CN111765430B - 基于自由曲面的灯光投影装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自由曲面的灯光投影装置，其包括至少一光源和至少一自由曲面成像镜，其中所述光源用于发出光束并射入所述自由曲面成像镜的一入光面，其中所述自由曲面成像镜具有一成像面，其中所述光源发出的光束经所述自由曲面成像镜的所述成像面射出形成至少一投影光束，其中所述投影光束用于投影形成带有一标识图案的灯光影像。

Description

基于自由曲面的灯光投影装置及其应用

技术领域

本发明涉及灯光投影领域，尤其涉及一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用。

背景技术

随着汽车灯光技术的发展，汽车车灯不仅仅局限于照明用途，而对于一些能够实现投影功能的辅助车灯越来越得到人们的青睐。例如，有些辅助车灯能够在路面投影出汽车品牌或者汽车标志的影像，或者有些辅助车灯能够在汽车的前方路面的相应距离投射出不同路标的标识影像，等等，从而实现人车交互的目的。

在目前市场中，传统的具有投影功能的辅助车灯如迎宾灯，其中所述迎宾灯采用一菲林片实现图像投影效果，其中所述菲林片用于在所述迎宾灯的LED光源上对光线进行遮挡分割以显影为预定图形的影像，从而能够在路面上投影出预定图形的影像。所述迎宾灯虽然能够得到相应的投影图像，但是所述菲林片遮挡了光源的部分光线，导致了光效的降低，使得投影图像的光照亮度效果下降。也就是说，所述迎宾灯的LED光源的灯光亮度被降低，照明强度下降，而为了得到足够的灯光亮度，就必须增加所述迎宾灯的LED光源的功率，耗能较大，生产成本较大。

此外，在制造工艺上，传统的迎宾灯只能投影出一种图形的影像，影像单一，导致人车交互效果较差。而如果想要实现投影多种图形的影像，所述车辆就需要安装多种类型的迎宾灯，并由每一种类型的迎宾灯投射出相应图形的影像，不仅占用了大量的安装空间，电路复杂，而且制造成本较高。

发明内容

本发明的一个主要优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置能够投影出带有一标识图案的一灯光影像，其中所述灯光投影装置并未采用传统的菲林片，以保证所述灯光影像的照明亮度。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置被应用于一车辆，在所述车辆行驶过程中，所述灯光投影装置能够实时地在地面投影出所述灯光影像，以实现人车交互。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置能够投影出至少一种图形的所述灯光影像，从而增加人车交互的体验效果。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置能够改变光路从而投影形成所述灯光影像，因此并未降低光源的光照强度。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置能够投射出多个投影光束，其中各所述投影光束经放大、叠加后形成所述灯光影像，从而使所述灯光影像的光斑更加均匀、光效更高。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置能够实现由一个光源分别投影出多种图形的所述灯光影像，以实现人车交互。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置能够根据所述标识图案的照明光斑逆向设计成型至少一自由曲面，其中所述自由曲面通过改变光线方向实现投影具有相应的标识图案的灯光影像。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其中所述灯光投影装置能够通过点亮不同位置的光源，实现分别投影出不同图形的所述灯光影像，以实现人车交互。

本发明的另一个优势在于提供一种基于自由曲面的灯光投影装置及其应用，其结构简单，体积较小，质量轻，制造成本低。

本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。

依本发明的一个方面，能够实现前述目的和其他目的和优势的本发明的一基于自由曲面的灯光投影装置，包括：

至少一光源；和

至少一自由曲面成像镜，其中所述光源被设置于可发出光束射入所述自由曲面成像镜的一入光面的位置，其中所述自由曲面成像镜具有一成像面，其中所述光源发出的光束经所述自由曲面成像镜的所述成像面射出并形成至少一投影光束，其中所述投影光束用于投影形成带有一标识图案的灯光影像。

在一些实施例中，其中所述自由曲面成像镜的所述成像面被实施为根据所述标识图案的照明光斑逆向设计成型的一自由曲面。

在一些实施例中，其中所述自由曲面成像镜的所述成像面包括至少一自由曲面，其中所述自由曲面由多个微结构自由曲面排布组成，其中各所述微结构自由曲面分别根据所述标识图案的照明光斑被逆向设计排布。

在一些实施例中，其中所述灯光投影装置还包括一准直透镜，其中所述准直透镜被设置于所述光源与所述自由曲面成像镜之间，其中所述光源发出的光束经所述准直透镜准直后射入所述自由曲面成像镜。

在一些实施例中，其中所述自由曲面成像镜的所述入光面由多个微结构聚焦曲面排布组成，其中各所述微结构聚焦曲面分别聚焦被射入的光束并形成多个相互分离的聚焦光束，其中各所述聚焦光束分别自所述成像面射出形成多个所述投影光束，其中各所述投影光束形成多个放大、叠加的实像以供投影形成所述灯光影像。

在一些实施例中，其中所述成像面包括至少二自由曲面，其中所述光源发出的光束被可选择地经各所述自由曲面中的其中一个射出，其中各所述自由曲面分别根据不同的标识图案的照明光斑被逆向设计成型，以供可选择地投影形成不同的标识图案的灯光影像。

在一些实施例中，其中所述灯光投影装置还包括一光源控制机构，其中所述光源被实施为至少二个，其中各所述光源被分别设置于可发出光束射入对应的所述自由曲面的位置，其中所述光源控制机构被设置于可选择地控制各所述光源中的其中一个处于开启状态的位置，其中被开启的所述光源发出光束射入对应的所述自由曲面以供投影形成相应的标识图案的灯光影像。

