多模式组合调光的光学系统和调节光学系统照度的方法与流程

1.本发明涉及一种光学系统，并且更具体地，涉及一种大功率、多模式组合调光的光学系统，可用于大功率照明灯具设计或在试验室进行光学环境模拟。另外，本发明还涉及一种调节光学系统照度的方法。

背景技术：

2.在试验室、户外照明、飞机外部照明等领域，对大功率照明灯具的需求较为广泛。目前的led、hid(高压气体放电光源)等光源技术也逐渐实现了大功率产品的商业化，led模块功率约为几十瓦，hid光源功率约为十几千瓦。但是由于散热、体积的限制，大功率灯具产品的实现仍然较为困难。例如，太阳模拟器所需的大功率产品需实现150000lx中心照度的超高亮度，用led光源难以实现，只能采用hid(高压气体放电光源)。
3.在大功率光源中，hid相对更为成熟、光谱特性较好，led的散热需求过大、光谱也较为单一。目前主流的大功率灯具仍然采用hid光源为主。
4.led光源的调光(亮暗)是连续可变调光，但传统hid调光采用驱动调光方式，调光范围仅约60％-100％。因此，实现超高亮度光源与实现深度调光(40％以下)即为一对技术矛盾点。
5.因此，迫切需要提供一种改进的光学系统，该光学系统能够克服现有技术中存在的一个或多个缺点。

