光学投影设备的制作方法

光学投影设备
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2021年11月1日提交的申请号为17/516,294的美国专利申请的优先权，该申请要求2021年9月23日提交的申请号为63/247,500的美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及一种光学照明设备，其在本文中也称为投影设备、光学设备、照明设备、光学投影设备，或简称为设备或装置。


背景技术：

4.非相干光源(例如，发光二极管(led))用于各种照明应用。然而，非相干光源(例如led)发出的光波(1)是异相且不相关的(与发出同相且彼此相关的光波的诸如激光的相干光源不同)并且(2)不产生固定干扰(如激光/相干光源的情况)。因此，当投影应用包括不同颜色的led时，从led发出的光会混合在一起，从而产生发白色的光，而不是描绘不同的单独颜色的光。至少出于这个原因，大多数使用彩色光的led应用显示单一颜色(即，此类应用通常使用同一颜色的一个或多个led)。


技术实现要素：

5.本发明总体上涉及一种投影设备，其可以以图案化方式投影多种颜色的非相干光，图案化方式例如可以类似于云状效果。在一些实现方式中，投影设备还可以包括相干光源(例如，激光器)，该相干光源可以用于产生星空效果，该星空效果可以层叠在云状效果上。
6.一般而言，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以体现在如下设备(例如，投影设备)中，该设备包括壳体和包括在壳体内的多个部件，所述多个部件包括多个发光二极管(led)、抛物面镜反射器、正弦透镜状漫射器、和多个空间滤光器。在一些实现方式中，以至少两种不同的颜色提供所述多个led；所述抛物面镜反射器布置成准直从所述多个led接收的光；所述正弦透镜状漫射器位于所述抛物面镜反射器的输出处或附近，并布置成漫射从所述抛物面镜反射器接收的准直光；以及所述多个空间滤光器布置成漫射从所述正弦透镜状漫射器接收的漫射且准直的光，其中，所述多个空间滤光器中的每一个具有第一表面，在所述第一表面上分布有多个浮雕结构；以及成像透镜联接到所述壳体并布置成放大从所述多个空间滤光器接收的漫射光，并在所述第一表面上显示云状效果。该方面的其他实现方式包括相应的系统、装置和设备。这些和其他实现方式可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。
7.在一些实现方式中，投影设备可以包括位于多个led和抛物面镜反射器之间的平面漫射器。
8.在一些实现方式中，平面漫射器可以布置成漫射从多个非相干光源接收的光并将
漫射光引向所述抛物面镜反射器。
9.在一些实现方式中，多个led可以布置成阵列，其中每个相邻的led对被间隙隔开。
10.在一些实现方式中，间隙可以为0.25mm。
11.在一些实现方式中，多个空间滤光器中的每个空间滤光器包括以下中的一者：透射滤光器、折射滤光器、反射滤光器、和衍射滤光器。
12.在一些实现方式中，投影设备可以包括电机，该电机联接到多个空间滤光器中的至少一个空间滤光器并且被配置为移动所述至少一个空间滤光器，其中移动所述至少一个空间滤光器导致成像透镜显示的云状效果的移动。
13.在一些实现方式中，成像透镜可以是聚光透镜。
14.在一些实现方式中，平面漫射器可以位于准直光学元件的焦点或焦平面处或附近。
15.在一些实现方式中，所述多个led位于准直光学元件的焦点或焦平面处或附近。
