一种开普勒式光束成像图案灯
1.本技术是申请号为202010692936.0、申请日为2020年07月17日、发明名称为“一种开普勒式光束成像图案灯”的中国申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及图案灯技术领域，具体涉及一种投射图案丰富且图案切换自如的开普勒式光束成像图案灯。
背景技术：
3.图案灯运用光学镜头投影原理，采用各种高亮度、大功率光源，通过对菲林图案、镂空金属图案或玻璃图案照射实现对图像的放大投影成像效果，其能够在目标面投影成像出图案、文字等，同时能够通过光的形式把商家最新的创意、最新的促销信息、最新的产品展示投影在墙上、地板上，并可以在这些地方上打上与现场或时节气氛相符合的图案，来增加或加强现场效果，给人一种全新的快乐或喜庆的感觉。
4.近几年随着照明市场的发展，对光束、图案清晰度、亮度、均匀度、光的形态要求越来多；常规产品角度大、图案变形、图案和光的形态不能任意改变。目前图案灯一般采用菲林图案、镂空金属图案和玻璃图案涉及，存在图案单一的不足，纵然部分产品通过机械控制实现了图案切换，但所能投射的图案数量也是屈指能数。此外，加入机械控制图案切换后，试用过程中组件受热升温，不仅减损构件只用寿命，且影响图案显示效果。
5.因此，目前需要一种投射图案丰富、图案切换自如、能自动降温控温的图案灯。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于提供一种开普勒式光束成像图案灯，目的在于解决现有技术中常规光束投光灯或图案灯都是分别以单独产品存在、通过电子机械变焦和手动变焦来实现光斑和形态改变导致变焦精度不高、图案精细度不高、图案形态不能任意变化、不适合大批量生产的问题，以及加入机械控制图案切换后，试用过程中组件受热升温，不仅减损构件只用寿命，且影响图案显示效果的技术难题。
7.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种开普勒式光束成像图案灯，包括壳体和内置组件，其特征在于：所述内置组件依次包括光源组件、聚光透镜组、液晶显示组件、电子制冷组件和收光透镜组；所述聚光透镜组包括若干级聚光镜和对应的固定件；所述液晶显示组件包括液晶显示屏，其周围敷设微型温度传感器；所述电子制冷组件为半导体制冷片，其中心设通光孔；所述液晶显示组件和电子制冷组件通过导热板进行固定，所述导热板的中间位置为三层导热板构造，形成上下两个安装腔，所述液晶显示组件嵌设于下安装腔内，所述电子制冷组件嵌设于上安装腔内；三层导热板构造中心分别开设通光孔；所述收光透镜组包括若干级聚光镜和对应的固定件；所述壳体顶部设出光孔，侧面设有电器盒，所述电器盒内设电源和控制模块，所述控制模块分别与液晶显示组件、电子制冷组件和电源电连接；光线从光源组件发出，经聚光透
镜组聚光后，从导热板底部中心的通光孔射向液晶显示组件，后经收光透镜组形成平行光线，从出光孔射出到目标面，显示液晶显示组件上的图案。
8.其中，所述控制模块包括液晶屏图案显示控制模块和温度控制模块；所述液晶屏图案显示控制模块与液晶显示组件电连接，控制液晶显示屏上发光图案的大小和形状；所述温度控制模块分别与电子制冷组件和液晶显示组件的微型温度传感器电连接，通过液晶显示组件、导热板和电子制冷组件之间的热传导实现液晶显示组件的温度控制。
9.进一步优选的，所述液晶显示组件的液晶显示屏为透明显示屏，其与导热板通光孔对应的区域分为透光区和吸光区，透光区的集合即为待投射图案；照射在透光区的光线穿过液晶显示屏并最终投射到目标面，照射在吸光区的光线被透明显示屏吸收。
