灯具的电动变焦组件设计*

王艳春，吴育林，梁 明

（1.广东职业技术学院，广东 佛山 528041；2.广东凯西欧光健康有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

灯是生活中随处可见的照明工具，很多特定的场合经常会用到可以调焦的灯具，比如车站、码头、广场、工程施工、特种机械等场所，以及用于城市景观、建筑物立面作美化照明的灯具通常都具备调焦功能。灯具的调焦一般是在灯源前面安装一个变焦组件，变焦组件包括有变焦透镜，通过改变变焦透镜与灯源的距离实现调焦功能。现有灯光调焦方式比较常见的是手动调节，如吴育林等[1]研发的LED变焦灯模组，具有独特的旋转无级调焦的结构，运用带有旋升斜槽转动机构，透镜部分的凸点可在斜槽内滑动，通过转动旋升斜槽转动环实现透镜部分上下滑动，实现手动无极调节。王红印等[2]提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统，提高光角度的变化范围。魏永纲等[3]的发明专利“一种可变焦的LED灯（CN101334144）”中采用的技术方案是，可调整光斑大小的可变焦的LED灯具由变焦后座、带基板的LED、灯身、透镜、限位螺钉、透镜支架、调节环零件组成，零件较多，装拆麻烦。自动调采用电动驱动调节，变焦组件主要是通过设置单独的驱动机构，改变变焦透镜与灯源的距离，这样的变焦组件零件较多，结构复杂，不方便安装使用。刘鑫等[4]在光电经纬仪中设计的调焦机构，选用直线步进电机调焦，机构内设计有滑架和导轨，用电机螺旋杆带动负载实现自动调焦。针对灯具体积小，不便使用结构复杂的变焦机构，以及灯具通常挂在高空，人工调焦不方便的问题，本文介绍的电动变焦组件结构简单，装卸方便，容易实现自动变焦，解决现有灯具变焦问题。

1 电动变焦组件结构

1.1 电动变焦组件

电动变焦组件如图1所示[5]，主要由导向环、变焦透镜、调焦环组成。导向环、变焦透镜和调焦环装配在一起，组成电动变焦组件。导向环与灯筒连接，灯源向电动变焦组件的一侧发出灯光，灯光穿过变焦透镜向外射出，通过调整变焦透镜与灯源的距离调整焦距，达到调焦的目的[6]。

1.2 电动变焦组件部件设计

（1）导向环

导向环如图2所示，由齿轮、电机、环体组成。环体上设计有定位条、固定框、导向环扣位、导向槽。齿轮安装在电机的输出端，电机转动带动齿轮转动，电机固定在固定框当中。在环体圆周上均匀分布3个定位板，其作用是当图1电动变焦组件安装在灯具上时，其与灯具上的相应位置配合，方便电动变焦组件快速准确定位。环体圆周上均匀分布3个导向环扣位，其作用是将图1电动变焦组件固定在灯筒上。竖直的导向槽设在导向环的内侧，其作用是让图3的变焦透镜做上下运动，控制变焦透镜与灯源的远近[7]。

图1 电动变焦组件

图2 导向环

（2）变焦透镜

变焦透镜如图3所示，边缘设计有向外凸起的短凸柱和长凸柱，短凸柱有2个，分别与图4调焦环上的第二螺旋槽和第三螺旋槽卡合，而长凸柱穿过图4调焦环上的第一螺旋槽，并伸入图2导向环的导向槽内，在导向槽内做上下运动。

图3 变焦透镜

（3）调焦环

调焦环如图4所示，调焦环壁上设计有第一螺旋槽、轮齿、第二螺旋槽、调焦环扣位、第三螺旋槽。轮齿与图2的导向环齿轮啮合，导向环电机驱动导向环齿轮转动时，带动调焦环轮齿转动。调焦环圆周上均匀分布3个调焦环扣位，其作用是与图2导向环连接。

图4 调焦环

2 电动变焦组件工作原理

将图3中变焦透镜的2个短凸柱和长凸柱装入图4中调焦环对应的第二螺旋槽、第三螺旋槽和第一螺旋槽中，长凸柱对准图2导向环的导向槽安装，图4调焦环扣位与图2导向环连接。导向环、变焦透镜和调焦环组装在一起变成电动变焦组件，实现自动变焦功能。