16.在一些实现方式中，正弦透镜状漫射器可以是一维或二维的，并且可以位于抛物面镜反射器的输出处。
17.在一些实现方式中，所述多个空间滤光器中的每一个可以具有分布有多个浮雕结构的第一表面，其中，所述多个浮雕结构具有不同的尺寸。
18.在一些实现方式中，投影设备的壳体还可以包括第一衍射光学元件和相干光源。
19.在一些实现方式中，所述电机联接到第一衍射光学元件并且被配置为旋转第一衍射光学元件；以及所述至少一个相干光源布置成引导来自所述至少一个相干光源的光通过所述第一衍射光学元件，以产生用于在所述第一表面上显示的星空效果。
20.在一些实现方式中，投影设备可以包括第二衍射光学元件。在这样的实现方式中，第一衍射光学元件可以是光栅轮；以及第二衍射光学元件可位于所述至少一个相干光源与所述光栅轮之间，其中，所述至少一个相干光源输出的光穿过所述第二衍射光学元件和所述光栅轮。
21.本说明书中描述的主题的另一个创新方面可以体现在如下设备(例如，投影设备)中，投影设备可以包括：多个非相干光源，其中，所述多个非相干光源以至少两种不同的颜色提供；准直光学元件，所述准直光学元件布置成准直从所述多个非相干光源接收的光；正弦透镜状漫射器，所述正弦透镜状漫射器位于所述准直光学元件的输出处并布置成漫射从所述准直光学元件接收的准直光；空间滤光器，所述空间滤光器布置成漫射从所述正弦透镜状漫射器接收的漫射和准直的光；以及透镜，所述透镜布置成放大从所述空间滤光器接收的漫射光并将放大的光显示在第一表面上。该方面的其他实现方式包括相应的系统、装置和设备。这些和其他实现方式可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。
22.在一些实现方式中，投影设备可以包括第二漫射器，其中，所述第二漫射器位于所述多个非相干光源和所述准直光学元件之间，并且所述第二漫射器布置成漫射来自所述多个非相干光源的光并将漫射光引向所述准直光学元件。
23.在一些实现方式中，所述正弦透镜状漫射器可以是一维的或二维的。
24.在一些实现方式中，所述多个非相干光源是多个发光二极管(led)。
25.在一些实现方式中，所述多个led可以布置成阵列，其中，每个相邻的led对被间隙隔开。
26.在一些实现方式中，所述准直光学元件可以是抛物面镜反射器或折射透镜。
27.在一些实现方式中，所述空间滤光器可以包括多个空间滤光器。
28.在一些实现方式中，所述空间滤光器可以包括透射滤光器、折射滤光器、反射滤光器、或衍射滤光器。
29.在一些实现方式中，所述投影设备可以包括联接到所述空间滤光器并且被配置为移动所述空间滤光器的电机。
30.在一些实现方式中，所述投影设备可以包括齿轮组件，所述齿轮组件联接到所述电机以移动所述空间滤光器。
31.在一些实现方式中，所述第二漫射器可以是可以位于所述准直光学元件的焦点或焦平面处或附近的平面漫射器。
32.在一些实现方式中，所述投影设备还可以包括第一衍射光学元件和相干光源。
33.在一些实现方式中，所述电机联接到所述第一衍射光学元件并且被配置为旋转所述第一衍射光学元件；以及所述至少一个相干光源布置成引导来自所述至少一个相干光源的光通过所述第一衍射光学元件，以产生用于在所述第一表面上显示的星空效果。
34.在一些实现方式中，所述投影设备可以包括第二衍射光学元件。在这样的实现方式中，所述第一衍射光学元件可以是光栅轮；以及所述第二衍射光学元件可位于所述至少一个相干光源和所述光栅轮之间，其中，所述至少一个相干光源输出的光穿过所述第二衍射光学元件和所述光栅轮。
35.应当理解，根据本发明的设备可以包括本文描述的方面和特征的任何组合。也就是说，根据本发明的设备不限于本文具体描述的方面和特征的组合，还包括所提供的方面和特征的任何组合。