10.作为本发明的预选技术方案，所述导热板为高导热铜板，其外围为单层或上下双层铜板结构，并通过固定件与壳体固定；所述液晶显示组件和电子制冷组件与围合形成安装腔的导热板紧密贴合，实现热传导。
11.进一步优选的，所述聚光透镜组包括2～3个正透镜，为球面透镜、非球面透镜或球面透镜与非球面透镜的组合，其折射率范围为1.67～1.73，色散系数范围为28.3～55.45。
12.进一步优选的，所述收光透镜组包括依次靠近出光孔依次设置的一级收光镜片组、二级收光镜片组和出光镜片组；所述一级收光镜片组、二级收光镜片组和出光镜片组分别包含1～3片正透镜，所述正透镜为球面透镜或非球面透镜，其折射率范围为1.67～1.73，色散系数范围为28.3～55.45。
13.进一步优选的，所述出光镜片组的固定件为位置可调构件，带动出光镜片组与液晶显示组件的距离调整，发挥调焦镜作用。
14.进一步优选的，所述聚光透镜组和收光透镜组的所有透镜均为平凸透镜，其靠近电源侧为平面镜，靠近出光孔侧为凸面镜。
15.进一步优选的，所述壳体为长方体或圆柱体结构，其壳体和内部固定件为不锈钢或铝材结构，外侧安装有支撑架。
16.更优选的，所述光源组件设于壳体底部，为led光源，其底部铜基板与设于壳体底部外侧的散热器固连。
17.与现有技术相比，本发明实现了光束灯和图案灯的合体设计，技术优势在于： 1、本发明利用液晶显示屏来实现光束角变化和图案形态变化，图案源数据直接写入透明液晶屏控制模块实现快速显示及快速矫正图案，液晶显示屏为透明显示屏，用于接收图案信息，且接收图案信息后会划分为透光区和吸光区，其中透光区的集合构成了待投射图案；当光源照射在透明显示屏上时，照射在吸光区的光线会被透明显示屏吸收，照射在透光区的光线会穿过透明显示屏并最终投射在目标面上，吸光区光线变暗，透光区光线变强，对比度增大使得图案边界更清晰； 2、本发明增加导热板和电子制冷片作为透明液晶屏的降温器件，有效克服液晶屏耐温问题，光源投射在吸光区的光线被透明显示屏吸收后会转化为热，从而会导致透明显示屏温度过高，进而会影响透明显示屏乃至投影灯整体的寿命，增加高导热铜板和电子制冷片作为透明液晶屏的降温器件，将透明液晶屏的温度控制在65℃以下、保证其产品性能和使用寿命； 3、在光源和透明显示屏之间增加聚光模组，有效克服光源在投射至透明显示屏
的过程通常不够聚集，即光源发射的光线无法全部投射在透明显示屏上，而光损会导致投射在目标面上的图案不清晰的技术问题； 4、本发明通过液晶显示组件和收光透镜组配合，协同调整液晶显示组件上发光图案的光孔大小和形状，以及透镜与液晶显示屏、目标面的距离，保证光线投射到目标面时的垂直性，保证图像按原来的几何比例重现，有效解决成像畸变产生的一系列问题。
附图说明
18.图1为本发明涉及的一种开普勒式光束成像图案灯的顶面整体构造示意图；图2为本发明涉及的一种开普勒式光束成像图案灯的底面整体构造示意图；图3为本发明涉及的一种开普勒式光束成像图案灯的内部构造示意图；图4为本发明涉及的一种开普勒式光束成像图案灯的内部光学组件布置图；图5为本发明涉及的液晶显示组件与电子制冷组件的安装示意图；图6为本发明涉及的导热板的立体结构示意图；图7为本发明涉及的导热板与壳体的配合连接示意图；图8为本发明涉及的液晶显示组件、电子制冷组件和导热板之间的热量传导示意图；图9为本发明涉及的一种开普勒式光束成像图案灯的光线走向示意图；图10为本发明涉及的散热器的结构示意图；图11为本发明涉及的一种开普勒式光束成像图案灯的控制模块图；图12为本发明涉及的图案灯水平投射示意图；图13为本发明涉及的图案灯偏移水平面的投射示意图。
