CN110260186B - 一种大面积清晰均匀的倾斜投影照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积清晰均匀的倾斜投影照明装置。包括电路板、LED光源、准直透镜和微透镜阵列组合，微透镜阵列组合包括相对布置的第一第二微透镜阵列以及位于第一第二微透镜阵列之间的微图案阵列遮光层；LED光源安装于电路板上，LED光源、准直透镜、第一微透镜阵列、微图案阵列遮光层、第二微透镜阵列沿光轴方向依次布置；LED光源发出的光线经过准直透镜后以平行光束射出，垂直射入第一微透镜阵列，再经过微图案阵列遮光层从第二微透镜阵列出射到成像面上。本发明可实现更长的景深，斜射时近处和远处的图案都很清晰；可通过改变每一个微图案的形状使更多光束照射到远处，使成像面上无论距离投影装置远近的图像亮度一致。

Description

一种大面积清晰均匀的倾斜投影照明装置
技术领域
本发明涉及一种倾斜的投影照明装置，特别涉及使用微透镜阵列和微图像阵列来实现大面积清晰均匀倾斜式投影照明的装置。
背景技术
投影技术被广泛地应用在图像显示、迎宾照明、舞台照明等领域。传统的方式是通过透镜组合和菲林片的结构来实现图像投影和照明功能的。菲林片是常用的一种胶片，上面带有设计好的图案，像照片的底片一样。光源透过一组透镜的整合后照射在菲林片上，再通过另一组透镜的折射把菲林片上的图案呈现到成像面上。
这种传统的方式很简单，但有很多应用上的限制。如图1所示，这种传统投影方法的景深很小，投射出的图像只有在焦点处才会清晰，离开焦点一定距离上的图像就会变得模糊。因此这种方法只适合正面投影照明。如果使用这种方法进行倾斜投影照明，成像面到投影装置的距离不同，那图像只有在距离等于焦距的时候清晰，其他地方都不清晰。而且在大面积投影照明时，距离越远图像的亮度也会越低，效果也会越来越不好。
在许多情况下，投影装置只能倾斜于成像面摆放或安装。这样就需要新的方法来实现当投影装置与成像面成一定角度(0-90°)倾斜时，尽管投影装置距成像面上不同位置的距离并不一致，但也能在成像面上实现大面积的、清晰的、亮度均匀的投影图像。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是利用微透镜阵列和微图案阵列的组合，提供一种新的能实现大面积、清晰、亮度均匀的倾斜式投影照明结构。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明包括电路板、LED光源、准直透镜和微透镜阵列组合，微透镜阵列组合包括相对布置的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列以及位于第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间的微图案阵列遮光层；LED光源安装于电路板上， LED光源、准直透镜、第一微透镜阵列、微图案阵列遮光层、第二微透镜阵列沿光轴方向依次布置；LED光源发出的光线经过准直透镜后以平行光束射出，垂直射入第一微透镜阵列，再经过微图案阵列遮光层，最后从第二微透镜阵列出射到成像面上。
大面积是指边长一米以上。
所述的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列均由数个微透镜在垂直于光轴的平面阵列排布而成，微图案阵列遮光层由数个带有微图案的遮光片在垂直于光轴的平面阵列排布而成，微图案阵列遮光层的各个遮光片上只有微图案的部分透光，微图案以外的部分不透光，且各个遮光片上的微图案形状不同/不完全相同，使得在不垂直于光轴的成像面上的成像清晰并且保持远近亮度一致。
在两个微透镜阵列中间夹着一层带有微图案阵列遮光层，微图案阵列遮光层中只有微图案部分透光，其他部分不透光，而且微图案阵列遮光层中的每一个微图案都不一样。
每一对微透镜对应一个微图案，也就是说在两个微透镜阵列中间夹着多个不同的微图案。与照射在成像面上的完整图案相比，大多数微图案都只是其中的一部分。通过调整不同遮光片上的各个微图案形状，能使较多光束照射到成像面较远的地方，而较少光束照射到成像面较近的地方。这样就可以避免远处比近处昏暗的问题，使成像面上的图案亮度均匀分布，实现远近同样明亮炫目清晰的效果。
