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摘要：在舞台灯具行业，舞台灯具的出光品质是很重要的，因此，设计一种用于混光、匀光且具有防串光作用的染色灯具，及其必要。
关键词：舞台灯具；出光品质；混光；匀光；防串光；光学系统；照明灯具
前言
在各种舞台、剧院等娱乐场所，舞台灯具是很重要的，舞台灯具可以丰富舞台效果。随着科学技术的高速发展，各种技术的不断更新，舞台行业对于舞台灯具的品质要求也越来越高。
1舞台染色灯具的整体设计思路
此舞台染色灯具包括基板、光源、导光体和透镜，光源安装在基板上，光源一般为由多个LED芯片组成。每个LED芯片对应设置一个导光体，导光体包括入射面，导光面以及输出面，LED芯片发出的光通过导光体的入射面进入，经过导光面匀光处理，再从输出面输出，从导光体出来的光通过透镜形成光束射出。
光学系统还包括雾化结构，雾化结构可以是设于导光体的输出面的砂面，或者是设于导光体输出面和所述镜头之间的雾化片。
光学系统还包括蜂窝盖，蜂窝盖包括多个通孔，通孔套在透镜的镜头上，通孔的横截面与透镜的镜头的最大横截面尺寸相匹配，通孔排列在蜂窝盖上的整体形状与光源排列在基板上的整体形状匹配。
2.舞台染色灯具的光源
2.1光源选型
在这类舞台灯具中，一般选择LED光源。相对于荧光灯，LED光源具有体积小、低功耗、寿命长、光效高等优点，是节能环保的新一代光源。目前市面上有很多用LED光源制成的日光灯管，来代替荧光灯管。用LED作发光源的日光灯管具有反应快、亮度高、无频闪、无噪音、使用寿命长、通用性好等优点，已在居家室、办公室、商场、公共场所、交通工具等地得到了广泛使用。
其中光源可为RGBW的LED芯片，包括四种不同波长的光，所述四种波长的光的排列形成“田”字形，阵列的LED芯片G、R、B、W包含分别发射绿色、红色、蓝色和白色光的常规的绿色、红色、蓝色和白色LED芯片。为了进一步增强由LED芯片封装产生的白色光质量，利用了包括一个红色LED芯片(R)、一个绿色芯片(G)、一个蓝色LED芯片(B)和一个白色LED芯片(W)在内的四个LED芯片。除此之外，随着技术的进步，其他颜色的LED芯片同样也能实现光效的混匀。随着LED芯片设计的进步，可以在阵列中使用不同数目的LED芯片和/或不同颜色的LED芯片以便优化光束混匀效果或者实现不同的光束混匀效果。
图1： 光源示意图（21指单个LED芯片）
2.2光源排列
光源排列在基板上的整体形状为三角形或正方形或长方形或正六边形或正八边形或圆形或类圆形的形状。 光源可以提供不同的颜色，在所述光学系统的作用下，将一个或多个不同颜色的光实现充分混匀，且保证光能够正常投射出，同时能够减少光源的损耗，使光源利用率最高。光源固定在基板上，基板可以为普通固定板或能够固定光源的固定元器件。
光源有三种情况的实施例，一种情况为导光体至少一部分导光面具有扭转结构时，光源相对光轴的偏转角度相同，即相互之间没有角度的偏转，此时多组光源排列形成多种几何图形，经过在导光体内形成偏转之后，最终混合在一起，达到光源混匀的效果。
第二种情况为，导光体的导光面不发生扭转时，光源相对光轴的偏转角度不相同，即相互之间形成不同的偏转角度，光源排列形成多种几何图形，不同波长光束的发射角度不同，由导光体发出后，相互之间发生偏移，实现光束的充分混匀。
另一种情况是导光体至少一部分导光面具有扭转结构时，光源相对光轴的偏转角度不相同，即相互之间形成不同的偏转角度，且光源排列形成多种几何图形，因此在这三重作用之下，能够产生更好的混光效果。
图二：基板上设置的光源示意图
3.舞台染色灯具的导光体选择
3.1导光体的结构
导光体包括入射面，导光面以及输出面，入射面为靠近发光阵列的一端，入射面设置相应的扣合机构，能够与发光阵列实现耦合，防止光束的损耗。导光面为光束传导的主要输送通道，光束从入射面进入导光体后，经过导光面匀光处理，再从输出面输出，最终通过透镜将充分混匀的光束投影在指定区域。
导光体的横截面随着与光线入射表面的距离增加而增加，因此所述导光体可以分段式设计，也可以一体式设计，分段式设计时，每段的横截面可以包括不同的形状和/或横截面积，一体式设计时，可以是导光体整体的由大变小，实现聚光作用。
3.2.1导光体的入射面
导光体的入射面为正方形或长方形等任意形状，光源上设有相应的元器件能够与导光体的入射面实现耦合，以减小光源的损失。所述光源的光发出后，进入导光体的入射面，使得光束在导光体中经过多次全反射，形成更好的混光效果。
3.2.2导光体的导光面
导光体包含至少一部分导光面具有扭转结构，导光面的扭转结构为螺旋式扭转结构和/或带纹理。导光面的表面设有筋条纹路，筋条凸出导光面一定的高度，当光源射入导光体后，所述不同颜色或者图案的光束会有部分射到凸起的筋条上，使得同一光源的光束在导光面上产生全反射，且所述筋条的扭转方向是以光轴为中心，因此光束相互混合后，最终还会引导光束射出导光体，不会引起光能的损耗或者只是极少部分的损耗。