技术实现要素：

6.本发明旨在提出一种大功率的、多模式组合调光的均匀光学系统，以实现大功率照明灯具的成熟化、批产化，相关技术也能够应用于着陆灯、航行灯等大功率飞机照明光源设计或多种照明试验光学环境模拟。
7.根据本发明的一个方面，提出了一种多模式组合调光的光学系统，该光学系统可以包括：
8.光源；
9.聚光镜，聚光镜可以围绕光源的至少一部分设置，以会聚光源发出的光线并将经会聚的光线朝向预定方向输出；
10.透镜组合，透镜组合可以设置在经会聚的光线的光路上，并使经会聚的光线平行化且均匀化；以及
11.机械调光结构，机械调光结构可以附连到光源，用于改变光源相对于聚光镜的位置。
12.这样，通过调节光源相对于聚光镜的位置能够根据使用需求动态调整光学系统的出光强度，并且可以与光源自身的调光方式组合进行调光，显著增大光学系统的整体调光范围。
13.根据本发明的上述方面，较佳地，透镜组合可以包括：
14.第一透镜，第一透镜使经会聚的光束的出射角发散；
15.第二透镜，第二透镜布置在第一透镜下游，并且包括复眼式透镜阵列，用于使光束均匀化，并且与第一透镜配合使所述光束平行化。
16.这样，经聚光镜会聚的光束能够以均匀化且平行化的光束输出。
17.根据本发明的上述方面，较佳地，第二透镜可以包括多个单独的分立透镜，分立透镜是六边形结构，并且分立透镜彼此抵靠，以形成蜂窝状布置的复眼式透镜阵列。多个分立透镜能够将来自第一透镜的光束打散，以实现光束/光线的均匀化。
18.根据本发明的上述方面，较佳地，机械调光结构可以包括：
19.驱动马达；
20.移动支架，移动支架承载光源；以及
21.固定移动轨道，固定移动轨道承载移动支架，使得移动支架被驱动马达驱动沿着固定移动轨道移动。
22.通过马达来控制移动支架沿着固定移动轨道移动，从而带动光源移动，进而实现光源与聚光镜之间的距离变化，能够根据使用需求方便、可靠地动态调整光学系统的出光强度，并且可以实现自动化。
23.根据本发明的上述方面，较佳地，机械调光结构能够通过改变光源相对于聚光镜的位置，使得光学系统的实际输出(例如，实际照度)在光源的实际输出(例如实际照度)的50％-100％的范围内变化。这样，在光源自身的调光方式的基础上进一步扩大光学系统的整体调光范围，例如使得光源的实际输出在光源的额定输出的30％-100％的范围内变化。
24.根据本发明的上述方面，较佳地，多模式组合调光的光学系统还可以包括设置在第二透镜下游的出光光阑，出光光阑控制出光口径或出光面积。该出光光阑能够通过改变出光口径或出光面积，进一步扩大光学系统的整体调光范围。
25.根据本发明的上述方面，较佳地，多模式组合调光的光学系统还可以包括散热系统，散热系统包括布置在聚光镜上游的第一散热轴流风机和布置在第一散热轴流风机与聚光镜之间的导风管。通过该散热系统，将热源附近的热量通过轴流风机引导排出，以实现光学系统的长时间、大功率工作。
26.根据本发明的上述方面，较佳地，光源可以包括高压气体放电光源。例如，该高压气体放电光源可以是金卤灯，并可以进行驱动调光，使得其实际输出在其额定输出的60％-100％的范围内变化，从而在满足大功率光通量输出的同时，扩大光学系统的整体调光范围。
27.根据本发明的另一方面，提出了一种调节根据以上方面所述的光学系统的照度的方法，该方法可以包括以下步骤：
28.借助高压气体放电光源的驱动调光，使光源的实际输出在光源的额定输出的60％-100％的范围内变化，以获得第一级调光光束；
29.借助机械调光结构，使第一级调光光束的实际输出在光源的额定输出的30％-100％的范围内变化。
30.由此，通过本发明的光学系统能够满足使用要求，克服了现有技术的缺点并且实现了预定的目的。
附图说明
31.为了进一步清楚地描述根据本发明的光学系统，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，在附图中：
32.图1是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统的光学结构的示意图；
33.图2是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统的第二透镜的示意图；
34.图3是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统的机械调光结构的示意图；
35.图4是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统的示意性立体图；以及
36.图5是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统的散热系统的示意图。
37.上述附图仅仅是示意性的，未严格按照比例绘制。
38.图中的附图标记在附图和实施例中的列表：
39.100-多模式组合调光的光学系统，包括：
40.10-光源；
41.20-聚光镜；
