一种光学系统和灯具的制作方法

1.本发明涉及一种光学系统，特别是一种用于灯具可以形成彩色照明效果的光学系统,以及相关灯具。


背景技术：

2.随着人们生活质量的提高，对照明效果的欣赏水平也逐渐提高，在装饰灯领域往往需要一些彩色发光效果作为装饰和其他应用场合时使用。如桥梁、建筑外墙、幕墙等场景。彩虹，是气象中的一种光学现象，当太阳光照射到半空中的水滴，光线被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩的光谱(从外至内)：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。由于彩虹的美和它是个难得出现的自然现像，人们一直认为彩虹是一个美丽美好幸福的象征，因此可以形成彩虹光斑效果的照明灯具也深受大众的喜爱。
3.现在市场上的彩虹灯一般是通过rgbw多色光源拼接或者投影产生，其控制以及结构系统繁琐复杂，成本较高。也有采用白光光源结合普通三棱镜形成彩虹光斑的，但是其采用的是块状三棱锥，只能对光束进行分光无法形成弯曲细长的彩虹形式，且考虑到和光源的距离，以及条形光源本身的体积，造成灯具整体体积较大，从而无法适用于各种照明场景。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了至少解决上述问题之一，提供一种可形成彩虹光斑的小型化的光学系统，以及具有该光学系统的照明灯具。
5.本发明为实现上述功能，所采用的技术方案是提供一种光学系统，其特征在于，包括：
6.光源，所述光源为点光源；
7.准直光学元件；
8.第二菲涅尔透镜，所述第二菲涅尔透镜为柱形拉伸菲涅尔透镜，其入光面或出光面为连续排布的柱面阵列；
9.第三菲涅尔透镜，所述第三菲涅尔透镜为分光菲涅尔透镜，其入光面或出光面为连续排布的正三棱柱阵列，所述正三棱柱的轴线和所述第二菲涅尔透镜的柱面轴线相互垂直；
10.所述光源发出的光依次经过准直光学元件、第二菲涅尔透镜及第三菲涅尔透镜后出射形成彩虹光斑。
11.进一步地，所述准直光学元件为第一菲涅尔透镜。
12.进一步地，所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜平行设置。
13.进一步地，所述第二菲涅尔透镜的柱面为圆柱面,其圆弧的圆心位于靠近所述光源一侧。
14.进一步地，所述阵列排布的正三棱柱设置在所述第三菲涅尔透镜的入光面，所述
第二菲涅尔透镜和所述光源光轴垂直，所述第三菲涅尔透镜相对于第二菲涅尔透镜倾斜设置，倾斜角度为15～25
°
。
15.进一步地，所述倾斜角度为20
°
。
16.进一步地，所述第三菲涅尔透镜为厚度渐变的楔形板。
17.进一步地，所述第三菲涅尔透镜的厚度由靠近光源一侧向远离光源一侧逐渐增厚，厚度变化的角度0
°
≤α≤3
°
,随着角度的增大,彩虹光斑变短变粗。
18.进一步地，所述第三菲涅尔透镜的厚度由远离光源一侧向靠近光源一侧逐渐增厚，厚度变化的角度0
°
≤β≤8
°
,随着角度的增大,彩虹光斑变长变细。
19.进一步地，光学系统还包括反射罩，所述反射罩包括入光口和出光口以及连接所述出光口和入光口的反射壁，所述光源设置于所述反射罩的入光口一侧，所述第二菲涅尔透镜设置在所述反射罩的出光口外侧。
20.进一步地，所述反射罩的所述出光口口径小于所述入光口口径。
21.进一步地，所述反射罩呈半球形。
22.本技术还提供一种灯具，其特征在于：所述灯具包括上述任一所述的光学系统。
23.本发明提供的光学系统，通过准直透镜和拉伸透镜的组合可以由点光源形成弧形的光斑，再结合分光透镜形成的彩虹光斑出光效果好。同时采用多层菲涅尔透镜，使得整个光学系统更为轻薄、小巧。分光透镜厚度渐变的设计又可以很容易地实现长短、粗细不同的各种效果。
附图说明
24.图1是本发明光学系统一优选实施例的结构示意图；
25.图2是图1优选实施例的正面视图；
26.图3是图1优选实施例的侧面视图；
27.图4是图1优选实施例的光路图；
28.图5是本发明光学系统一优选实施例中第三菲涅尔透镜一变形设计的结构示意图；
29.图6是本发明光学系统一优选实施例中第三菲涅尔透镜另一变形设计的结构示意图；
30.图7是本发明光学系统另一优选实施例中的第二菲涅尔透镜。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于灯具的光学系统作进一步的详细说明。
32.数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面(如：透镜表面)，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。
33.本技术一优选实施例的光学系统如图1、图2、图3所示，包括光源1、反射罩2、第一菲涅尔透镜3、第二菲涅尔透镜4、第三菲涅尔透镜5。光源1为点光源，在本实施例中以led作为光源，所述led可指封装的led、未封装的led、表面贴装led、板上芯片led、包括某一类型