36.本发明的一个或多个实现方式的细节在附图和以下描述中阐述。本发明的其他特征和优点将从所述描述和附图以及权利要求中变得明显。
附图说明
37.图1示出了示例投影设备的框图。
38.图2a示出了投影设备的多个非相干光源的示例布置。
39.图2b示出了描绘每个led发射的光的示例性led阵列。
40.图3示出了当投影设备包括一维正弦透镜状漫射器时产生的投影图像。
41.图4示出了当投影设备包括二维正弦透镜状漫射器时产生的投影图像。
42.图5a和图5b示出了当投影设备不包括透镜状漫射器时产生的投影图像。
43.图6示出了由穿过投影设备的成像透镜的光产生的单色图像。
44.图7示出了由穿过不包括成像透镜的投影设备的光产生的单色图像。
45.图8示出了光学模型，其示出了光流过投影设备时的光路径。
46.图9示出了图8所示的光学模型的缩小版本。
47.图10示出了旋转空间滤光器的示例图像。
48.图11a示出了包括在投影设备中的空间滤光器的表面的空间滤光器显微照片。
49.图11b示出了空间滤光器的三维(3-d)表示。
50.图12a示出了示例一维正弦透镜状漫射器透镜。
51.图12b描绘了示例二维正弦透镜状漫射器透镜。
52.图13示出了图1的投影设备的部件的示例布置的框图。
53.图14a和图14b示出了图1的投影设备的示例外部视图。
54.各个附图中的相似附图标记和名称表示相似的元件。
55.本专利或申请文件包含至少一幅以彩色绘制的图。专利局将根据请求和支付必要的费用提供本专利或专利申请公开物的(一幅或多付)彩色附图的副本。
具体实施方式
56.本发明总体上涉及一种投影设备，其可以以图案化方式投影多种颜色的非相干光，所述图案化方式例如可以类似于云状效果。在一些实现方式中，本文描述的投影设备还可以包括相干光源(例如，激光器)，该相干光源可以用于产生星空效果，该星空效果可以层叠在云状效果上。
57.本文所述的投影设备可以用于各种应用，包括但不限于建筑、娱乐、氛围和环境照明应用，并且可以以允许向观众显示多种颜色的光的方式来利用不同颜色的多个非相干光源。在一些实现方式中，并且如下所述，本文描述的投影设备产生图案化的光结构或将图案化的光结构投影到目标表面(例如，墙壁、投影屏幕等)上。
58.如在此参考下面的图1-图14b更详细地描述的，投影设备可以包括多个部件，包括多个非相干光源、电源、准直光学元件、一个或多个漫射器、一个或多个空间滤光器、和成像透镜。在一些实现方式中，当电源向非相干光源(例如，不同颜色的led)供电时，非相干光源发射光(例如，不同颜色/波长的光)。漫射器(例如，平面漫射器)可以邻近非相干光源定位。漫射器漫射从非相干光源发射的光。来自平面漫射器的漫射光可以通过准直光学元件(例如，抛物面镜反射器或折射透镜)准直。然后，准直光可以由另一个漫射器(例如，可以是单维或多维的正弦透镜状漫射器)漫射。
59.来自准直光学元件的准直和漫射的光流向一个或多个空间滤光器(例如，透射滤光器、折射滤光器、反射滤光器或衍射滤光器)，该空间滤光器进一步漫射所述准直和漫射的光。通过一个或多个空间滤光器输出的光流向成像透镜，该成像透镜将光聚焦并显示在目标表面(例如，墙壁或投影屏幕)上。
60.在一些实现方式中，所述一个或多个空间滤光器可以被旋转、平移、振荡或以其他方式移动。在这样的实现方式中，投影设备可以包括旋转、平移、振荡或以其他方式移动一个或多个空间滤光器的电机(例如，由也为非相干光源供电的同一电源供电)。在一些实现方式中，电机可以直接移动一个或多个空间滤光器或者可以通过齿轮组件间接移动它们。
