淺談電腦燈具的光學(xué)系統結構設計

　　目前，國際上的燈光行業(yè)已將燈具的光色效果和光學(xué)質(zhì)量參數作為產(chǎn)品驗收和評價(jià)的重要內容之一。光色的應用，也是舞臺燈光設計師特別重視的項目，要求舞臺燈具產(chǎn)品的光色效果在現代化的演示場(chǎng)所中，能更好地發(fā)揮其空間感、層次感、距離感、立體三維感、光的波動(dòng)感、較理想的光通量和成像清晰的投影畫(huà)面等效果，這就對燈光設備提出了新的要求。國內的燈光行業(yè)，就舞臺電腦燈具而言，同國外先進(jìn)成熟的名牌產(chǎn)品相比還有一定的差距，其光效、功能、質(zhì)量的可靠性不夠穩定，特別是光學(xué)質(zhì)量方面，還不能達到理想的效果，以至于目前的國內重要演示場(chǎng)所大部分還是選用國外產(chǎn)品，以確保演出質(zhì)量?？傊?，提高國內燈具產(chǎn)品的光學(xué)質(zhì)量水平，研究光學(xué)系統的結構，仍然是目前在產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)中的主要課題之一。為此我們根據國外目前較為成熟的先進(jìn)電腦燈具產(chǎn)品，就光學(xué)系統結構的特性和應注意的事項作一些介紹，僅供使用者和制造廠(chǎng)家參考：

　　一. 舞臺電腦燈具的分類(lèi)

　　1. 燈具按光學(xué)系統的結構模式可分為：

　　a. 球面反光鏡聚光模式

　　球面反光鏡聚光模式的特點(diǎn)：是采用球面反光鏡與鍍增透膜石英非球面鏡結合而形成的聚光模式，且光源和非球面鏡靠近的設置，既消除或減少了球差，又擴大對光源的包容角，提高投影成像的清晰度，獲得高效的聚光效果。

　　b. 橢球面反光鏡聚光模式

　　橢球面反光鏡聚光模式的特點(diǎn)：是采用橢球面反光鏡與光學(xué)透鏡構成的聚光模式，可使光源的光線(xiàn)對弧面的入射角變小，減少了反射光能的損失，提高了光通量的利用率，產(chǎn)生亮麗光束聚光效果。目前電腦換色燈采用了橢球面反光鏡與菲涅耳-螺紋透鏡構成的新型聚光模式，更能體現出其特點(diǎn)，產(chǎn)生聚而柔的光束效果。

　　2. 燈具按投影效果可分為

　　a. 硬光斑燈具

　　硬光斑燈具中的光學(xué)系統結構，通常采用的是球面反光鏡與鍍增透膜石英非球面鏡結合而形成的聚光模式或橢球面反光鏡與光學(xué)透鏡構成的聚光模式。具有圖案清晰、邊緣有明顯、清晰的分界線(xiàn)、光束銳麗的特點(diǎn)。一般有如下功能：

　　靜態(tài)圖案效果;

　　動(dòng)態(tài)圖案效果;

　　圖案疊加效果;

　　圖案增色效果;

　　圖案三維動(dòng)感效果;

　　色溫校正;

　　圖案分角動(dòng)感效果;

　　光束角變化效果;

　　漸進(jìn)線(xiàn)性CYM 三元色混色效果;

　　線(xiàn)性調焦;

　　頻閃效果;

　　圖案明暗變化效果。

　　b. 軟光斑燈具

　　軟光斑燈具中的光學(xué)系統結構：經(jīng)常采用的是橢球面反光鏡與菲涅耳透鏡-螺紋透鏡構成的新型聚光模式。具有光色柔和、均勻、色彩豐富，邊緣無(wú)明顯的分界線(xiàn)的特點(diǎn)，一般有如下功能：

　　顏色變化效果;

　　彩虹流動(dòng)效果;

　　色溫校正;

　　柔光效果;

　　漸進(jìn)線(xiàn)性CYM 三元色混色效果;

　　波紋效果;

　　光束角變化效果;

　　頻閃效果;

　　漸進(jìn)線(xiàn)性調光效果。

　　二. 結構設計

　　燈具的光學(xué)系統是由光束聚焦成像區和光源區兩大區域組成。光束聚焦成像區是各種效果盤(pán)、光闌、和光學(xué)鏡片等結構的結合，形成光束聚焦成像;光源區是由反光鏡和燈泡組成，形成光源束焦點(diǎn)。由于燈具要求投影的光斑必須具有光色柔和、均勻、符合演示場(chǎng)所需要的光通量，成像燈具還應圖案清晰、其邊緣有明顯的分界線(xiàn)，無(wú)虛光現象等要求，因此在燈具光學(xué)系統的結構設計中應注意以下幾點(diǎn)：