第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中的微透镜以及微图案阵列遮光层的遮光片数量相同，第一微透镜阵列和第二微透镜阵列排布以微图案阵列遮光层对称，光线入射到第一微透镜阵列的一个微透镜后汇聚经对应的微图案阵列遮光层遮光片遮罩部分光路后再经对应的第二微透镜阵列微透镜后汇聚出射。
所述的准直透镜两侧表面分别为平面和凸面，凸面背向LED光源。
所述的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中的微透镜的两侧表面分别为平面和凸面：第一微透镜阵列的微透镜的平面背向准直透镜和LED光源，凸面朝向准直透镜和LED光源；第二微透镜阵列的微透镜的平面朝向准直透镜和 LED光源，凸面背向准直透镜和LED光源。
所述的微透镜阵列组合可替换为一个双面微透镜阵列镜片和在双面微透镜阵列镜片中间夹着一层带有微图案阵列的遮光层的微透镜结构。
本发明的有益效果是：
本发明当倾斜投射时，每一对微透镜加一个微图案都可以在成像面投射一个相对微弱的图案，而将这些图案叠加到一起便可以形成整体的投影效果。这种投影方式可以实现更长的景深，斜射时近处和远处的图案都可以很清晰，从而实现实现大面积、清晰、亮度均匀的倾斜式投影照明，能用于灯具照明等技术领域。
另外，可以通过改变每一个微图案的形状使更多光束照射到远处，使成像面上无论距离投影装置远近的图像亮度一致。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，队于本领域不同技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统投影装置的原理图；
图2为本发明投影装置的原理图；
其中图2(a)是单个微透镜的成像原理；图2(b)是多个微透镜的成像原理。
图3为微图案阵列中几个微图案设计举例；
图4为该新型投影照明装置的第一种实施方式结构示意图；
图5为该新型投影照明装置的第二种实施方式结构示意图。
图中：电路板(1)、LED光源(2)、准直透镜(3)、第一微透镜阵列 (4)、微图案阵列遮光层(5)、第二微透镜阵列(6)、双面微透镜阵列镜片(7)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明装置的原理如图2(a)和图2(b)所示。在图2(a)中可以看到，每个微透镜的通光孔径都很微小(一般情况小于1mm)，成像的景深变得很长。因此，焦点前后很长范围内的投影图像都可以很清晰。
在图2(b)中可以看到，当光通过多组微透镜和微图案从不同位置和角度同时投影成像时，在焦距的前后会产生图像叠加。通过图像叠加会使在焦距的前后位置上产生的图像和在焦点处的图像大小更接近。在微透镜阵列和微图案阵列中的微透镜和微图案数量越多，在偏离焦点距离上的叠加图像就却清晰，而且大小也越接近焦点处的图像。
另外，如果对应每一对微透镜使用同样的微图案，在倾斜投影照明时，距离投影装置近的地方光会比较强，而距离投影装置远的地方光会比较弱。这样形成的图像就会近处更亮而远处更昏暗。在此发明中，是通过设计不同的微图案的形状，可以使较多光束照射到成像面较远的地方，而较少的光束照射到成像面较近的地方。
如图4和图5所示，具体实施的装置包括电路板1、LED光源2、准直透镜3和微透镜阵列组合/微透镜结构，微透镜阵列组合包括相对布置的第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6以及位于第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6 之间的微图案阵列遮光层5；微透镜结构包括一个双面微透镜阵列镜片7和在双面微透镜阵列镜片7中间夹着一层带有微图案阵列的遮光层5的微透镜结构。 LED光源2安装于电路板1上，LED光源2、准直透镜3、第一微透镜阵列4、微图案阵列遮光层5、第二微透镜阵列6沿光轴方向依次布置；LED光源2发出的光线经过准直透镜3后以平行光束射出，垂直射入第一微透镜阵列4，再经过微图案阵列遮光层5，最后从第二微透镜阵列6出射到成像面上，具体实施中成像面可以不垂直于光轴。