42.30-透镜组合，包括：
43.31-第一透镜；
44.32-第二透镜；
45.32a-分立透镜；
46.40-机械调光结构，包括：
47.41-驱动马达；
48.42-移动支架；
49.43-固定移动轨道；
50.50-出光光阑；
51.60-散热系统，包括：
52.61-第一散热轴流风机；
53.62-导风管。
具体实施方式
54.应当理解，除非明确地指出相反，否则本发明可以采用各种替代的取向和步骤顺序。还应当理解，附图中所示及说明书中的具体装置仅是本文公开和限定的发明构思的示例性实施例。因而，除非另有明确的声明，否则所公开的各种实施例涉及的具体取向、方向或其它物理特征不应被视为限制。
55.图1是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统100的光学结构的示意图。
56.如图所示并且作为非限制性实施例，多模式组合调光的光学系统100(下文也可简
称为光学系统100)可以包括光源10、聚光镜20、透镜组合30和机械调光结构40。
57.光源10可以设置在聚光镜20内部，该光源10例如可以是大功率光源，用于满足提供大负荷的光通量输出。例如，该光源10可以是高压气体放电光源(hid)，该大功率光源10能够实现150000lx的中心照度(光照强度，勒克斯lx或lux)的超高亮度，以便可以用作太阳模拟器的光源。替代地，该光源10也可以是大功率led光源。传统hid调光采用驱动调光方式，调光范围约60％-100％。作为非限制性示例，该光源10可以是金卤灯。
58.继续参照图1，聚光镜20可以围绕光源10的至少一部分设置，该聚光镜可以是附图中示出的椭球轴锥聚光镜的形式，并且在多个方向(例如附图中示出的五个方向上)上围绕光源10。这种布置能够会聚光源10发出的光线并将经会聚的光线朝向预定方向输出，例如未被椭球轴锥聚光镜围绕的方向，即，图1中示出的朝向右方射出。
59.如图1所示，透镜组合30可以包括顺序布置在经聚光镜20会聚的光线的光路上的第一透镜31和第二透镜32。例如，第一透镜31可以使经会聚的光束的出射角发散；而第二透镜32可以使光线会聚，使得穿过第一透镜31和第二透镜32的光束是大致平行的光束，即，使光束平行化。当然，替代地，也可以是第一透镜31可以使经会聚的光束的出射角继续会聚；而第二透镜32可以使光线发散，只要使得穿过第一透镜31和第二透镜32的光束是大致平行的光束即可。
60.图2是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统100的第二透镜32的示意图。
61.如图所示并且作为非限制性实施例，第二透镜32可以包括多个单独的分立透镜32a，每个分立透镜32a可以是六边形结构，并且相邻的分立透镜32a彼此抵靠，以形成蜂窝状布置的复眼式透镜阵列，这种布置可以将通过每个分立透镜32a的光线改变方向，从而形成亮度比较均匀的光束，即，使光束均匀化。例如，每个分立透镜发出的光与至少一个相邻的分立透镜的光交织在一起，以使光束均匀化。
62.在附图示出的实施例中，第一透镜31可以是轴锥透镜，而第二透镜32中的每个分立透镜32a可以是凹透镜或凸透镜，只要第一透镜31和第二透镜32所形成的透镜组合30能够使经聚光镜20会聚的光线形成平行的且均匀化的光束即可。因此，本领域技术人员可以调整第一透镜31和第二透镜32的位置、曲率以及布置顺序，并且可以包括附加的透镜，以实现期望的效果。
63.较佳地，第一透镜31和第二透镜32相对于光源10或聚光镜20的位置也是可调节的，例如手动或者自动调节。
64.机械调光结构40可以附连到光源10，用于改变光源10相对于聚光镜20的位置。
65.图3是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统100的机械调光结构40的示意图。
66.如图所示并且作为非限制性实施例，机械调光结构40可以包括驱动马达41、移动支架42和固定移动轨道43。
67.例如，驱动马达41可以是驱动电机，诸如步进电机之类，以实现尽可能精细的调节范围，例如接近位置连续可变的调节。
68.移动支架42可以用于承载光源10并且可以被驱动马达41驱动，例如，该移动支架42可以是附图中示出的大致u性的结构，并且在中间承载光源10。
69.固定移动轨道43可以承载移动支架42，并且可以包括平行设置的两个导轨，例如，承载移动支架42的大致u形结构的两个分支部配合到固定移动轨道43的两个导轨，使得移动支架42被驱动马达41驱动沿着固定移动轨道43移动。
70.通过这种结构，驱动马达41可以驱动光源10往复运动，即、改变光源10相对于聚光镜20的位置(也即改变光源10相对于聚光镜20的焦点的位置)，使得多模式组合调光的光学系统100的实际输出(例如实际照度)在光源10的实际输出(例如实际照度)的60％-100％的范围内变化。
