CN110045565A - 一种新型倾斜投影成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型倾斜投影成像光学系统，具体地说是一种可使“被投影图像”不同区域分别投影在不同成像距离处的新型光学系统。传统投影、成像光学系统中，“被投影图像”通常垂直于光学投影系统光轴，且与投影光学系统焦面平行(即被投影图像面与投影系统焦面或者主面平行)，因此，经投影光学系统投影所成的“光学像”同样也垂直光学系统光轴。当投影平面与投影光学系统光轴不垂直(即不平行于光学系统焦面)时，上述系统无法在投影平面处获得较清晰的投影效果，本专利所涉及的结构可在离投影系统不同距离处均获得清晰的投影效果。该系统可广泛应用于车载投影、广告投影系统中，形成可在倾斜投影平面上清晰投影的新产品。

Description

一种新型倾斜投影成像光学系统
技术领域
本发明涉及一种新型倾斜投影成像光学系统，具体地说是一种可使“被投影图像”在倾斜面进行清晰成像的光学系统。该技术可广泛应用于车载警示灯具、车载装饰照明灯具、车载迎宾灯、广告投影灯具、室内照明装饰灯具等领域；
背景技术
随着人们生活水平的提高，各种装饰用灯大量被推广使用，其中如广告投影灯、汽车迎宾灯等更是成为行业标配。然而，现有广告灯、迎宾灯都采用同轴光学系统构成，即：被投影图像、投影光学系统焦面、投影光学系统像面(即投影平面)均相互平行，被投影图像放置于投影光学系统的某个物面处，并将目标投影平面设置于投影光学系统的像面处，物面与像面符合光学成像原理的物像关系，进而在像面处获得清晰的投影成像。
上述光学系统在目标投影平面与投影光学系统光轴垂直时，系统可以在投影平面获得非常清晰的成像效果。但当目标投影平面与投影光学系统光轴不垂直时，无论如何沿光轴如何前后移动被投影图像，都只能在特定的、与投影光学系统光轴垂直的某个像面处获得良好的效果，对于偏离这个像面的其他区域将变得模糊。
为了获得倾斜面清晰照明效果，宝马7系轿车新款迎宾灯创新性的采用微透镜阵列投影技术终于实现了倾斜面清晰照明的效果，并于2016年新推出的“天使之翼”新款迎宾灯；然而，上述迎宾灯采用微透镜作为照明模块，不仅成本昂贵，而且工艺复杂，很难在大众化、中低端车载装饰灯具中进行应用。
基于上述考虑，本专利提出一种新型倾斜投影成像光学系统，该倾斜投影成像光学系统由“照明光学系统”、“被投影图像及承载基片”、“投影成像光学系统”三部分组成。通过调整“被投影图像”的放置方式或者调整“承载被投影图像的基片”的形状等手段，可获得廉价、清晰倾斜照明光学系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种新型倾斜投影成像光学系统，获得在倾斜投影成像(投影平面与投影系统光轴不垂直)条件下，依然能够在目标投影平面获得清晰投影像的光学系统。
本发明的技术解决方案：一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征如下：
1、一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于所述的倾斜投影成像光学系统具有如下特征：该倾斜投影成像光学系统由“照明光学系统”、“被投影图像及承载基片”、“投影成像光学系统”三部分组成。“被投影图像”经“投影成像光学系统”投影成像，在“投影平面”形成清晰的投影光学像。
2、根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：权利要求1所述的“照明光学系统”可由LED、灯泡等发光源单独构成；也可以由LED灯珠与光学系统组合构成；主要用于对被投影图像进行照明；在“LED灯珠+光学系统”构成的照明光学系统中，光学系统主要用于对LED光源发出的光进行汇聚、发散或者均匀化，进而提高照射到“被投影图像”上的光强度和光均匀性。
3、根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：权利要求1所述的“被投影图像及承载基片”由承载基片及承载基片携带的“被投影图像”构成；被投影图像位于承载基片内包括但不限于承载基片的前、后、上、下、左、右表面和内部等光线穿过的位置；