19.附图标记：1-光源组件、2-聚光透镜组、3-液晶显示组件、3.1-微型温度传感器、4-电子制冷组件、5-收光透镜组、5.1一级收光组件、5.2-二级收光组件、5.3-出光组件、6-出光口、7-壳体、8-支撑架、9-电器盒、9.1-电源、9.2-液晶屏显示控制模块、9.3-制冷组控制模块、10-散热器、11-导热板。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1和图2所示，本发明涉及的开普勒式光束成像图案灯，包括壳体7和内置组件，壳体7为长方体或圆柱体结构，其壳体和内部固定件为不锈钢或铝材结构，外侧安装有支撑架8。内置组件依次包括光源组件1、聚光透镜组2、液晶显示组件3、电子制冷组件4和收光透镜组5；光源组件1设于壳体7底部，为led光源，其底部铜基板与壳体7底部外侧的散热器10固连。
22.如图3和图4，聚光透镜组2包括若干级聚光镜和对应的固定件；聚光透镜组2包括2～3个正透镜，为球面透镜、非球面透镜或球面透镜与非球面透镜的组合。本实施例采用包含3片聚光镜片和相应的固定件组成，其中聚光镜片可是球面透镜也可以是非球面透镜或
者是球面透镜和非球面透镜的组合，优选的采用非球面透镜，采用的光学玻璃可以是低折射率高色散系数的光学玻璃如h-k9l(nd＝1.5168，vd＝64.2)，也可以是高折射率低色散系数的光学玻璃如h-zf4nd＝1.72828，vd＝28.32，优先采用高折射率光学玻璃。
23.液晶显示组件3包括液晶显示屏，其周围敷设微型温度传感器；液晶显示组件3的液晶显示屏为透明显示屏，其与导热板11通光孔对应的区域分为透光区和吸光区，透光区的集合即为待投射图案；透明显示屏用于接收图案信息，且接收图案信息后会划分为透光区和吸光区，其中透光区的集合构成了待投射图案；当光源照射在透明显示屏上时，照射在吸光区的光线会被透明显示屏吸收，照射在透光区的光线会穿过透明显示屏并最终投射在目标面上。
24.如图5-7，液晶显示组件3和电子制冷组件4通过导热板11进行固定，导热板11的中间位置为三层导热板构造，形成上下两个安装腔，液晶显示组件3嵌设于下安装腔内，电子制冷组件4嵌设于上安装腔内；三层导热板构造中心分别开设通光孔；导热板11为高导热紫铜板，导热系数为386.4w/(m.k)，电阻率(20℃时)为0.018ω
·
mm2/m，厚度2mm，其外围为单层或上下双层铜板结构，其通过固定件与壳体7固定，与不锈钢或铝外壳过赢铆压结合，把相关热量传导到壳体上。液晶显示组件3和电子制冷组件4与围合形成安装腔的导热板紧密贴合，实现热传导。
25.如图8，电子制冷组件4为半导体制冷片，其中心设通光孔，半导体致冷片由许多n型和p型半导体之颗粒互相排列而成，n型材料有多余的电子，有负温差电势，p型材料电子不足，有正温差电势；当电子从p型穿过结点至n型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从n型流至p型材料时，结点的温度就会升高。把一个p型半导体元件和一个n型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移，在上面的接头处，电流方向是从n至p，温度下降并且吸热，这就是冷端；而在下面的一个接头处，电流方向是从p至n，温度上升并且放热，因此是热端，n/p之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。电子制冷片采用半导体制冷原理制成的电子制冷器件。本发明产品热量传导图如9所示，具体步骤为：1)透明液晶显示器产生的热传导给导热铜板；2)导热铜板将吸收的热传导给电子制冷模块的制冷面；3)电子制冷模块的通过n型电子和p型电子将热传递模块另一面，传递个导热铜板；4)导热铜板2再将热量传递给结构外壳。
