CN105938253B - 一种交变图案成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交变图案成像系统，其包括：光源模块，交变图案发生器以及成像器，交变图案发生器置于光源的光路中，以产生交变图案；成像器与交变图案发生器配合，对其产生的交变图案进行投射成像。基于上述方案构成的交变图案成像系统，能够在屏幕上形成具有层次、交变、动感的图像；并且本成像系统制作方便，造价低廉，又特别适应户外大环境的图像投射。

Description

一种交变图案成像系统

技术领域

本发明涉及到投影技术，具体涉及交变图案的成像技术。

背景技术

当人类进入21世纪，人们的生活方式和要求自然发生重大变化，在物质丰富的条件下，精神生活提出了越来越高的要求，环境的丰富多彩，动感的美景成了人们精神生活的必然要求，当前世界各国政府都在发展国民经济，讲民生，适应广大民众的要求，将旅游事业作为发展国民经济的重要组成部分。

所有这些，对户外的灯光特别是效果灯提出了新的要求，由原来追求亮度、白光照明到色彩照明、由照亮到有图像，由静态到动感等等；另一方面要求制作方便，价格合理等等，于是各种投影灯、效果灯不断出现。

对于现有成像投射器，主要包括幻灯、电影、新式会议用投影仪，但是各有特点，却有不足：

电影成像清晰，与实际生活有逼真感，如骏马奔腾、浪击岩涯、浮光耀金等，但制作系统复杂，可谓系统工程，自然价格昂贵，同时不适合户外影像投射效果；

幻灯投射是固定图像，缺乏生动活泼的效果，同样在户外受到亮度的限制；

新式会议用投影仪具有电影的功能，又有携带方便的优点，但是，不但价格昂贵，户外使用，特别是在大环境使用有困难。

在生活中有很多自然环境影像中要求有层次、有动感，图像不断类同，例如：雪花飘飘、碧波荡漾、繁星闪闪、麦浪滚滚，熊熊烈火等等。

因此提供一种制作要求方便、价格易于接受、要特别适应户外大环境的图像投射方案，是本领域亟需解决的问题。

发明内容

针对现有图案投射技术在成像效果以及结构成本上所存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种结构简单、易于实现且能够实现交变图案成像的成像投射技术。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本方案为一种交变图案成像系统，该成像系统包括：

光源模块；

交变图案发生器，所述交变图案发生器置于光源的光路中，以产生交变图案；

成像器，所述成像器与交变图案发生器配合，对其产生的变图案进行投射成像。

优选的，所述光源模块包括至少一个光源体，所述光源体由LED光源和设置在其上的光处理部件组成。

优选的，所述光源模块中的光源体为多个时，呈直线分布。

优选的，所述LED光源为单个LED发光源或集成LED发光源。

优选的，所述光处理部件为椭球面反光镜或非球面聚光镜组。

优选的，所述交变图案发生器通过自转产生交变图案。

优选的，所述交变图案发生器为一可自转的圆柱筒体，所述圆柱筒体上设有用作交变的图案，随圆柱筒体绕轴自转产生交变图案。

优选的，所述交变图案发生器为两层图案片，所述两层图案片相对设置，其上分别设置有用作交变的图案，并通过绕光轴转动产生交变图案。

优选的，所述成像器为物镜，且交变图案发生器上的图案分布在物镜焦平面的两侧。

基于上述方案构成的交变图案成像系统，其采用具有两个图案(不在同一个垂直于光轴的平面)作为物面，使在屏幕上的图像具有层次、交变、动感，例如：雪花飘飘、碧波荡漾、繁星闪闪、麦浪滚滚，熊熊烈火等等。

再者，本成像系统制作方便，造价低廉，又特别适应户外大环境的图像投射。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本实例1中滚筒式交变图案成像系统的光学原理图；

图2为本实例1中滚筒式交变图案成像系统的光学结构示意图；

图3为本实例1中光线利用角示意图；

图4为本实例2中双层图片式变图案成像系统的光学原理图；

图5为本实例2中前图案片的结构示意图；

图6为本实例2中后图案片的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实例和图示，进一步阐述本发明。

