S' S; h- [    色温校正;
0 u! I2 Y/ W. k& i    图案分角动感效果;8 X, i: s' G: Z% Y/ X4 ?* C
    光束角变化效果;. t  d, r/ z) A: ]0 w
    渐进线性CYM 三元色混色效果;; Q% s5 E6 A! B2 C" [
    线性调焦;
1 J, x% l( F/ m$ T    频闪效果;8 c5 w) Z. d# l4 U  m8 S# c
    图案明暗变化效果。
& t/ ?. M% w6 d( R    b. 软光斑灯具
' ~2 y5 u+ F  Y. @: }    软光斑灯具中的光学系统结构:经常采用的是椭球面反光镜与菲涅耳透镜-螺纹透镜构成的新型聚光模式。具有光色柔和、均匀、色彩丰富,边缘无明显的分界线的特点,一般有如下功能:
8 S8 O" d; X7 n7 g    颜色变化效果;
9 }. ?2 H) |) F+ r) ?    彩虹流动效果;' Q6 o: w" `$ B+ }
    色温校正;0 h' l$ b1 S% P4 J/ z
    柔光效果;
9 q5 j, S; p4 u% M; ^    渐进线性CYM 三元色混色效果;
; ?) N% |0 C9 o: d    波纹效果;' v& @% a7 u1 [( }! \) ~
    光束角变化效果;
% T8 V+ e/ k5 ^* w0 ]    频闪效果;2 }8 ~$ q7 \8 H( N; n
    渐进线性调光效果。
, V( l( O& m8 U# U0 A- s: c7 ^) E* v
发表于 2010-11-28 21:34:14 | 显示全部楼层
二. 结构设计
0 m. R, y' C4 Z+ |* {- |
5 k) I$ K. H0 H* Z    灯具的光学系统是由光束聚焦成像区和光源区两大区域组成。光束聚焦成像区是各种效果盘、光阑、和光学镜片等结构的结合,形成光束聚焦成像;光源区是由反光镜和灯泡组成,形成光源束焦点。由于灯具要求投影的光斑必须具有光色柔和、均匀、符合演示场所需要的光通量,成像灯具还应图案清晰、其边缘有明显的分界线,无虚光现象等要求,因此在灯具光学系统的结构设计中应注意以下几点:  m) `+ }$ U  X1 r: l4 C& y
    1. 中心光轴、光阑和像差
: E1 T8 b6 F; m7 g    中心光轴、光阑和像差是直接影响到灯具的光效损失和投影清晰程度的主要原因。灯具内部的光学系统是光束聚焦成像和光源区两大区域组成的,能否为同心轴线,形成理想的同心光束,是直接影响到灯具光效的关键所在。由于现代的电脑灯具均往多功能发展,系统中的光束聚焦成像区域内设置了如固定图案盘、旋转图案盘、旋转棱镜、色片盘、色温校正盘、渐进线性CYM 三元色色片、光学透镜、玻璃图案效果盘、线性调焦镜等到多种效果盘,要确保每个效果盘孔径的中心在组合时都能同心轴线,且每个效果盘的端面与轴线垂直,并非容易。虽然在设计过程中从理论讲都能保证,但由于在零部件的制造加工过程中,出现的加工精度误差和装配基准偏离等现象,会影响到灯具的光效损失和投影清晰程度。因此,我们在设计灯具的光学系统机构时,事先将各种可能出现的综合性因素要进行全面地分析和考虑,确保零部件的制造精度和装配基准的设计合理。达到整个光学系统的中心光轴能同一轴线,使光通孔径和一定的视场角或发光点尽可能地靠近光轴,形成同心光束的理想效果。影响的灯具的光效损失和投影清晰程度的另一个原因,就是对光束起限制作用的各个效果盘的孔径、特别设置的带孔屏障和透镜的边缘,即光阑。由于起着对限制光束孔径和视场的作用,是直接影响到灯具投影光斑中的像差、像的亮暗、景深和分辨率。因此,在设计光阑孔径的大小和光阑在光学系统中的焦点距离位置时,既要考虑它在进入光学系统中光通量的多少、像差的大小以及满足像在空间的深度(景深)等作用;也要考虑能对限制成像范围特别起作用的最佳空间视场角等因素,形成投影光斑的理想效果。在实际的灯具光学系统中总有一定的光通孔径和一定的视场角或发光点不靠近光轴,另一方面由于光束多是由不同波长的光组成,系统的折射率不为常数,所以,实际光学系统的成像与近轴光学所得的结果不同,产生的偏离,即像差。而像差,是由实际光学系统的物理条件造成的,我们在设计过程中只需重点地将某些像差消除到一定的程度,只要达到减少像差以提高成像的清晰度就行。要完全消除是不可能,也没有必要。% C0 }2 ^5 c! O( x; T" Q9 v7 C