26.收光透镜组5包括若干级聚光镜和对应的固定件；收光透镜组5包括依次靠近出光孔6依次设置的一级收光镜片组5.1、二级收光镜片组5.2和出光镜片组5.3。一级收光镜片组5.1、二级收光镜片组5.2和出光镜片组5.3分别包含1～3片正透镜，正透镜为球面透镜或非球面透镜。出光镜片组5.3的固定件为位置可调构件，带动出光镜片组5.3与液晶显示组件3的距离调整，发挥调焦镜作用。
27.一级收光镜片组5.1由一级收光镜片组及固定一级收光镜片组的结构件组成。一级收光镜片组可以是一片光学玻璃镜片也可以是多片光学玻璃镜片的组合，光学玻璃镜片的面型可以是球面面型也可以是非球面面型，优选采用球面面型；一级收光镜片组采用的光学玻璃的材质可是是低折射率高色散系数的材质，也可以是高折射率低色散系数的材质，优先采用低折射率高色散系数的光学玻璃如h-k9l(nd＝1.5168，vd＝64.2)。
28.收光镜模组二5.2由二级收光镜片组及固定二级收光镜片组的结构件组成。二级收光镜片组可以是一片光学玻璃镜片也可以是多片光学玻璃镜片的组合，光学玻璃镜片的面型设计可以是球面面型设计也可以是非球面面型设计，优选采用球面面型设计；二级收光镜片组采用的光学玻璃的材质可是是低折射率高色散系数的材质，也可以是高折射率低色散系数的材质，还可以是低折射率高色散系数和高折射率低色散系数的组合，优选采用低折射率高色散系数和高折射率和低色散系数组合，如光学玻璃如h-k9l(nd＝1.5168，vd＝64.2)和h-zf4(nd＝1.72828，vd＝28.32)的组合。
29.出光镜片组5.3由出光镜片组及固定出光镜片组的结构件组成。出光镜片组可以是一片光学玻璃镜片也可以是多片光学玻璃镜片的组合，光学玻璃镜片的面型设计可以是球面面型设计也可以是非球面面型设计，优选采用球面面型设计；出光镜片组采用的光学玻璃的材质可是是低折射率高色散系数的材质，也可以是高折射率低色散系数的材质，还可以是低折射率高色散系数和高折射率低色散系数的组合，优选采用低折射率高色散系数，如光学玻璃如h-k9l(nd＝1.5168，vd＝64.2)。
30.此外，出光镜片组也可作为调焦镜使用，通过调节出光镜片组5.3到通光孔或图案的距离d，使得目标面与出光镜片组5.3距离f不同时，均能够在15目标面上得到清晰可见的通过孔或图案的像。本实施例中，聚光透镜组2和收光透镜组5的所有透镜均为平凸透镜，其靠近电源侧为平面镜，靠近出光孔侧为凸面镜。
31.壳体7顶部设出光孔6，侧面设有电器盒9，电器盒9内设电源和控制模块，控制模块分别与液晶显示组件3、电子制冷组件4和电源电连接。壳体7还包括钢化玻璃、面盖、防水胶圈、壳体、电源盒和各类透镜固定支架；壳体为中空结构，壳体具有第一端口和第二端口，面盖固定在第一端口上，散热器固定在第二端口上，散热器结构如图9；光源、聚光透镜、防水胶圈和透镜固定支架均位于壳体内；钢化玻璃安装在面盖上；面盖和壳体之间设置有防水胶圈；电源盒安装在壳体上；支架固定在壳体上；透镜固定支架用于固定指定的聚光透镜；壳体和散热器之间设置有防水胶圈。
32.如图10，聚光透镜组2将光源组件1发出的光线进行聚焦，汇聚到导热板11通光孔或液晶显示屏的图案所处位置，一级收光镜片组5.1将通过通光孔或图案位置的光线进行一级收光，缩小光束角度，二级收光镜片组5.2将一级收光镜片组5.1发出的光束进行二级收光，进一步缩小光束角，出光镜片组5.3将二级收光镜片组5.2发出的光束进行三级收光，投射到目标面上。最终显示液晶显示组件3上的图案。