61.在一些实现方式中，通常位于准直光学元件和非相干光源之间的漫射器(例如，平面漫射器)可以放置在准直光学元件的焦点或焦平面处或附近。在一些实现方式中，可以基于该漫射器的表面直径来确定投影设备的角度照明。
62.在一些实现方式中，投影设备可以在没有位于准直光学元件和非相干光源之间的漫射器(例如，平面漫射器)的情况下实现。在这样的实现方式中，在非相干光源和准直光学元件之间可以不放置附加的光学元件。替选地，可以在非相干光源和准直光学元件之间放置另一光学元件(例如，透明透镜)，而不是平面漫射器。
63.在一些实现方式中，多个非相干光源可以包括发射不同颜色的光(例如，不同波长
的光)的光源。例如，多个非相干光源可以包括均发射红光的两个非相干光源和均发射绿光的两个附加非相干光源。本领域技术人员将理解，可以实现共同发射不同颜色的非相干光的非相干光源的各种组合。
64.投影设备的这些和附加特征在下文参考图1-图14b进行描述。
65.图1描绘了示例投影设备100的框图。
66.如图1所示，投影设备100包括壳体4，其中包括多个部件。这些部件包括：多个非相干光源6、电源8、准直光学元件10、漫射器12、漫射器14和空间滤光器16。成像透镜18位于空间滤光器16之后并且联接到壳体4。下面进一步描述这些部件的结构和操作。
67.如图1所示，电源8可以向例如多个非相干光源6和电机(如果提供的话；图1中未示出)供电。电源8可以是任何合适的电源，例如d/c(直流)、a/c(交流)、rf(射频)电源等。本领域技术人员将理解，对于使用a/c电源的实现方式，投影设备100还可以包括整流电路(未示出)，该整流电路对交流输入进行整流以产生直流输出，该直流输出进而用于为例如多个非相干光源6供电。
68.如图1所示(并且如参考图2a-图2b进一步描述的)，多个非相干光源6被布置为四个非相干光源(例如，四个led)的阵列。这些非相干光源中的至少两个发射具有不同颜色(并因此具有不同波长)的光。例如，四个led可以由一个红色led(即，发射红光的led)、一个蓝色led(即，发射蓝光的led)和两个绿色led(即，均发射绿光的led)组成。作为另一示例，第一led可以是红色的，第二led可以是绿色的，第三led可以是蓝色的，第四led可以是白色的。本领域技术人员将理解，可以进行不同颜色的led(或其他非相干光源)的多种组合。
69.此外，虽然投影设备100在图1中示出为具有四个非相干光源的阵列，但本领域技术人员将理解，投影设备100可以具有任意的n个非相干光源(其中n大于或等于2)，并且n个非相干光源可以任意布置(例如，它们可以但不必需布置为阵列)。参考图2a-图2b描绘和描述非相干光源阵列的一个示例实现方式。
70.在一些实现方式中，非相干光源6可以被封闭在透明保护盖(图1中未示出)内，该透明保护盖可以是保护非相干光源6的任何适当形状。透明保护盖的示例形状包括例如半球、半圆柱、圆锥或平顶形状。本领域技术人员将理解，保护盖不会遮挡或以其他方式干扰从非相干光源6发射的光。例如，透明保护盖可以薄且均匀，以减少透明盖本身产生的对光的任何光学影响。
71.如图1所示，多个非相干光源6邻近平面漫射器12和准直光学元件10定位。虽然投影设备100也可以在没有位于多个非相干光源6和准直光学元件10之间的平面漫射器12的情况下实现，但出于以下公开内容的目的，投影设备100被描述为包括平面漫射器12。
72.在一些实现方式中，多个非相干光源6位于准直光学元件的焦平面或焦点处或附近。例如，非相干光源6(例如，2
×
2的led阵列，如图2a和图2b所示)可以放置在准直光学元件10(例如，抛物面镜反射器)的焦点处或附近。非相干光源相对于准直光学元件的这种定位具有最佳的光收集、更少的离轴误差以及来自多个非相干光源6的光的均匀分布的优点。