在一些实施例中，其中所述灯光投影装置还包括一光源移动装置，其中所述光源移动装置被设置于可操作地控制所述光源在分别照明各所述自由曲面的位置之间相对移动的位置，其中所述光源在相应的位置发出光束射入相应的所述自由曲面以供投影形成相应的标识图案的灯光影像。

在一些实施例中，其中所述灯光投影装置还包括一镜片移动装置，其中所述镜片移动装置被设置于可操作地控制所述自由曲面成像镜在所述光源分别照明各所述自由曲面的位置之间相对移动的位置，其中所述自由曲面成像镜在相应的位置被所述光源发出光束射入相应的所述自由曲面以供投影形成相应的标识图案的灯光影像。

在一些实施例中，其中所述自由曲面成像镜被实施为一圆形透镜，其中所述镜片移动装置被设置于转动所述自由曲面成像镜。

在一些实施例中，其中所述自由曲面成像镜被实施为一方形透镜，其中所述镜片移动装置被设置于往返移动所述自由曲面成像镜。

在一些实施例中，其中所述自由曲面的数量选自一组：三个和四个中的其中一个。

在一些实施例中，其中各所述微结构聚焦曲面分别根据所述标识图案的照明光斑被逆向设计排布。

在一些实施例中，其中所述自由曲面成像镜还具有一反射面，其中所述光源发出的光束自所述入光面射入，经所述反射面反射，从所述成像面射出。

依本发明的另一方面，本发明进一步提供了一基于自由曲面的灯光投影装置的制造方法，包括以下步骤：

A、根据一标识图案的照明光斑，逆向设计成型至少一自由曲面成像镜的一成像面的至少一自由曲面；和

B、保持至少一光源于朝向所述自由曲面成像镜射入光束的位置，并且所述光源发出的光束从所述成像面的所述自由曲面射出以供投影形成带有所述标识图案的一灯光影像。

在一些实施例中，其还包括以下步骤：

C、保持一准直透镜于所述光源与所述自由曲面成像镜之间。

在一些实施例中，其中所述步骤A中包括以下步骤：

A1、逆向设计排布多个微结构自由曲面于所述成像面的所述自由曲面。

在一些实施例中，其中所述步骤A中还包括以下步骤：

A2、根据一第一标识图案的照明光斑，逆向设计成型所述成像面的一第一自由曲面；和

A3、根据一第二标识图案的照明光斑，逆向设计成型所述成像面的一第二自由曲面；

其中，在所述步骤B中，包括以下步骤：

B1、保持至少一光源相对位于照亮所述第一自由曲面和所述第二自由曲面的其中一个的位置。

在一些实施例中，其还包括以下步骤：

D、成型一聚焦曲面于所述自由曲面成像镜的一入光面，以供聚焦分离被射入的光束。

在一些实施例中，其还包括以下步骤：

E、成型一反射面于所述自由曲面成像镜的一入光面的异侧，以供所述光源发出的光束自所述入光面射入，经所述反射面反射，从所述成像面射出。

依本发明的另一方面，本发明进一步提供了一基于自由曲面的灯光投影装置的投影方法，包括以下步骤：

a、射入光束于一自由曲面成像镜的一入光面；

b、射出至少一投影光束于所述自由曲面成像镜的一成像面的至少一自由曲面，其中所述自由曲面根据一标识图案的照明光斑逆向设计成型；以及

c、形成一具有所述标识图案的灯光影像。

在一些实施例中，其中在所述步骤a之前还包括一步骤：

d、准直所述光束。

在一些实施例中，其中在所述步骤b之前还包括以下步骤：

e、分别聚焦所述光束于所述入光面的多个微结构聚焦曲面以供形成多个互相分离的光束。

在一些实施例中，其中在所述步骤b中包括以下步骤：

b1、射出所述投影光束于所述成像面的一第一自由曲面，其中所述第一自由曲面根据一第一标识图案的照明光斑逆向设计成型；

其中，在步骤c中，包括以下步骤：

c1、形成具有所述第一标识图案的灯光影像；和

其中，所述步骤b1被替换为：

步骤b2、射出所述投影光束于所述成像面的一第二自由曲面，其中所述第二自由曲面根据一第二标识图案的照明光斑逆向设计成型；

其中，所述步骤c1被替换为：

步骤c2、形成具有所述第二标识图案的灯光影像。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图得以充分体现。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的一灯光投影装置的结构示意图。

图2是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置被应用于一车辆的结构示意图。

图3是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置具有微结构自由曲面阵列的结构示意图。

图4A是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的一自由曲面成像镜的右视图。

图4B是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的所述自由曲面成像镜的入光面的立体示意图。

图4C是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的所述自由曲面成像镜的成像面的立体示意图。

图5A是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第一种变形实施方式的投影第一标识图案的灯光影像的结构示意图。

图5B是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第一种变形实施方式的投影第二标识图案的灯光影像的结构示意图。

图6A是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第二种变形实施方式的投影第一标识图案的灯光影像的结构示意图。

图6B是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第二种变形实施方式的投影第二标识图案的灯光影像的结构示意图。

图7A是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第三种变形实施方式的采用圆形透镜投影第一标识图案的灯光影像的结构示意图。

图7B是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第三种变形实施方式的采用圆形透镜投影第二标识图案的灯光影像的结构示意图。

图7C是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第三种变形实施方式的采用方形透镜投影第一标识图案的灯光影像的结构示意图。

图7D是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第三种变形实施方式的采用方形透镜投影第二标识图案的灯光影像的结构示意图。

图8A是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第四种变形实施方式的圆形的所述自由曲面成像镜的平面示意图。