33.本发明光学模组的优势在于，通过聚光器多片镜片的设计将光源发出的光高效取出。将光效汇聚于通光孔或图案位置，然后再通过多组镜片组合设计，分级逐步收小光束，使得投射到目标面上的通光孔或图案清晰可见无色差。输出光效高，光束角小1.5
°
～2
°
。目标面可是一任何物体表面，且到出光镜片组5.3的优选的距离f为3米～500米。
34.如图11，控制模块包括液晶屏图案显示控制模块和温度控制模块；液晶屏图案显示控制模块与液晶显示组件3电连接，控制液晶显示屏上发光图案的大小和形状，具体利用透明液晶显示屏实现光束角变化的方法此处不再赘述；温度控制模块分别与电子制冷组件4和液晶显示组件3的微型温度传感器3.1电连接，通过液晶显示组件3、导热板11和电子制冷组件4之间的热传导实现液晶显示组件3的温度控制。控制模块的具体作用方式为现有成熟技术，此处不再赘述。
35.此外，本发明通过液晶显示组件和收光透镜组配合，协同调整液晶显示组件上发光图案的光孔大小和形状，以及透镜与液晶显示屏、目标面的距离，保证光线投射到目标面时的垂直性，保证图像按原来的几何比例重现，有效解决成像畸变产生的一系列问题。
36.成像产品图像在投射到应用面时，最理想的位置是能垂直于平面，这样才能保证图像能按原来的几何比例重现。然而在成像产品的实际运用中，受到安装位置、投射距离的限制，成像产品与水平面成一定角度安装。这种角度的存在会造成一定的成像畸变，图像的畸变会产生一系列问题。针对图像畸变产生的问题，需要运用图像畸变的矫正算法，调整图像形态；根据光直线传播特性，光与水平方向存在一定夹角的情况下，图像会发生畸变。
37.如图12和图13所示，图12中图案灯水平放置，图13中图案灯向上倾斜放置，两幅图左侧部分为投影侧视图，右侧为正视图，o为灯具出光口，a为出光角度，m为成像中心，h为成像投影距离，om为成像投影中心距离，a为图像底部右侧最外侧点，c为图像左侧底部最外侧点，b为图像顶部右侧最外侧点，d为图像左侧顶部最外侧点，e为图像底部中心点，f为图像顶部中心点。
[0038] 成像图案产生畸变主要是两种，即横向畸变和纵向畸变，则纵向畸变关系通过如下一组公式导出： a＝m-tan(α/2)*h
ꢀꢀ
(一) b＝m+tan(α/2)*h
ꢀꢀ
(二) m
′
＝m+tan(β)*h
ꢀꢀ
(三) 当(α/2)≥β时：当(α/2)≥β时： 当(α/2)＜β时：当(α/2)＜β时：其中，上述公式(一)至(七)中，a、a’为图像底部右侧最外侧点a和点a’的y轴坐标值，b、b’为图像顶部右侧最外侧点b和点b’的y轴坐标值，m、m’分别为成像中心点m和点m’的y轴坐标值，h为成像投影距离，a为出光角度，β为图13中图案灯偏移水平面的角度。
[0039]
横向畸变关系推导如下：横向畸变关系推导如下：横向畸变关系推导如下： c
′e′
＝e
′a′ꢀꢀ
(十一) d
′f′
＝f
′b′ꢀꢀ
(十二)
上述公式(八)至(十四)中，a、a’为图像底部右侧最外侧点a和点a’的x轴坐标值，b、b’为图像顶部右侧最外侧点b和点b’的x轴坐标值，c、c’为图像底部右侧最外侧点c和点c’的x轴坐标值，d、d’为图像底部右侧最外侧点d和点d’的x轴坐标值，m、m’分别为成像中心点m和点m’的x轴坐标值，h为成像投影距离，a为出光角度，β为图13中图案灯偏移水平面的角度。
[0040]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。