73.在一些实现方式中，非相干光源6可以位于准直光学元件的焦点或焦平面之前或之后的点处。在这样的实现方式中，当非相干光源6位于准直光学元件10的焦点或焦平面处时，非相干光源6输出的光相对于非相干光源6输出的光表现出明显的颜色均匀性变化。
74.平面漫射器12漫射从多个非相干光源6发射的光波，将光波传播到更宽的目标点
并将光聚集到集中位置，例如第二漫射器(例如，透镜状漫射器14，如下所述)可以从该位置进一步漫射光。
75.准直光学元件10准直由多个非相干光源6产生/发射并由平面漫射器12漫射的光波，例如，通过将光波取向成基本上平行的布置来准直。在一些实现方式中，准直光学元件10可以是漫反射器(例如，抛物面镜反射器)或折射透镜系统。与抛物面镜反射器相比，折射透镜系统重定向和准直更少的光。这是因为，与折射透镜不同，抛物面镜反射器可以基本上围绕非相干光源来准直由多个非相干光源6发射的大量光。为了说明，图1的准直光学元件10是抛物面镜反射器。
76.平面漫射器12具有长度或直径d，并且在一些实现方式中，可以放置在准直光学元件10的焦点或焦平面处或附近。本领域技术人员将理解，在一些实现方式中，平面漫射器12不需要位于准直光学元件10的焦点/焦平面处或附近。
77.在准直光学元件10是漫反射器(例如，如图1所示的抛物面镜反射器)的实现方式中，平面漫射器12可以放置在漫反射器的焦平面处或附近。在这样的实现方式中，平面漫射器12还可以将一些光波引导到抛物面镜反射器的表面上以准直该光。
78.并且，在准直光学元件10是折射透镜的实现方式中，平面漫射器12可以放置在折射透镜的焦点处或附近。在一些实现方式中，投影设备100的角度照明可以基于平面漫射器12的表面直径来确定。
79.虽然可以为投影设备100选择任何特定的漫射角，但是-15度到15度的角度范围(即，来自准直器的漫射光的漫射角在法平面上方15度和法平面下方15度)产生的光投影结果使光投影的最终尺寸最大化，而不会浪费额外的散射光，这些散射光不会穿过投影设备100的光学部件。图8和图9示出了由图1的示例投影设备100产生的光的路径，其中，漫射的角度范围是15度。
80.在准直光学元件10是抛物面镜反射器的实现方式中，投影设备100的设计者可以基于漫射的角度范围、多个非相干光源6的尺寸、抛物面镜反射器的焦距和抛物面镜反射器的输出直径来确定抛物面镜反射器的内抛物线表面。例如，在具有-15度到15度的漫射角度范围、2.65mm
×
2.65mm的led阵列、1.875mm的抛物面反射器的焦距和18mm的抛物面反射器的输出直径的投影设备100中，内抛物线表面可以通过以下等式确定：
81.y＝(2/15)x2ꢀꢀ
(等式1)
82.上面的等式中，(1)2/15(或0.13333)表示抛物面镜反射器截面的形状测量值，(2)y是内抛物线表面测量值(或者换句话说，x轴上方的抛物曲线的高度)，和(3)x表示径向对称抛物面反射器的径向位置。本领域技术人员将理解，值2/15(或0.13333)对于可能具有不同测量截面的不同抛物面镜反射器会有所不同。
83.此外，如图8和图9所示，光源尺寸(2.65mm
×
2.65mm)以及它们相对于抛物面镜反射器的位置(例如，在抛物面镜反射器的焦点处)与抛物面镜反射器的形状有关，并且有助于/实现在离开抛物面镜反射器后+/-15度的漫射角。
84.返回图1，投影设备100还包括可以放置在准直光学元件10的输出处的漫射器14(例如，透镜状漫射器)，如图1所示。本领域技术人员可以理解，准直光学元件10的输出是指从准直光学元件10出射的光以基本上平行的路径取向的点(该点也称为出射点，通常在图8中被描绘为810，其位于准直光学元件的外围端部)。