　　1. 中心光軸、光闌和像差

　　中心光軸、光闌和像差是直接影響到燈具的光效損失和投影清晰程度的主要原因。燈具內部的光學(xué)系統是光束聚焦成像和光源區兩大區域組成的，能否為同心軸線(xiàn)，形成理想的同心光束，是直接影響到燈具光效的關(guān)鍵所在。由于現代的電腦燈具均往多功能發(fā)展，系統中的光束聚焦成像區域內設置了如固定圖案盤(pán)、旋轉圖案盤(pán)、旋轉棱鏡、色片盤(pán)、色溫校正盤(pán)、漸進(jìn)線(xiàn)性CYM 三元色色片、光學(xué)透鏡、玻璃圖案效果盤(pán)、線(xiàn)性調焦鏡等到多種效果盤(pán)，要確保每個(gè)效果盤(pán)孔徑的中心在組合時(shí)都能同心軸線(xiàn)，且每個(gè)效果盤(pán)的端面與軸線(xiàn)垂直，并非容易。雖然在設計過(guò)程中從理論講都能保證，但由于在零部件的制造加工過(guò)程中，出現的加工精度誤差和裝配基準偏離等現象，會(huì )影響到燈具的光效損失和投影清晰程度。因此，我們在設計燈具的光學(xué)系統機構時(shí)，事先將各種可能出現的綜合性因素要進(jìn)行全面地分析和考慮，確保零部件的制造精度和裝配基準的設計合理。達到整個(gè)光學(xué)系統的中心光軸能同一軸線(xiàn)，使光通孔徑和一定的視場(chǎng)角或發(fā)光點(diǎn)盡可能地靠近光軸，形成同心光束的理想效果。影響的燈具的光效損失和投影清晰程度的另一個(gè)原因，就是對光束起限制作用的各個(gè)效果盤(pán)的孔徑、特別設置的帶孔屏障和透鏡的邊緣，即光闌。由于起著(zhù)對限制光束孔徑和視場(chǎng)的作用，是直接影響到燈具投影光斑中的像差、像的亮暗、景深和分辨率。因此，在設計光闌孔徑的大小和光闌在光學(xué)系統中的焦點(diǎn)距離位置時(shí)，既要考慮它在進(jìn)入光學(xué)系統中光通量的多少、像差的大小以及滿(mǎn)足像在空間的深度(景深)等作用;也要考慮能對限制成像范圍特別起作用的最佳空間視場(chǎng)角等因素，形成投影光斑的理想效果。在實(shí)際的燈具光學(xué)系統中總有一定的光通孔徑和一定的視場(chǎng)角或發(fā)光點(diǎn)不靠近光軸，另一方面由于光束多是由不同波長(cháng)的光組成，系統的折射率不為常數，所以，實(shí)際光學(xué)系統的成像與近軸光學(xué)所得的結果不同，產(chǎn)生的偏離，即像差。而像差，是由實(shí)際光學(xué)系統的物理條件造成的，我們在設計過(guò)程中只需重點(diǎn)地將某些像差消除到一定的程度，只要達到減少像差以提高成像的清晰度就行。要完全消除是不可能，也沒(méi)有必要。

　　2. 機械傳動(dòng)結構

　　電腦燈具內部的各種效果盤(pán)，如旋轉圖案盤(pán)、旋轉棱鏡、漸進(jìn)線(xiàn)性CYM 三元色色片、線(xiàn)性調焦鏡等機構，由于燈具內部空間小、結構緊湊，不能完全都直接裝配在步進(jìn)電機軸上，部分需要設計成傳動(dòng)結構來(lái)達到效果。目前燈具經(jīng)常使用的傳動(dòng)結構方式有：齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)和螺桿拖動(dòng)等方式。采用齒輪傳動(dòng)結構時(shí)，要考慮到可能會(huì )出現抖動(dòng)、卡碰、噪音等現象。要消除這些因素，應選用高精度的齒輪和軸承，采用耐高溫潤滑油及合理的間隙配合確保裝配精度，主從齒輪采用不同的材料，橡膠塑料齒輪和金屬齒輪組成的傳動(dòng)機構能有效地減低傳動(dòng)噪音，必要時(shí)在步進(jìn)電機與固定面板裝配固定之間增加緩沖墊圈，以減少震動(dòng)和噪音現象，需要時(shí)增加阻尼器，會(huì )減少沖擊慣性，提高控制定位的準確性。采用帶輪傳動(dòng)時(shí)，由于燈具的光源輻射、內部溫度及運動(dòng)速度問(wèn)題，會(huì )使皮帶產(chǎn)生熔斷、老化、延伸、疲勞斷裂等現象，因此應選用其具有耐高溫、防輻射、抗疲勞的皮帶材料，必要時(shí)皮帶要做可靠性試驗，過(guò)長(cháng)的帶輪傳動(dòng)機構，可設計帶有自動(dòng)調節、彈性適度的過(guò)渡張緊輪和步進(jìn)電機與固定面板裝配固定之間增加調節彈簧，以減少皮帶的延伸、斷裂等現象，確保其能準確的定位。無(wú)論是采用齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)和螺桿拖動(dòng)等結構形式，都要做到傳動(dòng)結構的零件制造加工精度和裝配基準精度的設計合理、定位準確，達到光學(xué)系統的光軸中心能同一軸線(xiàn)的目的。