光学元件的led。当然本技术光源为点光源并不限定光源为单颗led，其也可以包括多颗相同或不同光色的led芯片，本技术对此不作限定。其中第一菲涅尔透镜3为准直菲涅尔透镜，其为截面为齿状的回旋体结构，从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成。第一菲涅尔透镜3的光轴和光源1的光轴重合。第一菲涅尔透镜3主要是将光源1发出的光转变为平行光束，从而使得整个光学系统的前半部分形成一个准直光源。用于准直的菲涅尔透镜可以按需要的准直角进行设计，具体设计方法本技术就不再赘述，在本实施例中准直角度达3
°
。在其他较佳实施例中也可以选用其他准直光学元件和光源1组合形成准直光源，如凸透镜或tir透镜等，本技术对此不作限定。
34.第二菲涅尔透镜5为柱形拉伸菲涅尔透镜，由半弧形条纹的拉伸体组成，其光学表面为连续排布的圆柱面阵列，其圆弧的圆心位于靠近光源1的一侧。第二菲涅尔透镜5的光学表面可以是如图7所示的入光面或如图2示出的出光面。在图2实施例中，光学表面设置在第二菲涅尔透镜5的出光面，因此在实际产品中可将第一菲涅尔透镜4和第二菲涅尔透镜5贴合起来，从而使得整个光学系统结构更为紧凑，体积更小。即使在不贴合的情况下，为了保证较好的光学效果，也需要将第一菲涅尔透镜4、第二菲涅尔透镜5平行设置，以使得他们的光轴可以垂直于同一平面。第二菲涅尔透镜5的作用是将第一菲涅尔透镜4生成的准直光斑拉伸成线，从而形成的线性光斑作为后续透镜的入射光。当然也可以直接采用线性光源，但是线性光源的光束长度和灯体长度有关，体积会明显大于采用点光源的本技术提出的光学系统。
35.第三菲涅尔透镜6为分光菲涅尔透镜，在本技术光学系统中起分光作用。其入光面或出光面为连续排布的正三棱柱阵列，即第三菲涅尔透镜6为连续的正三角形齿形截面拉伸形成。第三菲涅尔透镜6的拉伸方向和第二菲涅尔透镜5的拉伸方向相互垂直，即第三菲涅尔透镜6中正三棱柱的轴线和第二菲涅尔透镜5中的柱面轴线相互垂直，因此经第二菲涅尔透镜5出射的线形光束在三棱镜的入射工作面形成的光斑平行于正三棱柱的棱线。在本实施例中正三棱柱阵列设置在第三菲涅尔透镜6的入光面，即面向第二菲涅尔透镜5的一侧，由于三棱镜的色散特性，第三菲涅尔透镜6和第二菲涅尔透镜5不为平行设置，两者之间倾斜设置，形成如图4所示的夹角θ，θ的取值范围为15～25
°
。在本实施例中θ等于20
°
，经模拟此时出来的彩虹效果最佳，而不会产生白色的杂散光。至此，光源1发出的光依次经过第二菲涅尔透镜4的准直、第二菲涅尔透镜5的拉伸、第三菲涅尔透镜6的色散后出射形成完美的彩虹光斑。
36.在本实施例中第三菲涅尔透镜6为平板，而在其他较佳实施例中第三菲涅尔透镜6可以为厚度渐变的楔形板，并形成不同的彩虹光斑效果。图5为第三菲涅尔透镜6的一种变形设计，如图所示第三菲涅尔透镜6的厚度上部较厚下部较窄，由于第三菲涅尔透镜6是倾斜设置的，我们可以表述为由靠近光源一侧向远离光源一侧逐渐增厚，厚度变化的角度0
°
≤α≤3
°
,随着α角度的增大,所形成的彩虹光斑也会逐渐变短变粗。而在如图6所示的第三菲涅尔透镜6的另一种变形设计中，第三菲涅尔透镜6的呈下部较厚上部较窄的形态，即第三菲涅尔透镜6的厚度由远离光源一侧向靠近光源一侧逐渐增厚，厚度变化的角度0
°
≤β≤8
°
,随着角度β的增大,彩虹光斑变长变细。
37.在本技术较佳实施例中，
38.在图1所示的本技术的较佳实施例中还包括有反射罩2，在其他较佳实施例中反射
罩2不是必须的，本实施例中的反射罩2是为了提高光源利用率。反射罩2包括入光口和出光口以及连接所述出光口和入光口的反射壁，本实施例中的反射罩2采用特别设计，其整体接近一个倒扣的碗，为截去顶部的半球体，出光口口径小于入光口口径。光源1设置于反射罩2的入光口一侧，反射罩2的出光口面向第一菲涅尔透镜4，而后为第二菲涅尔透镜5、第三菲涅尔透镜6。这种特别的亮度增强反射罩和菲涅尔透镜的结合，光源利用率达到普通菲涅尔透镜的两倍以上，具体可以为2.2倍。在本技术的另一较佳实施例中，也可以采用常规的反射器结构，而在反射器入光口一侧设置覆盖光源1的tir透镜实现对光源1的准直处理，此时，就不需要第一菲涅尔透镜4，反射罩2的出光口外侧为第二菲涅尔透镜5。
39.本技术光学系统可用于灯具，将如上实施例中的光学系统配以合适的外壳以及驱动电源即可制成专门用于彩色照明效果的彩虹光斑灯具，应用在室内、建筑外墙、桥梁、幕墙等场景，彩虹的长宽可以通过改变第三菲涅尔透镜6的结构来进行调节。在另一些较佳实施例中，可以将本技术所述光学系统加入到传统的照明灯具中，如吸顶灯、壁灯，作为辅助照明，形成主照明以外的特殊照明效果。
40.上文对本发明优选实施例的描述是为了说明和描述，并非想要把本发明穷尽或局限于所公开的具体形式，显然，可能做出许多修改和变化，这些修改和变化可能对于本领域技术人员来说是显然的，应当包括在由所附权利要求书定义的本发明的范围之内。