    2. 机械传动结构
2 q' M5 N1 @" g7 L3 n" _    电脑灯具内部的各种效果盘,如旋转图案盘、旋转棱镜、渐进线性CYM 三元色色片、线性调焦镜等机构,由于灯具内部空间小、结构紧凑,不能完全都直接装配在步进电机轴上,部分需要设计成传动结构来达到效果。目前灯具经常使用的传动结构方式有:齿轮传动、带轮传动和螺杆拖动等方式。采用齿轮传动结构时,要考虑到可能会出现抖动、卡碰、噪音等现象。要消除这些因素,应选用高精度的齿轮和轴承,采用耐高温润滑油及合理的间隙配合确保装配精度,主从齿轮采用不同的材料,橡胶塑料齿轮和金属齿轮组成的传动机构能有效地减低传动噪音,必要时在步进电机与固定面板装配固定之间增加缓冲垫圈,以减少震动和噪音现象,需要时增加阻尼器,会减少冲击惯性,提高控制定位的准确性。采用带轮传动时,由于灯具的光源辐射、内部温度及运动速度问题,会使皮带产生熔断、老化、延伸、疲劳断裂等现象,因此应选用其具有耐高温、防辐射、抗疲劳的皮带材料,必要时皮带要做可靠性试验,过长的带轮传动机构,可设计带有自动调节、弹性适度的过渡张紧轮和步进电机与固定面板装配固定之间增加调节弹簧,以减少皮带的延伸、断裂等现象,确保其能准确的定位。无论是采用齿轮传动、带轮传动和螺杆拖动等结构形式,都要做到传动结构的零件制造加工精度和装配基准精度的设计合理、定位准确,达到光学系统的光轴中心能同一轴线的目的。& w6 {# e4 x0 ]8 H" `
    3. 灯泡微调结构  . ^- `9 p2 q' t+ r
    由于为了方便使用者在使用灯具时,能根据演示场所的需要,调出最佳的光色效果,灯具一般都设置了灯泡微调结构,灯泡的调节螺杆应有自锁限位,微调量一般不宜超过2mm,以防止由于调节而产生脱落、松动、超出光效调节范围和不安全现象。值得提出的是;灯泡微调结构,一定要确保使用者在对灯具更换灯泡时,能准确地定位在规定的位置。
- X* C: U/ q8 I- \- K. y# }( I% U- O8 z

. ?/ a7 B. K1 @  B- g& b1 W6 Q/ W
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 楼主| 发表于 2010-11-28 21:34:59 | 显示全部楼层
4. 光学系统散热  x' j# q4 D; p, z+ P0 B
    由于灯具采用的灯泡功率大,光源亮点又被反光镜包容,加上光束区域内的各种效果镜片和光源区周边的金属装配固定面板,会出现光的热能反射现象,直接反射到光源区域内的反光镜和灯泡,加上光源的高热辐射,都会使内部的光学元件超过极限温度,引起光学系统中如光学透镜、色片、玻璃图案片、玻璃反光镜等材料,产生变色、脱膜、爆裂及灯泡的损坏和质量问题。因此,灯具的散热系统结构设计的合理性,是降低内部系统温度的保证。制造厂家在设计结构时,应考虑到光的热能反射和高热辐射因素,可将光源区周边的金属装配固定面板进行耐高温黑色无光喷涂或表面镀黑化学处理,使其能吸收光的热能,减少光的热能反射现象。若采用玻璃反光镜时,应选择透红外、热能向周边扩散的反光镜。安装和固定玻璃反光镜时,不宜过紧,以防止由于温度过高,热膨胀使反光镜爆裂。若光束聚焦区的温度过高,玻璃图案片、色片和透镜超过极限温度时,应采用具有耐高温、镀增透膜的玻璃隔热片进行隔挡,但也要考虑到隔热片的热能反射因素,制造厂家可将隔热片的平面与玻璃反光镜的端面形成一定的角度,使其热能向上折射,以减少光的热能反射现象。必要时可将光源区域进行屏蔽,阻挡最高热源对光学元件的影响,设计导风结构,形成良好的风路循环,使灯具被加热的空气直线而又通畅地向外排出。灯具的散热,通常采用的是进风式散热、抽风式散热、进抽风式散热和自然散热等方式。选择何种散热方式,必须根据灯具内部的各区域,如光束聚焦成像区、光源区、信号控制区和电器元件区等环境温度分布状况而确定;也要考虑到光学元件如光学透镜、色片、玻璃图案片、玻璃反光镜材料的耐温性和灯具的表面积等因素,通过测量其温度而确定散热方式。
8 ]/ ?3 `% `& L) H
& ~) K9 B. Q9 @    三. 光学质量参数
9 R0 Y  Z+ {0 Y! ?/ T