　　3. 燈泡微調結構

　　由于為了方便使用者在使用燈具時(shí)，能根據演示場(chǎng)所的需要，調出最佳的光色效果，燈具一般都設置了燈泡微調結構，燈泡的調節螺桿應有自鎖限位，微調量一般不宜超過(guò)2mm,以防止由于調節而產(chǎn)生脫落、松動(dòng)、超出光效調節范圍和不安全現象。值得提出的是;燈泡微調結構，一定要確保使用者在對燈具更換燈泡時(shí)，能準確地定位在規定的位置。

　　4. 光學(xué)系統散熱

　　由于燈具采用的燈泡功率大，光源亮點(diǎn)又被反光鏡包容，加上光束區域內的各種效果鏡片和光源區周邊的金屬裝配固定面板，會(huì )出現光的熱能反射現象，直接反射到光源區域內的反光鏡和燈泡，加上光源的高熱輻射，都會(huì )使內部的光學(xué)元件超過(guò)極限溫度，引起光學(xué)系統中如光學(xué)透鏡、色片、玻璃圖案片、玻璃反光鏡等材料，產(chǎn)生變色、脫膜、爆裂及燈泡的損壞和質(zhì)量問(wèn)題。因此，燈具的散熱系統結構設計的合理性，是降低內部系統溫度的保證。制造廠(chǎng)家在設計結構時(shí)，應考慮到光的熱能反射和高熱輻射因素，可將光源區周邊的金屬裝配固定面板進(jìn)行耐高溫黑色無(wú)光噴涂或表面鍍黑化學(xué)處理，使其能吸收光的熱能，減少光的熱能反射現象。若采用玻璃反光鏡時(shí)，應選擇透紅外、熱能向周邊擴散的反光鏡。安裝和固定玻璃反光鏡時(shí)，不宜過(guò)緊，以防止由于溫度過(guò)高，熱膨脹使反光鏡爆裂。若光束聚焦區的溫度過(guò)高，玻璃圖案片、色片和透鏡超過(guò)極限溫度時(shí)，應采用具有耐高溫、鍍增透膜的玻璃隔熱片進(jìn)行隔擋，但也要考慮到隔熱片的熱能反射因素，制造廠(chǎng)家可將隔熱片的平面與玻璃反光鏡的端面形成一定的角度，使其熱能向上折射，以減少光的熱能反射現象。必要時(shí)可將光源區域進(jìn)行屏蔽，阻擋最高熱源對光學(xué)元件的影響，設計導風(fēng)結構，形成良好的風(fēng)路循環(huán)，使燈具被加熱的空氣直線(xiàn)而又通暢地向外排出。燈具的散熱，通常采用的是進(jìn)風(fēng)式散熱、抽風(fēng)式散熱、進(jìn)抽風(fēng)式散熱和自然散熱等方式。選擇何種散熱方式，必須根據燈具內部的各區域，如光束聚焦成像區、光源區、信號控制區和電器元件區等環(huán)境溫度分布狀況而確定;也要考慮到光學(xué)元件如光學(xué)透鏡、色片、玻璃圖案片、玻璃反光鏡材料的耐溫性和燈具的表面積等因素，通過(guò)測量其溫度而確定散熱方式。

　　三. 光學(xué)質(zhì)量參數

　　燈具產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的光學(xué)質(zhì)量參數，是提供給使用者的一項重要數據內容。光學(xué)質(zhì)量參數的內容包括：光斑角度、光通量、色溫及射距、光斑直徑與中心照度的關(guān)系圖。制造廠(chǎng)家在提供給使用者的光學(xué)質(zhì)量參數，要盡可能準確，不能片面夸大。燈具產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供的光學(xué)質(zhì)量參數要與使用者實(shí)際測量的數據相符合，光通量和照度的參數準確率要達到85%以上，還有15%可能是由于其他的客觀(guān)因素造成的偏差。由于現在的國際燈光行業(yè)、商家和使用者在對燈具進(jìn)行實(shí)際測量驗收中，已將光色效果和光學(xué)質(zhì)量參數作為產(chǎn)品驗收項目和評價(jià)的重要內容之一。文化部就燈具行業(yè)產(chǎn)品的光學(xué)質(zhì)量問(wèn)題，于1999 年發(fā)布了WH/T0203-1999《舞臺燈具光學(xué)質(zhì)量的測試與評價(jià)》文化行業(yè)標準。就是給燈具制造廠(chǎng)家在檢驗產(chǎn)品的光學(xué)質(zhì)量時(shí)，提供了規范和限定。提供上述的內容，其目的就是針對產(chǎn)品的光學(xué)質(zhì)量，提出了應予重視的問(wèn)題。本意在拋磚引玉，以期達到共同促進(jìn)和提高國內燈具產(chǎn)品的光學(xué)質(zhì)量水平，適應和滿(mǎn)足現代化的演示場(chǎng)所需要，提高國際的競爭能力。