4、根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：“被投影图像”不同区域(或者不同点)距离“投影成像光学系统”的焦面的光学距离不同；或者说“被投影图像”不同区域(或者不同点)位于“投影成像光学系统”物方不同的光学物面处；
5、根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：“被投影图像”不同区域(或者不同点)对于“投影成像系统”具有不同的成像距离；
6、根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：“投影成像光学系统”可由单个透镜或者两个乃至多个透镜构成的透镜组组成，其功能主要用于将“被投影图像”放大或缩小投影到“投影平面”上；
7、根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：目标“投影平面”与“投影成像光学系统”光轴不垂直，“投影成像光学系统”光轴与“投影平面”成一定夹角；
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有的市场上投影灯具都只能在垂直于投影系统光轴的投影平面内获得清晰的成像、投影效果(如附图1)。而本专利发展的新型倾斜投影成像光学系统可以在倾斜照明表面上获得清晰成像；
(2)与微透镜投影技术相比，宝马发展的微透镜投影芯片由4层微结构组成，而且微结构之间还必须满足准确的对位关系，同时芯片厚度还需要精确控制；由于微透镜尺度只有几百微米，因此，芯片结构精度与对位精度要求非常高，(对位误差不能超过1um)，这导致微透镜投影芯片难度高、生产效率低、最终成本非常高。
在照明系统相同的情况下，本专利采用传统的照明、投影系统即可，通过调整被投影图像位置与结构参数等，同样可获得优良的清晰度；同时系统具有更低的成本，更适合大批量推广。
附图说明
图1为传统投影成像光学系统的组成结构；图中1为照明光学系统，2为投影成像光学系统，3为被投影图像及承载被投影图像的基片，其中深黑颜色代表承载的被投影图像，4为投影成像光学系统焦面，5为投影平面，6为投影成像光学系统光轴；由于被投影图像与投影成像光学系统光轴垂直，因此被投影图像上每一点的物距都是相等的，被投影图像上每一点所形成的像的像距也是相等的，这就导致传统投影成像系统只能将被投影图像成像在符合光学物-像关系的特定光学像面处。
图2为实施例1中构建的倾斜投影成像光学系统；图中1为照明光学系统，2为投影成像光学系统，3为被投影图像及承载被投影图像的基片，4为投影成像光学系统焦面，5为投影平面，6为投影成像光学系统光轴；由于“被投影图像与承载基片”倾斜放置，使得被投影图像上不同区域的图像(如A点、B点)对于投影成像光学系统来讲具有不同的光学物距，进而在投影平面上(对于投影成像光学系统)不同光学像距的A1点、B1点均获得清晰的投影成像。A点与A1点、B点与B1点之间均满足投影成像光学系统的光学物距-像距成像关系。
图3为实施例2中构建的倾斜投影成像光学系统；图中1为照明光学系统，2为投影成像光学系统，3为被投影图像及承载被投影图像的基片，4为投影成像光学系统焦面，5为投影平面，6为投影成像光学系统光轴；由于“被投影图像的承载基片”进行了厚度调节，使得被投影图像上不同区域的图像(如A点、B点、C点)对于投影成像光学系统来讲具有不同的光学物距，进而在投影平面上相对于投影成像光学系统不同光学像距的A1点、B1点、C1点均可获得清晰的投影成像。A点与A1点、B点与B1点、C点与C1点之间均满足投影成像光学系统的光学物距-光学像距成像关系。