本方案提供的交变图案成像系统，其采用不在同一个垂直于光轴的平面上的两个图案作为物面，使在屏幕上的图像具有层次、交变、动感。

为此，整个成像系统主要包括光源模块、交变图案发生器以及成像器三部分。

其中，光源模块用于产生相应的成像光路。

本方案，光源模块采用大功率LED或集成LED作为光源，该光源具有发光效率高、使用寿命长和因为面发光并单面发光，光的利用率很高。

交变图案发生器，其上设有用作交变的图案，该交变图案包括至少两个不在同一个垂直于光轴的平面上的图案。该交变图案发生器整体置于光源的光路中，以产生交变图案。

在此基础上，交变图案发生器可进一步的通过在光路中自转产生具有的动感，不断类同的图案。

成像器，其与交变图案发生器配合，对交变图案发生器产生的交变图案进行投射成像。

据此方案能够在屏幕上可以形成交变的图案，如‘飞雪迎春’，水波涟漪，波浪滚滚的‘水波纹’、丰收在望的‘麦浪滚滚’；望星空‘繁星闪烁’等效果。

针对上述方案，以下通过具体实例来进一步的说明。

实例1

参见图1和图2，本实例中的交变图案成像系统为滚筒式，主要包括LED光源1、深椭球反光镜2、滚筒3、场镜4以及物镜5这五个部分。

其中，LED光源1采用大功率LED,通常为1瓦到10瓦，光源LED置于深椭球反光镜2的第一焦点内，光源发出的光经过深椭球反光镜反射形成发散光束，光束照明滚筒3并通过滚筒，光束在滚筒上形成的光斑略大于滚筒的直径(光源LED直接投向滚筒的光合在一起)，在滚筒后设置一场镜4(通常采用菲涅尔镜)，将光聚焦于物镜5处。

在场镜4前方置一物镜5(通常采用费涅尔镜)，其焦点位于滚筒的前后面之间。

而滚筒3的轴线连接小型电机6的轴，当通电后，电机转动带动滚筒转动，同时，通电后LED发光，交变图案(如：水波纹；飞雪迎春等)即出现在屏幕或其他目标屏上。

本实例中的采用发光效率特高的大功率灯LED或集成LED作为LED光源1，以此实现利用较小功率光源，达到同样的光照效果。

根据大功率LED既有高发光效果的优点，又易做到实现提高光利用率的特点(因为它是平面单方向发光的光源)。为了进一步提高光源的利用率，本实例将大功率灯LED置于深椭球反光镜2的第一焦点内，让从反光镜反射后形成一束发散角比较小的发散光束，由于LED是平面发光体，可以让通过反光镜反射出去的光和直接发出的光叠加起来，大大提高光源的利用率。

参见图3，由此形成的光源，其发出的光的可利用的立体角非常大。其中反射光所占利用角X1，为光源LED发出的光经过深椭球反光镜反射，被利用的光(以立体角表示)；而直射光所占利用角X2，为光源LED发出的光直接照明滚筒，两者相加所占发光的利用角与光源发光的总发射角的比例是相当高的。

由此，叠加起来的光照明圆柱体滚筒3，并使在滚筒3上的光斑与滚筒的直径相当。

在这里，将大功率灯LED和深椭球反光镜2组合成一体称作光源体，在本实例中可以有一个或多个光源体组成，但是如果采用多个光源体应该放在一条直线上，光的投射方向必须是一致的。

另外，对于亮度要求高，或图像大的环境，则应采用集成LED(100瓦以上如200瓦、300瓦甚至更大功率的LED),此时根据需要应将光学结构作出相应更改，可以采用非球面聚光镜组(也可以适当采用菲涅尔镜)实现高利用率聚光系统，由于集成(大功率)LED的热量很高，必须采用有效的散热器——铜管式散热器。

本实例中采用中空的、有图案的圆柱形滚筒3作为交变图案发生器，以此来实现交变图案效果。

该中空的圆柱形滚筒3由金属薄片制成，其表面刻有用作交变的图案，该金属薄片上图案部分是透明的，如果图案是有色的，可以在滚筒体外安置一层色片。

作为另外一种替代方案，该中空的圆柱形滚筒3由透明薄片制成，薄片上有用作交变的图案，通过颜色差异来显示图案，即图案部分与其他部分采用颜色或灰度差异显现图案。

由此设置的滚筒3在使用时，其有前后两部分被照明，两个被照明的区域分别具有两个图案，这两个图案基本相同，在随滚筒3自转时，其运动的方向相反，由此实现交变图案效果。具体的实现原理与实例2的双层图片式相同。