图2中导向环电机带动齿轮转动，从而带动图4中调焦环的轮齿转动，调焦环在轮齿的带动下转动，安装在调焦环第二螺旋槽、第三螺旋槽和第一螺旋槽中的变焦透镜的2个短凸柱和长凸柱跟随转动，由于长凸柱还安装在图2导向环的导向槽中，长凸柱只能在导向槽中做上下运动，因此，变焦透镜仅能沿着导向槽做上下滑动，上下运动可以控制变焦透镜与灯源的远近，从而达到变焦的目的[8]。

3 电动变焦组件在导轨灯中的应用

该电动变焦组件零件少、体积少，电机驱动实现变焦，因此，结构简单，容易安装，对灯具要求低，适用范围广，本文以导轨灯安装电动变焦组件为例介绍自动变焦组件的应用。

3.1 导轨灯组成

导轨灯如图5所示，主要由导轨盒、吊臂、灯筒、电动变焦组件组成。导轨盒固定在导轨上，吊臂分别与固定导轨盒和灯筒连接，灯筒里面装有灯源，电动变焦组件安装在灯筒上，并且靠近灯源一侧安装，灯源向电动变焦组件的一侧发出灯光，调整图3变焦透镜与灯源的距离就可以调整导轨灯的焦距。

3.2 自动变焦组件在导轨灯中的安装

图6所示为自动变焦组件在导轨灯中的安装[9]，使用时，将电动变焦组件放入导轨灯的灯筒中，将图2导向环的3个定位板对准灯具上的相应位置快速准确定位，再将图2的3个导向环扣位扣合在灯筒的内壁上，导向环扣位的结构能使电动变焦组件与灯具的连接更稳定，在使用过程中不易脱落同时方便装拆。

图6 自动变焦组件在导轨灯中的安装

LED灯源通过4个螺钉固定在导热铝板上，图4调焦环安装在靠近灯源的一端，用图4调焦环扣位钩住图2导向环靠近灯源的一端，将调焦环和导向环两者稳固地连接在一起，但调焦环与导向环只是连接在一起，并没有固定，因此，当图2导向环的电机带动齿轮转动，由于齿轮和图4调焦环的轮齿啮合，所以，齿轮带动轮齿转动，轮齿是调焦环的一部分，调焦环在轮齿的带动下转动。

图3中变焦透镜主要靠2个短凸柱和长凸柱插入到图3调焦环的3个螺旋槽中和调焦环装配在一起，调焦环转动带动变焦透镜的2个短凸柱和长凸柱转动，因此，带动变焦透镜转动，由于长凸柱还安装在图2导向环的导向槽中，导向槽的形状是长条形，限制了长凸柱做旋转运动，长凸柱只能在导向槽中做上下运动，因此，长凸柱带动变焦透镜仅能沿着导向槽做上下滑动，上下运动可以控制变焦透镜与导轨灯的LED灯源的远近，实现导轨灯光束角的变化。

3.3 导轨灯的自动变焦组件控制系统

选用步进电机作为驱动电机，使用遥控器发出信号，步进电机驱动器接收信号后控制电机运行，从而控制变焦透镜与导轨LED灯源的距离，距离远近的改变即改变光束角的大小。

常用遥控器有红外遥控系统和无线遥控器，都是一种用来远程控制机器的装置，一般有发射和接收2个部分，发射器将控制信息以一定方式编码后去调制信号，并发射岀去，接收器收到信号经放大解调解码相应的控制信息，再送到电路去执行相关控制。

红外遥控器是用红外线来传送控制信号的，其特点是有方向性、不能有阻挡、距离一般不超过7 m、不受电磁干扰，无线电遥控器是用无线电波来传送控制信号的，其特点是无方向性、可以不“面对面”控制、距离远，容易受电磁干扰。因此，用户可以根据自己的需求，选择不同的遥控器控制LED导轨灯自动变焦。

4 结束语

本文设计的自动变焦组件主要由导向环、变焦透镜、调焦环3个零件、1个电机和1个齿轮组成，零件数量少，结构简单。自动变焦组件靠导向环的扣位与灯筒连接，装卸方便，变焦组件的导向环、变焦透镜、调焦环3个零件的装配靠调焦环的扣位连接，3个零件之间装卸也很方便，因此，灯具需要自动变焦就安装，不需要可以拆下来。电机带动齿轮运动从而带动调焦环运动，调焦环带动变焦透镜做直线运动，改变变焦透镜和灯源的距离，实现光束角的变化，该自动变焦组件，对灯具的要求低，可以应用在射灯、聚光灯、导轨灯等灯具上，应用范围广。