图4为实施例2中被投影图像及承载基片的几种形式。图4a为最常用的斜面形式示意图，即，通过将前后表面相互平行的承载基片调整为前后表面存在夹角的承载基片，进而改变被投影图像不同区域的等效物距，最后在倾斜面上获得清晰的投影效果。图4b为被投影图像承载基片的阶梯形式示意图，即：通过将前后表面相互平行且等距的承载基片调整为前后表面依然平行，但承载基片不同区域厚度不等，进而改变被投影图像不同区域的等效物距，最后获得在倾斜面上清晰投影的效果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
将“被投影图像承载基片进行倾斜安置”形成的倾斜投影成像光学系统。
图2为实施例1中构建的倾斜投影成像光学系统；图中1为照明光学系统，2为投影成像光学系统，3为被投影图像及承载被投影图像的基片，4为投影成像光学系统焦面，5为投影平面；本实施例中，将“被投影图像与承载基片”倾斜放置，使得被投影图像上不同区域的图像(如A点、B点)对于投影成像光学系统来讲具有不同的光学物距，进而在投影平面上相对于投影成像光学系统不同光学像距的A1点、B1点均获得清晰的投影成像。A点与A1点、B点与B1点之间均满足投影成像光学系统的光学物距-光学像距成像关系。
由于承载被投影图像的基片有一定的厚度，通过几何光学关系，我们首先找到A点、B点的位置对应的等效位置A2点、B2点，设：LA、LB分别为A2点、B2点相对于投影成像光学系统的物距；
根据A1点、B1点的像距LA1、LB1，以及投影成像光学系统的前、后焦距，前、后主面等光学参数，利用物距LA、LB与像距LA1、LB1必然满足投影成像光学系统的光学物距-像距成像关系的约束条件，即可得到物距LA、LB的数值，并确定承载被投影图像的基片位置和倾斜角度。
实施例2：
将“被投影图像承载基片进行厚度调整”形成的倾斜投影成像光学系统。
图3为实施例2中构建的倾斜投影成像光学系统；图中1为照明光学系统，2为投影成像光学系统，3为被投影图像及承载被投影图像的基片，4为投影成像光学系统焦面，5为投影平面；本实施例中，将“被投影图像与承载基片”厚度进行调整，使得被投影图像上不同区域的图像(如A点、B点、C点等)对于投影成像光学系统来讲具有不同的光学物距，进而在投影平面上相对于投影成像光学系统不同光学像距的A1点、B1点、C1点等位置均获得清晰的投影成像。A点与A1点、B点与B1点、C点与C1点之间均满足投影成像光学系统的光学物距-光学像距成像关系。
由于承载被投影图像的基片有一定的厚度，通过几何光学关系，我们首先根据经过投影成像光学系统后预期成像的A1点、B1点、C1点的像距LA1、LB1、LC1，投影成像光学系统的前、后焦距，前、后主面等光学参数，依据传统几何光学理论，确定A1点、B1点、C1点的物距LA、LB、LC，
其次，选出物距LA、LB、LC等值中最大值Lmax，将被投影图像放置于某位置处，使得被投影图像相对于投影成像光学系统的光学物距为Lmax；
第三，对于被投影图像中不符合投影成像光学系统的物像关系的区域(即被投影图像中物距不等于Lmax对应的区域)，在保证被投影图像位置不变的情况下，减小或增加基片该区域的厚度，(减薄基片相当于将折射率N的材料替换为了折射1的空气，因此等效物距将发生改变)直到使其满足投影成像光学系统物像关系；最后确定的基片形貌和位置，即能够使被投影图像在投影成像光学系统中进行倾斜面清晰成像。
实施例3：
将“被投影图像承载基片进行斜面或阶梯面厚度调整”形成的倾斜投影成像光学系统。
在实施例2中，我们可以使得被投影图形中的每一点都在倾斜面获得良好的成像；但承载被投影图像基片不同区域的厚度变化趋势将非常复杂，这对于加工和应用来讲是非常不利的。
一种折衷的考虑是：我们仅考虑被投影图像投影后像距最大、像距最小、像距为平均值的三点，假设这三个像距值对应的被投影图像上的点为AS、BS、CS；
通过将承载被投影图像的基片后表面(前表面承载被投影图像)设计为与前表面不平行的斜面，使得AS、BS、CS这三点均满足投影成像光学系统的物-像光学成像关系，分别在预期的最大像距、最小像距、平均值像距处获得清晰的成像效果。由于被投影图像上AS、BS、CS点分别对应不同的承载基片厚度值，由于空间几何中三点决定一个平面可知：根据这三个厚度值及AS、BS、CS的位置坐标、即可确定斜面的几何参数。该设计中，承载被投影图像的基片剖面示意图如图4a所示。