图8B是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第四种变形实施方式的分别投影四种不同标识图案的灯光影像的平面示意图。

图8C是根据本发明的上述优选实施例的所述灯光投影装置的第四种变形实施方式的方形的所述自由曲面成像镜的平面示意图。

图9是根据本发明的一个第二优选实施例的一灯光投影装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图1至图8C所示为本发明的一个优选实施的一基于自由曲面的灯光投影装置100，其中所述灯光投影装置100包括至少一光源10和至少一自由曲面成像镜20，其中所述光源10发出的光束11经所述自由曲面成像镜20投影形成一灯光影像30，其中所述灯光影像30具有一标识图案31，其中所述标识图案31 用于被人眼观察并识别标识信息，从而实现信息交互，如图1所示。

如图2所示，在本实施例中，至少一所述灯光投影装置100被安装于一车辆 200，其中所述车辆200能够为所述灯光投影装置100的所述光源10提供电量，以使所述光源10能够保持持续发出光束11。所述灯光投影装置100的所述光源 10朝向所述车辆200的外侧持续地发出光束11，其中所述灯光投影装置100在所述车辆200的外侧的一相对间距的地面上实时地投影形成所述灯光影像30。也就是说，所述灯光投影30处于所述车辆200的外侧的地面上且与所述车辆200 保持一定的距离，从而使车内或者车外的人均能够用眼睛观察到所述灯光影像30，从而实现人车交互。

在实际应用中，所述车辆200能够被安装多个所述灯光投影装置100，其中各所述灯光投影装置100能够分别在所述车辆200的外侧的地面上投影形成带有不同的或者相同的所述标识图案31的所述灯光影像30，从而实现人车交互的多样性，提高体验效果。

值得一提的是，随着所述车辆200的行驶，所述灯光投影装置100保持与所述车辆200相对静止，其中所述灯光投影装置100始终保持朝向所述车辆200的外侧的一定间距的地面上投影形成所述灯光影像30。也就是说，所述灯光影像 30与所述车辆200保持相对静止，在行车过程中，所述灯光影像30随着所述车辆200移动，使得车内的人在行车过程中始终能够观察到相对静止的所述灯光影像30，而车外的人观察到随着所述车辆200同步移动的所述灯光影像30。

如图1所示，进一步地，所述自由曲面成像镜20具有一成像面21和一入光面22，其中所述光源10发出的光束11射入所述入光面22，并经过所述成像面 21射出后，所述光束11形成为一投影光束12，其中所述投影光束12在地面投影形成所述灯光影像30。优选地，所述自由曲面成像镜20的所述成像面21经由所述灯光影像30的所述标识图案31的照明光斑逆向设计成型，使得所述光源 10发出的光束11经所述自由曲面成像镜20的所述成像面21射出相应光路的所述投影光束12，从而使所述投影光束12能够在地面上投影形成带有固定的所述标识图案31的所述灯光影像30，以满足用户需求。

优选地，所述灯光影像30的所述标识图案31被实施为一箭头图案，基于所述灯光影像30的所述标识图案31的照明光斑，其中所述自由曲面成像镜20的所述成像面21被逆向设计成型为一相匹配的自由曲面。所述光源10发出的光束 11经所述自由曲面成像面20的成像面21改变光线方向而形成所述投影光束12，其中所述投影光束12在地面上投影形成带有箭头图案形状的光斑的所述灯光影像30。

可选地，所述标识图案31还可以被实施为一感叹号图案，其中所述自由曲面成像镜20的所述成像面21被逆向设计成型为一相匹配所述感叹号的照明光斑的自由曲面，以投影形成感叹号图案的所述灯光投影30。可选地，所述标识图案31还可以被实施为左转图案、右转图案、条纹图案或者车标图案等等，但不限于此。熟知本领域的技术人员应当理解的是，所述标识图案31可以被实施为任意图形形状的图案，以满足用户需求，在此不受限制。

在本实施例中，所述自由曲面成像镜20被实施为一自由曲面透镜，其中所述光源10发出的光束能够经所述自由曲面成像镜20透射后投影形成所述灯光影像30。也就是说，所述入光面22与所述成像面21互为所述自由曲面透镜的相反面，其中所述光源10发出的光束沿所述自由曲面成像镜20的所述入光面 22射入，经所述成像面21射出至外界。

可选地，所述自由曲面成像镜20的所述成像面21被实施为一自由曲面，其中所述光源10发出的光束直接照射至所述自由曲面成像镜20的所述入光面22，并从所述成像面21射出，以投影形成所述灯光影像30。根据所述标识图案的照明光斑，其中所述成像面21被整体地逆向设计成型。

如图3所示，进一步地，所述灯光投影装置100还包括一准直透镜40，其中所述准直透镜40被设置于所述光源10与所述自由曲面成像镜20之间，其中所述光源10发出的光束11经所述准直透镜40准直后形成一平行光束13，其中所述平行光束13射入所述自由曲面成像镜20的所述入光面22，并经所述成像面 21射出所述投影光束12，从而投影形成所述灯光影像30，以使所述灯光影像30 的光斑均匀，光效增高。

在本实施例中，所述光源10被实施为一LED灯，其中所述LED灯能够被实施为发出红色、黄色、绿色或者混色等特定颜色的灯光光束，以使所述灯光影像30的所述灯光图案31不论在白天或者黑夜均能够被人眼识别观察。可选地，所述灯光投影装置100的所述光源10可以被实施为所述车辆200自带的LED 灯，其中所述自由曲面成像镜20被保持固定在所述车辆200自带的LED灯发出的光束的路径位置，以实现在所述车辆200的外侧的地面上投影形成所述灯光影像30。