71.返回参照图1，多模式组合调光的光学系统100还可以包括设置在第二透镜32下游的出光光阑50，出光光阑50可以用于控制出光口径或出光面积。
72.图4是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统100的示意性立体图。
73.如图1和4所示，大功率光源10发出的光经由聚光镜20(例如，椭球轴锥聚光镜)反射后经过调光格栅60调光后会聚照射到第一透镜31(例如轴锥透镜)上，调整光线出射角度后再经过第二透镜32(例如复眼透镜阵列)匀化后通过出光光阑50面出射，即大功率光源10成像于出光光阑50上。若把出光光阑50看作是点光源的集合构成的面光源，则照明面是所有点光源的照明效果的叠加，可以获得非常均匀的照明效果。
74.作为非限制性实施例，在该多模式组合调光的光学系统100中，以机械调光方式作为驱动调光方式的补充，用机械调光实现30％-70％范围内的调光，使得全套系统的调光范围达到30％-100％，调光范围扩大近1倍。例如，机械调光与驱动调光可以为相乘关系，即无论驱动调光处在何状态，利用机械调光均可使此时的光输出调节至其50％左右。换言之，假设当前光源输出为100％，采用机械调光可实现50％-100％输出。但假设当前光源输出为60％，采用机械调光至其50％，则对于整个光学系统100而言，可实现60％
×
50％＝30％的输出，即实现当前光源输出(照度)的30％。
75.由此，在应用中，可以首先在光源输出的60％-100％阶段采用驱动调光，如需再向下调节，可以将光源输出固定在其输出的60％处，再采用机械调光方式，例如借助机械调光结构40，实现输出在其30％-60％范围内调光。由此，能够实现对于整个多模式组合调光的光学系统100的30％-100％范围内的调光，即，使得实际输出的光束的强度(照度)在光源10的额定输出的光束强度(照度)的30％-100％的范围内变化。
76.在一种实施例中，实现了从100％-30％光输出条件，实测照度如下表所示：
[0077][0078]
光学系统100输出的实测照度(输出)示例表
[0079]
作为较佳实施例，多模式组合调光的光学系统100还可以包括散热系统60。图5是根据本发明的非限制性实施例的多模式组合调光的光学系统100的散热系统60的示意图。
[0080]
如图所示，散热系统60可以包括布置在聚光镜20上游的第一散热轴流风机61和布置在第一散热轴流风机61与聚光镜20之间的导风管62。轴流风机可以是本领域已知的任何用于散热的风机类型，因此本文不再详细描述。
[0081]
根据散热需求，该多模式组合调光的光学系统100的内部可以以椭球面聚光镜为界分为两个腔体，即前腔体与后腔体，第一散热轴流风机61(例如，后散热轴流风机)驱动空气从导风管62的进气口输入，经过热源表面后由第二散热轴流风机73(例如，前散热轴流风机)引导排除，带走热量。
[0082]
如上所述并且作为非限制性实施例，一种调节多模式组合调光的光学系统100的照度的方法可以包括以下步骤：
[0083]
首先，可以借助高压气体放电光源的驱动调光，使光源10的实际输出在光源10的额定输出的60％-100％的范围内变化，以获得第一级调光光束；然后，在驱动调光的基础上，借助机械调光结构40，使第一级调光光束的实际输出在光源10的额定输出的30％-70％的范围内变化。
[0084]
较佳地，优先使用高压气体放电光源的驱动调光(例如，通过调节供应到光源10的电流的大小)，以尽可能获得连续可变地、且稳定变化的调光范围。如果在驱动调光后，仍然达不到期望的输出光束的照度，可以借助驱动调光将光源10的输出保持在最低，然后借助机械调光结构40进一步减少光源10输出的光束的照度。这样，能够组合实现至少在光源10的额定输出的30％-70％的范围内变化的调节幅度。
[0085]
当然，以上调节步骤是示意性的，本领域技术人员可以根据需要进行调整，例如首
先进行机械调光，然后进行驱动调光，或者二者交替进行，而不脱离本发明的范围。
[0086]
如本文所用的表示方位或取向的术语“上游”、“下游”以及用于表示顺序的用语“第一”、“第二”等仅仅是为了使本领域普通技术人员更好地理解以较佳实施例形式示出的本发明的构思，而非用于限制本发明。除非另有说明，否则所有顺序、方位或取向仅用于区分一个元件/部件/结构与另一个元件/部件/结构的目的，并且除非另有说明，否则不表示任何特定顺序、操作顺序、方向或取向。例如，在替代实施例中，“第一透镜”可以是“第二透镜”。
[0087]
综上所述，根据本发明的实施例的多模式组合调光的光学系统100克服了现有技术中的缺点，实现了预期的发明目的。
[0088]
虽然以上结合了较佳实施例对本发明的多模式组合调光的光学系统进行了说明，但是本技术领域的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行各种修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