另一种折衷的考虑是：我们仅考虑被投影图像投影后所预期的像距最大值与像距最小值之间的几个值(比如，从像距最大值到最小值之间的5个数值)；
假设这5个像距值对应的被投影图像上的点为AS、BS、CS、DS、ES；
通过将承载被投影图像的基片后表面(前表面承载被投影图像)设计为与前表面平行但厚度不等的阶梯平面，使得AS、BS、CS、DS、ES这5点均满足投影成像光学系统的物-像光学成像关系，分别在预期的像距处获得清晰的成像效果。该设计中，承载被投影图像的基片剖面如图4b所示。
上述实施例只是本专利实施过程中的几种操作方法，本发明未详细阐述但符合本权利要求书特征的其它操作方法均属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于所述的倾斜投影成像光学系统具有如下特征：该倾斜投影成像光学系统由“照明光学系统”、“被投影图像及承载基片”、“投影成像光学系统”三部分组成。“被投影图像”经“投影成像光学系统”投影成像，在“投影平面”形成清晰的投影光学像。
2.根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：权利要求1所述的“照明光学系统”可由LED、灯泡等发光源单独构成；也可以由LED灯珠与光学系统组合构成；主要用于对被投影图像进行照明；在“LED灯珠+光学系统”构成的照明光学系统中，光学系统主要用于对LED光源发出的光进行汇聚、发散或者均匀化，进而提高照射到“被投影图像”上的光强度或光均匀性。
3.根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：权利要求1所述的“被投影图像及承载基片”由承载基片及承载基片携带的“被投影图像”构成；被投影图像位于承载基片内包括但不限于承载基片的前、后、上、下、左、右表面和内部等位置；相对于投影成像光学系统，被投影图像不同区域具有不同的成像物距值。
4.根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：“被投影图像”不同区域(或者不同点)距离“投影成像光学系统”的物方焦面的光学距离不同；或者说“被投影图像”不同区域(或者不同点)位于“投影成像光学系统”物方不同物距的光学物面处。
5.根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：将“被投影图像”不同区域(或者不同点)放置于“投影成像光学系统”不同物面处的实现手段包括但不限于“将承载被投影图像的基片沿光轴倾斜放置”、“将承载被投影图像的基片前后表面由相互平行面改为非平行面”、“调制承载被投影图像的基片厚度，使得承载被投影图像的基片不同位置具有不同的厚度”三种方法；通过改变基片放置方式、放置位置、基片形状以及被投影图像在基片中的位置(如：上、下表面和内部)的方法，使得被投影图像不同区域具有不同物距，在倾斜投影平面获得清晰的成像效果的各种光学实现形式都属于本发明专利保护的范围。
6.根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：被投影图像上不同区域的图像(如A点、B点)对于投影成像光学系统来讲具有不同的光学物距，在投影平面上对于投影成像光学系统不同光学像距的A1点、B1点均获得清晰的投影成像。A点与A1点、B点与B1点之间满足投影成像光学系统的光学物距-光学像距成像关系。
7.根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：“投影成像光学系统”可以为单个透镜构成，也可以为两个乃至多个透镜组成的透镜组构成，其功能主要用于将“被投影图像”放大或缩小投影成像到“投影平面”上。
8.根据权利要求1所述的一种新型倾斜投影成像光学系统，其特征在于：目标“投影平面”与“投影成像光学系统”光轴不垂直，即“投影成像光学系统”光轴与“投影平面”成一定夹角。
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