如图4A所示，优选地，所述自由曲面成像镜20的所述入光面22被实施为一聚焦曲面221，其中所述平行光束13射入所述聚焦曲面221后形成多个相互分离的聚焦光束14，其中各所述聚焦光束14互相分离地沿所述自由曲面成像镜 20的内部传播至所述成像面21。

进一步地，所述自由曲面成像镜20的所述成像面21被实施为包括至少一自由曲面211，其中各所述聚焦光束14射入所述自由曲面211后形成相对应的多个所述投影光束12并向远处传播，其中各所述投影光束12在向远处传播的过程中形成多个放大、叠加的实像并在地面上形成所述灯光影像30，从而使所述灯光影像30的光斑更加均匀、光效更高。

如图4B所示，优选地，所述聚焦曲面221由多个微结构聚焦曲面2211阵列排布组成，其中所述微结构聚焦曲面2211被实施为一类球面或者弧形曲面等，在此不受限制，其中所述微结构聚焦曲面2211用于聚焦被射入的光束。换句话说，所述平行光束13经各所述微结构聚焦曲面2211分别聚焦后形成相互分离地所述聚焦光束14，其中所述聚焦光束14也相应的阵列排布。

如图4C所示，进一步地，所述自由曲面211由多个微结构自由曲面2111阵列排布组成，即或微结构自由曲面阵列，其中所述微结构自由曲面2111根据所述灯光影像30的所述标识图案31的照明光斑逆向排布设计，其中所述微结构自由曲面2111用于分别使光束11投影形成放大的所述标识图案31的实像，其中各实像在远处叠加形成所述灯光影像30。也就是说，各所述聚焦光束14分别经各所述微结构自由曲面2111透射形成相对应的所述投影光束12，其中各所述投影光束12呈阵列排布地向外界放大传播，其中各所述投影光束12在远处形成放大的、叠加的实像，以供在地面上投影形成光斑均匀、光效更高的所述灯光影像30。

可选地，为使所述灯光影像30的投影光效更加良好，所述聚焦曲面221也可以被实施为配合所述自由曲面211的自由曲面，即或其中所述聚焦曲面221的所述微结构聚焦曲面2211相应地根据所述标识图案31的照明光斑逆向排布设计，从而使所述微结构聚焦曲面2211与所述微结构自由曲面2111相配合地将被透射的光束投影形成所述灯光影像30。

相对于传统的具有菲林片的迎宾灯，本发明的所述灯光投影装置100的所述自由曲面成像镜20并未遮挡所述光源10发出的光束，极大程度上地降低了甚至避免了光效的损失，从而保证了所述灯光影像30的光效，而且光亮程度更加均匀，保证了所述标识图案31的完整性和可靠性，以防止用户观察错误。

如图5A和图5B所示，在本优选实施例的第一种变形实施方式中，所述自由曲面成像镜20A的所述成像面21A包括一第一自由曲面211A和一第二自由曲面211B，其中所述第一自由曲面211A和所述第二自由曲面211B并列且互不重合，其中所述第一自由曲面211A根据一第一标识图案31A的照明光斑逆向设计成型，其中所述第二自由曲面211B根据一第二标识图案31B的照明光斑逆向设计成型。也就是说，所述第一自由曲面211A用于将被透射的光束在远处地面上投影形成具有所述第一标识图案31A的所述灯光影像30A，其中所述第二自由曲面211B用于将被透射的光束在远处地面上投影形成具有所述第二标识图案 31B的所述灯光影像30B。

值得一提的是，所述第一标识图案31A与所述第二标识图案31B的图形互异，其中所述第一标识图案31A被实施为一左转图形，其中所述第二标识图案 31B被实施为一右转图形。

进一步地，所述光源10A包括一第一光源10A和一第二光源10B，其中所述第一光源10A被设置于朝向所述自由曲面成像镜20A的所述第一自由曲面211A 发出光束11A的位置，其中所述第二光源10B被设置于朝向所述自由曲面成像 20A的所述第二自由曲面211B发出光束11B的位置。或者说，所述第一光源 10A位于对应于所述第一自由曲面211A的位置，其中所述第二光源10B位于对应于所述第二自由曲面211B的位置。也就是说，当所述第一光源10A发出光束 11A时，所述光束11A经所述自由曲面成像镜20A的所述第一自由曲面211A透射后在远处投影形成带有所述第一标识图案31A的所述灯光影像30A，当所述第二光源10B发出光束11B时，所述光束11B经所述自由曲面成像镜20A的所述第二自由曲面211B透射后在远处投影形成带有所述第二标识图案31B的所述灯光影像30B。

进一步地，所述自由曲面成像镜20A被实施为一圆形透镜，其中所述第一自由曲面211A和所述第二自由曲面211B分别被实施为一半圆形面，其中所述第一光源10A和所述第一自由曲面211A在位置上相互对应以使所述第一自由曲面211A处于所述第一光源10A的光路上，其中所述第二光源10B和所述第二自由曲面211B在位置上相互对应以使所述第二自由曲面211B处于所述第二光源10B的光路上。

可选地，所述自由曲面成像镜20A被实施为一方形透镜，其中所述第一自由曲面211A和所述第二自由曲面211B分别被实施为一方形面，其中所述第一自由曲面211A与所述第二自由曲面211B并列。或者，所述自由曲面成像镜20A 也可以被实施为其他形状的透镜，其中所述第一自由曲面211A和所述第二自由曲面211B也相应地被实施为其他形状的面，在此不受限制。