技术特征：

1.一种多模式组合调光的光学系统(100)，所述多模式组合调光的光学系统包括：光源(10)；聚光镜(20)，所述聚光镜围绕所述光源(10)的至少一部分设置，以会聚所述光源(10)发出的光线并将经会聚的光线朝向预定方向输出；透镜组合(30)，所述透镜组合设置在所述经会聚的光线的光路上，并使所述经会聚的光线平行化且均匀化；以及机械调光结构(40)，所述机械调光结构附连到所述光源(10)，用于改变所述光源(10)相对于所述聚光镜(20)的位置。2.根据权利要求1所述的多模式组合调光的光学系统(100)，其特征在于，所述透镜组合(30)包括：第一透镜(31)，所述第一透镜使所述经会聚的光束的出射角发散；第二透镜(32)，所述第二透镜布置在所述第一透镜(31)下游，并且包括复眼式透镜阵列，用于使光束均匀化，并且与所述第一透镜(31)协配以使所述光束平行化。3.根据权利要求2所述的多模式组合调光的光学系统(100)，其特征在于，所述第二透镜(32)包括多个单独的分立透镜(32a)，所述分立透镜(32a)是六边形结构，并且所述分立透镜(32a)彼此抵靠，以形成蜂窝状布置的复眼式透镜阵列。4.根据权利要求2所述的多模式组合调光的光学系统(100)，其特征在于，所述机械调光结构(40)包括：驱动马达(41)；移动支架(42)，所述移动支架承载所述光源(10)；以及固定移动轨道(43)，所述固定移动轨道承载所述移动支架(42)，使得所述移动支架(42)被所述驱动马达(41)驱动沿着所述固定移动轨道(43)移动。5.根据权利要求4所述的多模式组合调光的光学系统(100)，其特征在于，所述机械调光结构(40)能够通过改变所述光源(10)相对于所述聚光镜(20)的位置，使得所述多模式组合调光的光学系统(100)的实际输出在所述光源(10)的实际输出的50％-100％的范围内变化。6.根据权利要求2所述的多模式组合调光的光学系统(100)，其特征在于，所述多模式组合调光的光学系统(100)还包括设置在所述第二透镜(32)下游的出光光阑(50)，所述出光光阑控制出光口径或出光面积。7.根据权利要求1-6中任一项所述的多模式组合调光的光学系统(100)，其特征在于，所述多模式组合调光的光学系统(100)还包括散热系统(60)，所述散热系统包括布置在所述聚光镜(20)上游的第一散热轴流风机(61)和布置在所述第一散热轴流风机(61)与所述聚光镜(20)之间的导风管(62)。8.根据权利要求1-6中任一项所述的多模式组合调光的光学系统(100)，其特征在于，所述光源(10)包括高压气体放电光源。9.一种调节根据权利要求8中所述的光学系统(100)的照度的方法，所述方法包括以下步骤：借助所述高压气体放电光源的驱动调光，使所述光源(10)的实际输出在所述光源(10)的额定输出的60％-100％的范围内变化，以获得第一级调光光束；
借助所述机械调光结构(40)，使所述第一级调光光束的实际输出在所述光源(10)的所述额定输出的30％-100％的范围内变化。

技术总结

本发明涉及一种多模式组合调光的光学系统，该光学系统包括：光源；聚光镜，聚光镜围绕光源的至少一部分设置，以会聚光源发出的光线并将经会聚的光线朝向预定方向输出；透镜组合，透镜组合设置在经会聚的光线的光路上，并使经会聚的光线平行化且均匀化；以及机械调光结构，机械调光结构附连到光源，用于改变光源相对于聚光镜的位置。这样，通过调节光源相对于聚光镜的位置，使得能够根据使用需求动态调整光学系统的出光强度，并且能够与光源自身的调光方式组合进行调光，显著增大光学系统的整体调光范围。另外，本发明还涉及一种调节光学系统照度的方法。系统照度的方法。系统照度的方法。