该圆柱形滚筒端面的中心由一个轴孔与微型电机或小型电机6的轴相连，通电后，电机6带动圆柱体滚筒转动。

由此设置的圆柱形滚筒3，其整体置于投影光学系统的光路中，让其处在照明模块的前面，当通电后电机带动滚筒转动，滚筒表面上的透明图案通过光学系统投射到屏幕上，由于处于光路中的滚筒有前后两面被照明，而且因为滚筒在转动，屏幕上的像不断在变动，再则两面不是处于同一面上，两个面上的图案像清晰程度是不一样的，使图像有了层次感。

本实例中采用的场镜4，用于在不影响成像关系的情况下，达到聚光的效果。本实例由于为了使照到滚筒的光斑有一定的面积，从反光镜出来的光束是发散的，但经过滚筒后又要会聚到物镜中去，为了保证成像效果。本实例在滚筒前设置场镜4(实际上可谓聚光镜)，对相应的光束进行聚光。

本实例中采用物镜5作为成像器，其物镜5相对于圆柱形滚筒3设置，使得圆柱形滚筒3上的图案应处于物镜焦平面的两边或一面在物镜焦平面上，一面在物镜焦平面与聚光系统之间，具体视投射距离及图案放大率而定。

根据上述方案构成的滚筒式交变图案成像系统，当滚筒被聚光系统照明时，由于滚筒的前后两面均被照明，物镜的焦面处在前后面之间，当焦面处在前面时，前面的图案在屏幕上很清晰，后面的图案比较虚(虚的程度与离焦面的距离及物镜的焦距有关)，这样屏幕上的图像就感觉到有层次感。

如果环境不需要有很清晰的效果，则焦面可处于前后面之间某位置。

另外，当前面的图案向上动的时候，后面的图案向下动，如水波纹形成交叉叠加，屏幕上出现的效果犹如波光粼粼；同样，如果将图案旋转90度，图案的透光部分是大红色，那么，就会出现熊熊烈火的效果。

实例2

参见图4，本实例中的交变图案成像系统为双层图片式，该系统采用两个不在同一平面上的、有图案的平面图片，置于光路中，各自由步进电机带动，让其绕光轴转动，在屏幕或其他目标屏上出现交变图案(如：繁星闪闪；飞雪迎春等)。

由图可知，该双层图片式交变图案成像系统在组成结构上与实例1中的滚筒式交变图案成像系统相同，主要包括：光源模块、交变图案发生器以及成像器三部分。

其中，光源模块与实例1中的原理相同，但光学结构主要由集成LED光源1和以非球面为主的透射式聚光镜组2配合构成，具体方案此处不加以赘述。

本实例中的成像器与实例1中的相同，主要由’场镜’和物镜5相配合构成，具体方案此处不加以赘述。

本实例中的交变图案发生器由两层图案片7、8构成，这两片图案片7、8相对设置，不在同一平面上，其上分别设置有用作交变的图案。

对于该图案片，类似于圆柱形滚筒3，具体可采用如下两种设计方案：

1.每个图案片由相应的金属薄片制成，其表面刻有用作交变的图案，该金属薄片上图案部分是透明的，如果图案是有色的，可以在滚筒体外安置一层色片。

2.每个图案片由透明薄片制成，薄片上有用作交变的图案，通过颜色差异来显示图案，即图案部分与其他部分采用颜色或灰度差异显现图案。

由此设置的两层图案片7、8，整体置于光路中，两层图案片7、8的中心与光轴在同一直线上，并处于物镜焦面的两边，根据需要也可以一图案片在焦面上，另一图案片在焦面与聚光系统之间，具体视投射距离及图案放大率而定。其中图案片7靠近物镜作为前图案片，图案片8作为后图案片。

参见图5，本实例中的图案片7(即前图案片)具体为圆形片结构(即圆盘结构)，其上设置有相应的图案11和通孔12，其中图案11以图案片7的中心为圆心，由里到外呈多层同心圆周分布，且图案片7的中心设置图案11；通孔12同样以图案片7的中心为圆心，由里到外呈多层同心圆周分布。在本实例中图案11和通孔12的分布圆周之间由里到外依次相间。

对于图案片7上设置的图案11的形式，可根据需要显示的效果，采用对应的设计方案。例如，图示方案中根据“星光闪烁”的显示效果，图案11采用中所示的星光形式设计。

参见图6，本实例中的图案片8(即后图案片)具体为圆盘结构，其上相对于图案片7上的通孔12和图案11对应的设置有相应的图案13和通孔14。同样的通孔14同样以图案片8的中心为圆心，由里到外呈多层同心圆周分布，且图案片8的中心设置通孔14；图案13以图案片8的中心为圆心，由里到外呈多层同心圆周分布；在本实例中图案13和通孔14的分布圆周之间由里到外依次相间。