在所述第一变形实施方式中，所述灯光投影装置100还包括一光源控制机构 50A，其中所述光源控制机构50A用于可选择地控制所述第一光源10A和所述第二光源10B的启闭。即或所述光源控制机构50A包括一第一光源开关51A和一第二光源开关51B，其中所述第一光源开关51A用于开启或者关闭所述第一光源10A，其中所述第二光源开关51B用于开启或者关闭所述第二光源10B。如图5A所示，也就是说，当用户操作所述第一光源开关51A开启所述第一光源 10A时，所述灯光投影装置100在所述车辆200的外侧地面上投影形成带有所述第一标识图案31A的所述灯光影像30A。如图5B所示，当用户操作所述第二光源开关51B开启所述第二光源10B时，所述灯光投影装置100在所述车辆200 的外侧地面上投影形成带有所述第二标识图案31B的所述灯光影像30B。因此，所述灯光投影装置100能够通过点亮不同位置的光源10A和10B，实现分别投影出不同图形的所述灯光影像30A和30B，以实现人车交互。

如图6A和图6B所示，在本优选实施例的第二种变形实施方式中，所述光源 10被实施为一个所述光源10C，其中所述光源控制机构50C包括一光源开关51C 和一光源移动装置52C，其中所述光源开关51C用于开启或者关闭所述光源10C，其中所述光源移动装置52C用于可操作地控制所述光源10C在一照明第一自由曲面211A的位置和一照明第二自由曲面211B的位置之间相对移动。所述自由曲面成像镜20A保持位置不变，当所述光源10C被相对移动至所述照明第一自由曲面211A的位置时，所述第一自由曲面211A恰好位于所述光源10C的光路上，从而投影形成带有所述第一标识图案31A的所述灯光影像30A。当所述光源10C被相对移动至所述照明第二自由曲面211B的位置时，所述第二自由曲面 211B恰好位于所述光源10C的光路上，从而投影形成带有所述第二标识图案31B 的所述灯光影像30B。因此，所述灯光投影装置能够实现由一个所述光源10C分别投影出多种图形的所述灯光影像30A和30B，以实现人车交互。

进一步地，若所述自由曲面成像镜20A被实施为所述圆形透镜，其中所述光源移动装置52C被实施为移动所述光源10C做往返半圆周转动或者圆周转动的旋转机构，其中所述光源移动装置52C通过转动所述光源10C实现所述光源10C 在所述照明第一自由曲面211A的位置与所述照明第二自由曲面211B的位置之间移动。若所述自由曲面成像镜20A被实施为所述方形透镜，其中所述光源移动装置52C被实施为移动所述光源10C做往返直线运动的直线移动机构如滑动机构，其中所述光源移动装置52C通过转动所述光源10C实现所述光源10C在所述照明第一自由曲面211A的位置与所述照明第二自由曲面211B的位置之间移动，从而使所述光源10C能够分别与所述第一自由曲面211A和所述第二自由曲面211B在位置上一一对应，在此不受限制。

如图7A至7D所示，在本优选实施例的第三种变形实施方式中，所述光源 10被实施为一个所述光源10D，其中所述光源控制机构50D包括一光源开关51D 和一镜片移动装置53D，其中所述光源开关51D用于开启或者关闭所述光源10D，其中所述镜片移动装置53D被设置于可操作地控制所述自由曲面成像镜20A在一照明第一自由曲面211A的位置和一照明第二自由曲面211B的位置之间相对移动的位置。所述光源10D的位置保持不变，当所述自由曲面成像镜20A被相对移动至所述照明第一自由曲面211A的位置时，所述第一自由曲面211A恰好位于所述光源10D的光路上，从而投影形成带有所述第一标识图案31A的所述灯光影像30A。当所述自由曲面成像镜20A被相对移动至所述照明第二自由曲面211B的位置时，所述第二自由曲面211B恰好位于所述光源10D的光路上，从而投影形成带有所述第二标识图案31B的所述灯光影像30B。因此，所述灯光投影装置能够实现由一个所述光源10D分别投影出多种图形的所述灯光影像 30A和30B，以实现人车交互。

如图7A和图7B所示，相应地，若所述自由曲面成像镜20A被实施为所述圆形透镜，其中所述镜片移动装置53D被实施为移动所述自由曲面成像镜20A 做往返半圆周转动或者圆周转动的旋转机构，其中所述镜片移动装置53D通过转动所述自由曲面成像镜20A实现所述自由曲面成像镜20A在所述照明第一自由曲面211A的位置与所述照明第二自由曲面211B的位置之间移动。如图7C和图7D所示，若所述自由曲面成像镜20A被实施为所述方形透镜，其中所述镜片移动装置53D被实施为移动所述光源10D做往返直线运动的直线移动机构如滑动机构，其中所述镜片移动装置53D通过滑动移动所述自由曲面成像镜20A实现所述自由曲面成像镜20A在所述照明第一自由曲面211A的位置与所述照明第二自由曲面211B的位置之间移动，从而使所述光源10D能够分别与所述第一自由曲面211A和所述第二自由曲面211B在位置上一一对应，在此不受限制。

如图8A至8C所示，在本优选实施例的第四种变形实施方式中，所述自由曲面成像镜20E的所述成像面21E包括一第一自由曲面211A、一第二自由曲面 211B、一第三自由曲面211C和一第四自由曲面211D，其中所述第一自由曲面 211A、所述第二自由曲面211B、所述第三自由曲面211C以及所述第四自由曲面211D并列组合形成所述成像面21E。所述第一自由曲面211A根据一第一标识图案31A的照明光斑逆向设计成型，其中所述第二自由曲面211B根据一第二标识图案31B的照明光斑逆向设计成型，其中所述第三自由曲面211C根据一第三标识图案31C的照明光斑逆向设计成型，其中所述第四自由曲面211D根据一第四标识图案31D的照明光斑逆向设计成型。