第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6均由数个微透镜在垂直于光轴的平面阵列排布而成，微图案阵列遮光层5由数个带有微图案的遮光片在垂直于光轴的平面阵列排布而成，微图案阵列遮光层的各个遮光片上只有微图案的部分透光，微图案以外的部分不透光，且各个遮光片上的微图案形状不同/不完全相同，使得在不垂直于光轴的成像面上的成像清晰明亮并且保持远近亮度一致。
第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6中的微透镜以及微图案阵列遮光层 5的遮光片数量相同且一一对应，第一微透镜阵列4的微透镜、微图案阵列遮光层5的遮光片和第二微透镜阵列6的微透镜布置在平行于光轴的同一直线上，第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6排布以微图案阵列遮光层5对称，光线入射到第一微透镜阵列4的一个微透镜后汇聚经对应的微图案阵列遮光层5遮光片遮罩部分光路后再经对应的第二微透镜阵列6微透镜后汇聚出射。
具体实施中，准直透镜3两侧表面分别为平面和凸面，平面朝向LED光源 2，凸面背向LED光源2。
第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6中的微透镜的两侧表面分别为平面和凸面：第一微透镜阵列4的微透镜的平面背向准直透镜3和LED光源2，凸面朝向准直透镜3和LED光源2；第二微透镜阵列6的微透镜的平面朝向准直透镜3和LED光源2，凸面背向准直透镜3和LED光源2。
具体实施中，第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6由几十、几百甚至几千个圆形凸微透镜组成。微透镜以三角结构平面阵列排布，如图3所示的排列成六角形，圆心之间的角度为60度。
每一对微透镜对应一个微图案，也就是说在两个微透镜阵列中间夹着几十、几百甚至几千个不同的微图案。与照射在成像面上的完整图案相比，大多数微图案都只是其中的一部分。
对于不垂直于光轴的倾斜成像面上，具体实施在成像面的较远处显示内容在微图案的透光设置更多，在成像面的较近处显示内容在微图案的透光设置更少。可以设置为图案数量的阶梯式递增/递减显示区域，如图3(b)所示，比如整体投影图案为Happy的英文字母。而微图案组合中，有一部分含有appy 的图案，一部分含有ppy的图案，而另一部分只含有py，如图3(a)所示。当确定了从准直透镜射出的平行光与成像面角度以及成像图像大小后，可以根据光束照射到成像面上不同位置的能量差，来确定微图案阵列中每个微图案占完整图案多大一部分。这些不同微图案的排列可以是随机的，没有顺序和位置要求。这样，在倾斜投影时，远处的图案有更多投影图像的重叠，从而弥补远距离光弱的现象。
图3举了一个不同微图案设计的例子。与投射在成像面上的完整图案相比，大多数微图案都只是其中的一部分。
实施例1
本发明的第一种实施方式见图4。这种实施方式的核心元件包括一个电路板1、一个LED光源2、一个准直透镜3和微透镜结构，微透镜结构为一个双面微透镜阵列镜片7和在双面微透镜阵列镜片中间夹着一层带有微图案阵列的遮光层5的微透镜结构。准直透镜3安装在LED光源2的前方，双面微透镜阵列镜片7安装在准直透镜3的前方。
双面微透镜阵列镜片的每一侧都很多相同的微透镜，两侧的微透镜数量相同，一一对应。每个微透镜的直径小于1mm。
在双面微透镜阵列镜片中间夹着一层带有微图案阵列的遮光层。每一对微透镜对应一个微图案。图案部分透光，其他部分不透光。而微图案阵列中的每一个微图案都不一样。
每一对微透镜加一个微图案，都可以在成像面上投射出一个相对微弱的图案，而将这些图案叠加到一起便可以在成像面上形成整体的投影效果。
第一种实施方式虽然结构较简单，但把一对微透镜和微图案阵列集成到一个光学元件里，加工难度比较大。
实施例2