对于图案片8上设置的图案13的形式，可根据需要显示的效果，采用对应的设计方案。例如，图示方案中根据“星光闪烁”的显示效果，图案13采用中所示的星光形式设计。

如此设置的前图案片7和后图案片8在相对安置时，前图案片7上的图案11与后图案片8上的通孔14在同一圆周上，同样的，前图案片7的通孔12(应该比较大，即必须大于光束通过后片图案到达前片的光斑)与后图案片8的图案13也在同一圆周上。

物镜5的焦面处于前后图案片之间，根据‘星光闪烁’的需要，焦面置于前图案片7位置，后片视投射距离等因素调整与前片的距离。

最后，前图案片7和后图案片8各自连接步进电机9、10，并在电机9、10的驱动下，分别沿圆周方向或不同速或反向转动，即绕光轴转动。

同时，光源LED发光，当光束通过后片上的通孔照明前片上的图案，该图案通过物镜5成像在屏幕上，出现明亮清晰的图案像，相应光束照明并通过后片上的图案后再通过前片上的通孔投射，后片上的图案被物镜成比较虚的像，屏幕出现有层次的图像，步进电机转动时便形成交变的有层次的像。

本实例中将前片放在物面上的，后片放在前片和聚光镜之间的合适位置。该两片图片分别由各自的步进电机带动，前片通过物镜后成像清晰，图片上图像与后片上的通孔在同一圆周上，光通过后片上的通孔照明前片上的图案；相应的后片上的图案经照明后通过前片相应通孔后经物镜投射到屏幕上，由于后片的图像不在物面上，其所形成的象是不太清清晰的，比较虚的。

这样，当两片分别转动(转速是不一样的)时，当前片的图案对上后片上的通光孔时，在屏幕上出现图像成像很清晰，而且明亮，同时后片上的图案对上前片的通光孔时，后片上的图案成像有点虚，而且亮度低(通常图案比较小)，由此，当电机工作时，屏幕上的图像不断变化，而且亮度不一样，清晰度也不一样，其效果感觉是太空中星星闪烁。

在上述实例方案的基础上，本领域的技术人员还可以通过采用不同的光源或/和不同的光学结构，来达到不同的功能，以满足不同的需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种交变图案成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：

光源模块；

交变图案发生器，所述交变图案发生器置于光源的光路中，以产生交变图案；其上设有用作交变的图案，该交变图案包括至少两个不在同一个垂直于光轴的平面上的图案，该交变图案发生器整体置于光源的光路中，以产生交变图案；所述交变图案发生器采用中空的、有图案的圆柱形滚筒，该中空的圆柱形滚筒的表面刻有用作交变的图案，由此设置的圆柱形滚筒在使用时，其有前后两部分被照明，两个被照明的区域分别具有两个图案，这两个图案在随滚筒自转时，其运动的方向相反；该圆柱形滚筒整体置于成像器的光路中，让其处在照明模块的前面，圆柱形滚筒进行转动时，滚筒表面上的透明图案通过成像器投射到屏幕上，由于处于光路中的滚筒有前后两面被照明，而且因为滚筒在转动，屏幕上的像不断在变动，再则两面不是处于同一面上，两个面上的图案像清晰程度是不一样的，使图像具有层次感；

成像器，所述成像器与交变图案发生器配合，对其产生的变图案进行投射成像。

2.根据权利要求1所述的一种交变图案成像系统，其特征在于，所述光源模块包括至少一个光源体，所述光源体由LED光源和设置在其上的光处理部件组成。

3.根据权利要求2所述的一种交变图案成像系统，其特征在于，所述光源模块中的光源体为多个时，呈直线分布。

4.根据权利要求2所述的一种交变图案成像系统，其特征在于，所述LED光源为单个LED发光源或集成LED发光源。

5.根据权利要求2所述的一种交变图案成像系统，其特征在于，所述光处理部件为椭球面反光镜或非球面聚光镜组。

6.根据权利要求1所述的一种交变图案成像系统，其特征在于，所述成像器为物镜，且交变图案发生器上的图案分布在物镜焦平面的两侧。