如图8B所示，值得一提的是，所述第一标识图案31A、所述第二标识图案 31B、所述第三标识图案31C以及所述第四标识图案31D的图形均互不相同，其中所述第一标识图案31A被实施为一左转图形，其中所述第二标识图案31B被实施为一右转图形，其中所述第三标识图案31C被实施为一条纹图形，其中所述第四标识图案31D被实施为一感叹号图形。

也就是说，所述第一自由曲面211A用于将被透射的光束在远处地面上投影形成具有所述第一标识图案31A的所述灯光影像30A，其中所述第二自由曲面 211B用于将被透射的光束在远处地面上投影形成具有所述第二标识图案31B的所述灯光影像30B，其中所述第三自由曲面211C用于将被透射的光束在远处地面上投影形成具有所述第三标识图案31C的所述灯光影像30C，其中所述第四自由曲面211D用于将被透射的光束在远处地面上投影形成具有所述第四标识图案31D的所述灯光影像30D，其中所述灯光影像30A、30B、30C以及30D所对应标识信息均互不相同。

值得一提的是，所述自由曲面成像镜20E的所述第一自由曲面211A、所述第二自由曲面211B、所述第三自由曲面211C以及所述第四自由曲面211D均能够被可选择性地照亮其中任意一个。也就是说，当所述自由曲面成像镜20E的所述第一自由曲面211A被选择照亮时，所述灯光投影装置100在远处投影形成带有所述第一标识图案31A的所述灯光影像30A。当所述自由曲面成像镜20E的所述第二自由曲面211B被选择照亮时，所述灯光投影装置100在远处投影形成带有所述第二标识图案31B的所述灯光影像30B。当所述自由曲面成像镜20E 的所述第三自由曲面211C被选择照亮时，所述灯光投影装置100在远处投影形成带有所述第三标识图案31C的所述灯光影像30C。当所述自由曲面成像镜20E 的所述第四自由曲面211D被选择照亮时，所述灯光投影装置100在远处投影形成带有所述第四标识图案31D的所述灯光影像30D。

进一步地，所述灯光投影装置100还包括一光源控制机构，其中所述光源控制机构用于可选择地控制所述光源10相对照亮所述自由曲面成像镜20E的所述第一自由曲面211A、所述第二自由曲面211B、所述第三自由曲面211C以及所述第四自由曲面211D中的其中一个面，从而实现在地面投影形成不同图形的所述灯光影像30。可选地，所述光源10被实施为多个，其中各所述光源10与所述自由曲面成像镜20E的各所述自由曲面一一对应，其中所述光源控制机构用于可选择地控制各所述光源10中的其中一个处于开启状态，以供选择性地照亮对应的所述自由曲面，从而投影形成相应的标识图案的所述灯光影像。可选地，所述光源也可以被实施为一个，在此不受限制。

可以理解的是，如图8A所示，所述自由曲面成像镜20E可以被实施为一圆形透镜，其中所述第一自由曲面211A、所述第二自由曲面211B、所述第三自由曲面211C以及所述第四自由曲面211D被分别相应地实施为一四分之一圆形面。

如图8B所示，可选地，所述自由曲面成像镜20E被实施为一方向透镜，其中所述第一自由曲面211A、所述第二自由曲面211B、所述第三自由曲面211C 以及所述第四自由曲面211D被分别相应地实施为一方形面。

熟知本领域技术人员应当理解的是，所述自由曲面成像镜20的所述成像面 21的所述自由曲面211还可以被实施为三个、五个、六个或者更多个分别根据不同的所述标识图案31的照明光斑逆向设计成型的所述自由曲面，在此不受限制。进一步地，各所述自由曲面211可以处于同一平面，也可以相互处于异面，或者说，所述自由曲面成像镜20被实施为一多面体结构，如三面、四面或者五面等，即所述自由曲面成像镜20的其中一面被实施为入光面，其他各面均被实施为所述自由曲面211，在此不受限制。

进一步地，本优选实施例提供了基于自由曲面的所述灯光投影装置100的一制造方法，包括以下步骤：

S1、根据所述标识图案31的照明光斑，逆向设计成型至少一所述自由曲面成像镜20的所述成像面21的至少一所述自由曲面211；和

S2、保持至少一所述光源10于朝向所述自由曲面成像镜20射入光束11的位置，并且所述光源10发出的光束11从所述成像面21的所述自由曲面211射出以供投影形成带有所述标识图案31的所述灯光影像30。

其中所述制造方法还包括以下步骤：

S3、保持所述准直透镜40于所述光源10与所述自由曲面成像镜20之间。

其中，所述步骤S1中包括以下步骤：

S11、逆向设计排布多个所述微结构自由曲面2111于所述成像面21的所述自由曲面211。

其中，所述步骤S1中还包括以下步骤：

S12、根据所述第一标识图案31A的照明光斑，逆向设计成型所述成像面21 的所述第一自由曲面211A；和

S13、根据所述第二标识图案31B的照明光斑，逆向设计成型所述成像面21 的所述第二自由曲面211B；

其中，在所述步骤S2中，包括以下步骤：

S21、保持至少一所述光源10相对位于照亮所述第一自由曲面211A和所述第二自由曲面211B的其中一个的位置。

其中所述制造方法还包括以下步骤：

S4、成型所述聚焦曲面221于所述自由曲面成像镜20的所述入光面22，以供聚焦分离被射入的光束11。

进一步地，本优选实施例还提供了基于自由曲面的所述灯光投影装置的一投影方法，其包括以下步骤：

S01、射入光束11于所述自由曲面成像镜20的所述入光面22；

S02、射出至少一投影光束12于所述自由曲面成像镜20的所述成像面21的至少一所述自由曲面211，其中所述自由曲面211根据所述标识图案31的照明光斑逆向设计成型；