; c; Q$ @: ^. j: J    灯具产品说明书中的光学质量参数,是提供给使用者的一项重要数据内容。光学质量参数的内容包括:光斑角度、光通量、色温及射距、光斑直径与中心照度的关系图。制造厂家在提供给使用者的光学质量参数,要尽可能准确,不能片面夸大。灯具产品说明书中提供的光学质量参数要与使用者实际测量的数据相符合,光通量和照度的参数准确率要达到85%以上,还有15%可能是由于其他的客观因素造成的偏差。由于现在的国际灯光行业、商家和使用者在对灯具进行实际测量验收中,已将光色效果和光学质量参数作为产品验收项目和评价的重要内容之一。文化部就灯具行业产品的光学质量问题,于1999 年发布了WH/T0203-1999《舞台灯具光学质量的测试与评价》文化行业标准。就是给灯具制造厂家在检验产品的光学质量时,提供了规范和限定。提供上述的内容,其目的就是针对产品的光学质量,提出了应予重视的问题。本意在抛砖引玉,以期达到共同促进和提高国内灯具产品的光学质量水平,适应和满足现代化的演示场所需要,提高国际的竞争能力。
: F' a5 t, Q& @7 O2 Z
, P- _- P2 t: e- f1 j* U/ s: t
 楼主| 发表于 2010-11-28 21:36:24 | 显示全部楼层
4. 光学系统散热
, J5 g) ^4 I) N' n    由于灯具采用的灯泡功率大,光源亮点又被反光镜包容,加上光束区域内的各种效果镜片和光源区周边的金属装配固定面板,会出现光的热能反射现象,直接反射到光源区域内的反光镜和灯泡,加上光源的高热辐射,都会使内部的光学元件超过极限温度,引起光学系统中如光学透镜、色片、玻璃图案片、玻璃反光镜等材料,产生变色、脱膜、爆裂及灯泡的损坏和质量问题。因此,灯具的散热系统结构设计的合理性,是降低内部系统温度的保证。制造厂家在设计结构时,应考虑到光的热能反射和高热辐射因素,可将光源区周边的金属装配固定面板进行耐高温黑色无光喷涂或表面镀黑化学处理,使其能吸收光的热能,减少光的热能反射现象。若采用玻璃反光镜时,应选择透红外、热能向周边扩散的反光镜。安装和固定玻璃反光镜时,不宜过紧,以防止由于温度过高,热膨胀使反光镜爆裂。若光束聚焦区的温度过高,玻璃图案片、色片和透镜超过极限温度时,应采用具有耐高温、镀增透膜的玻璃隔热片进行隔挡,但也要考虑到隔热片的热能反射因素,制造厂家可将隔热片的平面与玻璃反光镜的端面形成一定的角度,使其热能向上折射,以减少光的热能反射现象。必要时可将光源区域进行屏蔽,阻挡最高热源对光学元件的影响,设计导风结构,形成良好的风路循环,使灯具被加热的空气直线而又通畅地向外排出。灯具的散热,通常采用的是进风式散热、抽风式散热、进抽风式散热和自然散热等方式。选择何种散热方式,必须根据灯具内部的各区域,如光束聚焦成像区、光源区、信号控制区和电器元件区等环境温度分布状况而确定;也要考虑到光学元件如光学透镜、色片、玻璃图案片、玻璃反光镜材料的耐温性和灯具的表面积等因素,通过测量其温度而确定散热方式。
' {% x% }2 `5 \9 f% G+ v2 G6 Z, e8 n  d6 o( ~) U
    三. 光学质量参数
" U) Y' {: x5 J% e1 D0 @/ d7 U$ o# p3 u  P6 ~
    灯具产品说明书中的光学质量参数,是提供给使用者的一项重要数据内容。光学质量参数的内容包括:光斑角度、光通量、色温及射距、光斑直径与中心照度的关系图。制造厂家在提供给使用者的光学质量参数,要尽可能准确,不能片面夸大。灯具产品说明书中提供的光学质量参数要与使用者实际测量的数据相符合,光通量和照度的参数准确率要达到85%以上,还有15%可能是由于其他的客观因素造成的偏差。由于现在的国际灯光行业、商家和使用者在对灯具进行实际测量验收中,已将光色效果和光学质量参数作为产品验收项目和评价的重要内容之一。文化部就灯具行业产品的光学质量问题,于1999 年发布了WH/T0203-1999《舞台灯具光学质量的测试与评价》文化行业标准。就是给灯具制造厂家在检验产品的光学质量时,提供了规范和限定。提供上述的内容,其目的就是针对产品的光学质量,提出了应予重视的问题。本意在抛砖引玉,以期达到共同促进和提高国内灯具产品的光学质量水平,适应和满足现代化的演示场所需要,提高国际的竞争能力。% \/ ]" c4 ^$ w9 f; H. M; J
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