本发明的第二种实施方式见图5。这种实施方式的核心元件包括一个电路板1、一个LED光源2、一个准直透镜3和微透镜阵列组合，微透镜阵列组合包括相对布置的第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6以及位于第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列6之间的微图案阵列遮光层5；微图案阵列遮光层5为一个带有微图案阵列表面涂层的玻璃片。
准直透镜3安装在LED光源2的前方，两个微透镜阵列光学镜片4和6以及微图案阵列遮光片5都安装在一个安装槽内。
其中，准直透镜3的凸面背向LED光源2。第一个微透镜阵列光学镜片4 的凸面朝向准直透镜3。微图案阵列玻璃片5安装在两个微透镜阵列光学镜片 4和6之间。第二个微透镜阵列光学镜片6的凸面背向微透光片5，朝向迎宾灯外部。
两个微透镜阵列镜片上都有很多相同的微透镜，数量相同，排列相同，一一对应。每个微透镜的直径小于1mm。
微图案阵列玻璃片的一侧表面上带有微图案图层。每一个微图案对应一对微透镜。图案部分透光，其他部分不透光。而微图案阵列中的每一个微图案都不一样。
每一对微透镜加一个微图案，都可以在成像面上投射出一个相对微弱的图案，而将这些图案叠加到一起便可以在成像面上形成整体的投影效果。
以上所述，仅为本发明的两种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种大面积清晰均匀的倾斜投影照明装置，其特征在于：
包括电路板（1）、LED光源（2）、仅一个准直透镜（3）和微透镜阵列组合，微透镜阵列组合包括相对布置的第一微透镜阵列（4）和第二微透镜阵列（6）以及位于第一微透镜阵列（4）和第二微透镜阵列（6）之间的微图案阵列遮光层（5）；
LED光源（2）安装于电路板（1）上，LED光源（2）、准直透镜（3）、第一微透镜阵列（4）、微图案阵列遮光层（5）、第二微透镜阵列（6）沿光轴方向依次布置；LED光源（2）发出的光线经过准直透镜（3）后以平行光束射出，垂直射入第一微透镜阵列（4），再经过微图案阵列遮光层（5），最后从第二微透镜阵列（6）出射到成像面上；
所述的第一微透镜阵列（4）和第二微透镜阵列（6）均由数个微透镜在垂直于光轴的平面阵列排布而成，微图案阵列遮光层（5）由数个带有微图案的遮光片在垂直于光轴的同一平面阵列排布而成，微图案阵列遮光层的各个遮光片上只有微图案的部分透光，微图案以外的部分不透光，且各个遮光片上的微图案形状不同/不完全相同，使得在不垂直于光轴的成像面上的成像清晰并且保持远近亮度一致；
通过调整不同遮光片上的各个微图案形状，能使较多光束照射到成像面较远的地方，而较少光束照射到成像面较近的地方；
所述的准直透镜（3）两侧表面分别为平面和凸面，凸面背向LED光源（2）；
所述微图案阵列遮光层（5）中一部分遮光片包含整体投影图案，另一部分遮光片包含整体投影图案的一部分。
2.根据权利要求1所述的一种大面积清晰均匀的倾斜投影照明装置，其特征在于：第一微透镜阵列（4）和第二微透镜阵列（6）中的微透镜以及微图案阵列遮光层（5）的遮光片数量相同，第一微透镜阵列（4）和第二微透镜阵列（6）排布以微图案阵列遮光层（5）对称，光线入射到第一微透镜阵列（4）的一个微透镜后汇聚经对应的微图案阵列遮光层（5）遮光片遮罩部分光路后再经对应的第二微透镜阵列（6）微透镜后汇聚出射。
3.根据权利要求1所述的一种大面积清晰均匀的倾斜投影照明装置，其特征在于：所述的第一微透镜阵列（4）和第二微透镜阵列（6）中的微透镜的两侧表面分别为平面和凸面：第一微透镜阵列（4）的微透镜的平面背向准直透镜（3）和LED光源（2），凸面朝向准直透镜（3）和LED光源（2）；第二微透镜阵列（6）的微透镜的平面朝向准直透镜（3）和LED光源（2），凸面背向准直透镜（3）和LED光源（2）。
4.根据权利要求1所述的一种大面积清晰均匀的倾斜投影照明装置，其特征在于：所述的微透镜阵列组合可替换为一个双面微透镜阵列镜片（7）和在双面微透镜阵列镜片（7）中间夹着一层带有微图案阵列的遮光层（5）的微透镜结构。
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