S03、形成具有所述标识图案31的一灯光影像30。

其中，在所述步骤S01之前还包括一步骤：

S04、准直所述光束11。

其中，在所述步骤S02之前还包括以下步骤：

S05、分别聚焦所述光束11于所述入光面22的多个所述微结构聚焦曲面 2211以供形成多个互相分离的所述聚焦光束12。

其中，在所述步骤S02中包括以下步骤：

S021、射出所述投影光束12于所述成像面的所述第一自由曲面211A，其中所述第一自由曲面211A根据所述第一标识图案31A的照明光斑逆向设计成像；

其中，在步骤S03中，包括以下步骤：

S031、形成具有所述第一标识图案31A的灯光影像30A；和

其中，所述步骤S021被替换为：

步骤S022、射出所述投影光束12于所述成像面21的所述第二自由曲面 211B，其中所述第二自由曲面211B根据所述第二标识图案31B的照明光斑逆向设计成型；

其中，所述步骤S031被替换为：

步骤S032、形成具有所述第二标识图案31B的灯光影像30B。

如图9所示为本发明的一个第二优选实施例的一灯光投影装置100H，本第二优选实施例与上述优选实施例的不同之处在于，其中所述灯光投影装置100H 包括一光源10H和一自由曲面成像镜20H，其中所述自由曲面成像镜20H被实施为一自由曲面反射镜，其中所述自由曲面成像镜20H包括一成像面21H、一入光面22H以及一反射面23H，其中所述成像面21H与所述入光面22H位于同一侧，其中所述反射面23H位于所述成像面21H的相对侧。所述光源10H发出光束11H射入所述自由曲面成像镜20H的所述入光面22H，经所述反射面23H 反射，从所述成像面21H射出，并在远处投影形成一带有标识图案31H的灯光影像30H。

其中，上述制造方法还包括以下步骤：

S5、成型所述反射面23H于所述自由曲面成像镜20H的所述入光面22H的异侧，以供所述光源10H发出的光束11H自所述入光面22H射入，经所述反射面23H反射，从所述成像面21H射出。

进一步地，所述成像面21H被实施为根据所述标识图案31H的照明光斑被逆向设计成型的一自由曲面或者一自由曲面阵列，使得所述光束11H经所述自由曲面成像镜20H反射形成一投影光束12H，其中所述投影光束12H能够在远处地面上投影形成带有所述标识图案31H的所述灯光影像30H。

进一步地，所述灯光投影装置100H还包括一准直透镜40H，其中所述准直透镜40H被设置于所述光源10H与所述自由曲面成像镜20H之间，其中所述光源10H发出的所述光束11H经所述准直透镜40H准直形成一平行光束13H，其中所述平行光束13H呈一定倾角地射入所述自由曲面成像镜20H的所述入光面 22H，经所述反射面23H倾斜反射后，恰好从所述成像面21H射出形成所述投影光束12H。

值得一提的是，所述光源10H与所述准直透镜40H保持在同一直线上，其中所述准直透镜40H与所述自由曲面成像镜40H之间的倾斜夹角能够被预设，以确保所述光源10H发出的所述光束11H尽可能多地经所述自由曲面成像镜 20H反射形成所述投影光束12H，以保证所述投影光束12H投影形成的所述灯光影像30H的照明亮度。

可以理解的是，所述自由曲面成像镜20H的所述入光面22H也可以被实施为根据所述标识图案31H的照明光斑被逆向设计成型的一自由曲面，其中所述入光面22H与所述成像面21H的位置相配合对应，使得所述入光面22H与所述成像面21H相配合地改变光束的路径，以投影形成所述灯光影像30H。可选地，所述入光面22H与所述成像面21H被实施为同一自由曲面，在此不受限制。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (22)

1.一基于自由曲面的灯光投影装置，其特征在于，包括：

至少一光源；

至少一自由曲面成像镜，其中所述光源被设置于可发出光束射入所述自由曲面成像镜的一入光面的位置，其中所述自由曲面成像镜具有一成像面，其中所述光源发出的光束经所述自由曲面成像镜的所述成像面射出并形成至少一投影光束，其中所述投影光束用于投影形成带有一标识图案的灯光影像，其中，所述成像面包括至少一自由曲面；以及

一光源移动装置，其中所述光源移动装置被设置于可操作地控制所述光源在分别照明各所述自由曲面的位置之间相对移动的位置，其中所述光源在相应的位置发出光束射入相应的所述自由曲面以供投影形成相应的标识图案的灯光影像。

2.根据权利要求1所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述自由曲面成像镜的所述成像面被实施为根据所述标识图案的照明光斑逆向设计成型的自由曲面。

3.根据权利要求1所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中各所述自由曲面由多个微结构自由曲面排布组成，其中各所述微结构自由曲面分别根据所述标识图案的照明光斑被逆向设计排布。

4.根据权利要求3所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述灯光投影装置还包括一准直透镜，其中所述准直透镜被设置于所述光源与所述自由曲面成像镜之间，其中所述光源发出的光束经所述准直透镜准直后射入所述自由曲面成像镜。