筋条与光轴偏转角δ为0°~90°范围，筋条式的扭转结构分布在导光面，可以是局部，也可以是全部覆盖。扭曲的高度是指扭曲部分在导光面上所占高度，同样也代表了所述筋条在导光面覆盖的面积，所述高度越高混光效果越好，但是在设定的高度内光束已经充分混匀了，设置过高会导致生产成本的增加，因此，本发明设置所述扭曲的高度约为总长的一半。
3.2.3导光体的输出面
导光体输出面为圆形，或导光体输出面为正2n边形，n为大于1的自然数。输出面相对入射面偏转角度为γ，0°＜γ＜90°。
输出面是为了使经过导光面的发生全反射的光束通过输出面后能够集中射出，且射出的光束更加均匀，根据用户自身的需求设置为正多边形的结构，使得光源具有多个对称中心，容易形成均匀光斑，另外可以形成不同的光效，满足不用场合的需求。
图三：导光体示意图
3.3舞台灯具的透镜设计
镜头横截面最大的部位与所述通孔之间为无缝贴合安装。透镜是用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件，可以选用透镜或者采用相关的透镜系统，透镜或透镜系统可包括凹透镜、凸透镜、物镜、变焦透镜、或其他光学元件，这些光学元件适于影响共同光束，最终使光输出成像于投影屏或物体上。镜头设于导光体输出面一端，使得光束透过导光体的输出面后从透镜镜头射出。
3.4舞台灯就的蜂窝盖设计
由于在一定角度范围时，一个镜头出来的光会串到另一个镜头那里，导致光斑周围出现虚光，形成串光，因此通过设置蜂窝盖，且蜂窝盖具有一定的高度，能够有效防止串光。蜂窝盖包括多个通孔，透镜包括多个透镜，每个透镜对应一个导光体，因此，实现每个光束的光不会相互干扰，形成更好的光效。
蜂窝盖包括上蜂窝盖和下蜂窝盖，上蜂窝盖靠近透镜镜头的输出面，上蜂窝盖的轴向高度为8~45mm，蜂窝盖设置在透镜出光面上侧，上蜂窝盖同样设置一定的高度，用于将每个发光阵列隔离开，进一步防止串光。而下蜂窝盖靠近光源端。下窝盖的轴向高度为h1≥H-L/tanα，其中，
H：透光镜镜头与导光体输出面的垂直距离；
L：两个导光体中间点之间的距离的一半；
α：导光体输出面的发散角的一半。
当发光角度2α可以是0~180°之间，即α可以是10°或20°或30°或40°或50°或60°或70°或80°，或者是0°＜α＜90°之间的任意值；两个导光体中心距离为40mm＜2L＜100mm，即20＜L＜50mm，其中2L可以为50mm或60mm或70mm或80mm或90mm，或是40mm＜2L＜100mm之间的任意值，都可达到本发明的技术效果。
光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度。具有非常小发散角的光束，例如光束半径在很长的传输距离内接近常数，被称为准直光束。光束的发散角越大，光束之间相互影响的可能性就越高，导致串光的机会也会越大，因此，通过测定导光体输出面的发散角从而计算出来下蜂窝盖的轴向高度更加准确、有效的防止串光。因此，其他变量确定的情况下，所述导光体输出面的发散角2α越大，L/tanα则更小，因此需要设置的下蜂窝盖的轴向高度h1越高，相反，所述导光体输出面的发散角2α越小，L/tanα则更大，需要设置的下蜂窝盖的轴向高度h1越低。因此，本发明下蜂窝盖的轴向高度的灵活设置，可以有效避免串光的同时，还能够在最大程度上减小下蜂窝盖的轴向高度，在避免串光的同时还能够减小整个光学系统的体积。
另一方面，两个导光体之间的距离越小，光束相互影响的可能性越大，引起串光的可能性就越大，因此下蜂窝盖的轴向高度可以设置相对较高；而两个导光体之间的距离越大，光束相互影响的可能性越小，引起串光的可能性就越小，因此下蜂窝盖的轴向高度可以设置较低。因此在本发明的公式中，在其他变量确定的情况下，所述相邻两导光体之间的距离2L越大，L/tanα则更大，因此需要设置的下蜂窝盖的轴向高度h1越低；相反，所述相邻两导光体之间的距离2L越小，L/tanα则更小，因此需要设置的下蜂窝盖的轴向高度h1越高。
因此，导光体之间的距离与下蜂窝盖的轴向高度h1的设置成反比，而导光体输出面的发散角2α的大小与下蜂窝盖的轴向高度h1的设置成正比，因此本发明所述公式的设置，能够更加有针对性的防止串光，且在最大程度上减小发光系统的体积。
图五：一种舞台染色灯具的立体图
参考文献：
[1]戴洽. 常州大剧院舞台灯光系统设计方案[J]. 演艺设备与科技,2007,06:19-22.
[2]王发虎. 常规剧场舞台机械设计方案[J]. 甘肃科技,2010,（18）：71-73.
论文作者:张慧春
论文发表刊物:《科技研究》2018年8期
论文发表时间:2018/10/23
标签：光源论文; 光束论文; 蜂窝论文; 透镜论文; 光面论文; 高度论文; 所述论文; 《科技研究》2018年8期论文;