5.根据权利要求4所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述自由曲面成像镜的所述入光面由多个微结构聚焦曲面排布组成，其中各所述微结构聚焦曲面分别聚焦被射入的光束并形成多个相互分离的聚焦光束，其中各所述聚焦光束分别自所述成像面射出形成多个所述投影光束，其中各所述投影光束形成多个放大、叠加的实像以供投影形成所述灯光影像。

6.根据权利要求1至5任一所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述成像面包括至少二自由曲面，其中所述光源发出的光束被可选择地经各所述自由曲面中的其中一个射出，其中各所述自由曲面分别根据不同的标识图案的照明光斑被逆向设计成型，以供可选择地投影形成不同的标识图案的灯光影像。

7.根据权利要求1所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述灯光投影装置还包括一镜片移动装置，其中所述镜片移动装置被设置于可操作地控制所述自由曲面成像镜在所述光源分别照明各所述自由曲面的位置之间相对移动的位置，其中所述自由曲面成像镜在相应的位置被所述光源发出光束射入相应的所述自由曲面以供投影形成相应的标识图案的灯光影像。

8.根据权利要求7所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述自由曲面成像镜被实施为一圆形透镜，其中所述镜片移动装置被设置于转动所述自由曲面成像镜。

9.根据权利要求7所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述自由曲面成像镜被实施为一方形透镜，其中所述镜片移动装置被设置于往返移动所述自由曲面成像镜。

10.根据权利要求6所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述自由曲面的数量选自一组：三个和四个中的其中一个。

11.根据权利要求5所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中各所述微结构聚焦曲面分别根据所述标识图案的照明光斑被逆向设计排布。

12.根据权利要求1至5任一所述基于自由曲面的灯光投影装置，其中所述自由曲面成像镜还具有一反射面，其中所述光源发出的光束自所述入光面射入，经所述反射面反射，从所述成像面射出。

13.一基于自由曲面的灯光投影装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据一标识图案的照明光斑，逆向设计成型至少一自由曲面成像镜的一成像面的至少一自由曲面；和

B、保持至少一光源于朝向所述自由曲面成像镜射入光束的位置，并且所述光源发出的光束从所述成像面的所述自由曲面射出以供投影形成带有所述标识图案的一灯光影像，其中，利用一光源移动装置可操作地控制所述光源在分别照明各所述自由曲面的位置之间相对移动的位置，其中所述光源在相应的位置发出光束射入相应的所述自由曲面以供投影形成相应的标识图案的灯光影像。

14.根据权利要求13所述基于自由曲面的灯光投影装置的制造方法，其还包括以下步骤：

C、保持一准直透镜于所述光源与所述自由曲面成像镜之间。

15.根据权利要求13所述基于自由曲面的灯光投影装置的制造方法，其中步骤A中包括以下步骤：

A1、逆向设计排布多个微结构自由曲面于所述成像面的所述自由曲面。

16.根据权利要求13至15任一所述基于自由曲面的灯光投影装置的制造方法，其中步骤A中还包括以下步骤：

A2、根据一第一标识图案的照明光斑，逆向设计成型所述成像面的一第一自由曲面；和

A3、根据一第二标识图案的照明光斑，逆向设计成型所述成像面的一第二自由曲面；

其中，在步骤B中，包括以下步骤：

B1、保持至少一光源相对位于照亮所述第一自由曲面和所述第二自由曲面的其中一个的位置。

17.根据权利要求13或14所述基于自由曲面的灯光投影装置的制造方法，其还包括以下步骤：

D、成型一聚焦曲面于所述自由曲面成像镜的一入光面，以供聚焦分离被射入的光束。

18.根据权利要求13所述基于自由曲面的灯光投影装置的制造方法，其还包括以下步骤：

E、成型一反射面于所述自由曲面成像镜的一入光面的异侧，以供所述光源发出的光束自所述入光面射入，经所述反射面反射，从所述成像面射出。

19.一基于自由曲面的灯光投影装置的投影方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、射入光束于一自由曲面成像镜的一入光面；

b、射出至少一投影光束于所述自由曲面成像镜的一成像面的至少一自由曲面，其中所述自由曲面根据一标识图案的照明光斑逆向设计成型；以及

c、形成一具有所述标识图案的灯光影像，

其中，保持至少一光源于朝向所述自由曲面成像镜射入光束的位置，并利用一光源移动装置可操作地控制所述光源在分别照明各所述自由曲面的位置之间相对移动的位置，其中所述光源在相应的位置发出光束射入相应的所述自由曲面以供投影形成相应的标识图案的灯光影像。

20.根据权利要求19所述基于自由曲面的灯光投影装置的投影方法，其中在步骤a之前还包括一步骤：

d、准直所述光束。

21.根据权利要求19所述基于自由曲面的灯光投影装置的投影方法，其中在步骤b之前还包括以下步骤：

e、分别聚焦所述光束于所述入光面的多个微结构聚焦曲面以供形成多个互相分离的光束。

22.根据权利要求19至21任一所述基于自由曲面的灯光投影装置的投影方法，其中在步骤b中包括以下步骤：

b1、射出所述投影光束于所述成像面的一第一自由曲面，其中所述第一自由曲面根据一第一标识图案的照明光斑逆向设计成型；

其中，在步骤c中，包括以下步骤：

c1、形成具有所述第一标识图案的灯光影像；和

其中，步骤b1被替换为：

步骤b2、射出所述投影光束于所述成像面的一第二自由曲面，其中所述第二自由曲面根据一第二标识图案的照明光斑逆向设计成型；

其中，步骤c1被替换为：

步骤c2、形成具有所述第二标识图案的灯光影像。

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