85.将透镜状漫射器14定位在准直光学元件10的输出处具有将由准直器光学元件10输出的大量光提供给透镜状漫射器14的优点。相比之下，当使透镜状漫射器14位于准直光学元件10的输出之外(即，在准直光学元件的输出之外并且更靠近空间滤光器16)时，来自准直光学元件10的光输出开始发散。在漫射器14与准直光学元件10的输出隔开更远的这种场景中，来自准直光学元件10的较少量的光被提供给透镜状漫射器14。另外，将透镜状漫射器14定位在准直光学元件10的输出处使得能够制造单个组合的准直/透镜状光学元件，这降低了制造投影设备的光学元件的成本。
86.在一些实现方式中，透镜状漫射器14可以是在单个维度中漫射或散布光的一维漫射器。在一些实现方式中，漫射器14可以是二维漫射器，其在二维中漫射或散布光。
87.在一些实现方式中，一维漫射器可以是正弦透镜状漫射器透镜(如图1所示)。正弦透镜状漫射器可以具有例如1.0/mm的节距。图12a描绘了示例一维正弦透镜状漫射器透镜1210，其中正弦透镜状漫射器透镜1210的示例一维正弦图案在图像1220中描绘。图12b描绘了示例二维正弦透镜状漫射器透镜1230，其中正弦透镜状漫射器透镜1230的示例二维正弦图案在图像1240中描绘。使用一维正弦透镜状漫射器的投影设备(例如，投影设备100)和使用二维正弦透镜状漫射器的投影设备(例如，投影设备100)的投影结果分别参考图3和图4示出和描述。
88.图3描绘了图像300，其示出了当投影设备(例如，投影设备100)包括一维正弦透镜状漫射器时的投影结果，而图4描绘了图像400，其示出了当投影设备(例如，投影设备100)包括二维正弦透镜状漫射器时的投影结果。当二维漫射器(例如图12b中的漫射器透镜1230)用于投影设备(例如，投影设备100)中时，如图4所示，产生的光束将不同的光色混合在一起并产生朦胧的外观。相比之下，当一维漫射器(例如图12a中的漫射器透镜1210)用于投影设备(例如，投影设备100)中时，如图3所示，产生的光束具有更饱满、更清晰的颜色显示(与二维漫射器产生的朦胧外观相比)。
89.此外，当与二维正弦透镜状漫射器相比时，一维正弦透镜状漫射器产生在非相干光源6的阵列中使用的多种颜色的更多分离，这进而产生更多可变的成像效果(相对于二维漫射器)。一维正弦透镜状漫射器可以部分地混合从非相干光源6发出的光的颜色(如图3所示)，而不会使所得到的光具有朦胧的外观(如图4所示的图像中的情况)。虽然图1示出了正弦透镜状漫射器(漫射器14)，但漫射器14不必是正弦漫射器(例如，它也可以是非正弦漫射器)。
90.在一些实现方式中，可以在没有漫射器14(例如，透镜状漫射器)的情况下实现投影设备100。在这样的实现方式中，在不使用第二漫射器14的情况下，从投影设备投影的所得光具有蜘蛛网的外观，在细光束之间可见大片暗色。这在图5a和图5b中描绘。图5a描绘了图像500，其示出了当投影设备(例如，投影设备100)不包括透镜状漫射器14并且非相干光源仅发射白光时的投影结果。图5b描绘了图像550，其示出了当投影设备(例如，投影设备100)不包括透镜状漫射器14并且非相干光源共同发射蓝光、红光和绿光时的投影结果。如图像500和550中所描绘的，从投影设备投影的所得光具有蜘蛛网的外观，在细光束之间可见大片暗色。
91.返回图1，从准直光学元件10输出的准直光由漫射器14(例如正弦透镜状漫射器)漫射后，经准直和漫射的光穿过一个或多个空间滤光器16。每个空间滤光器16进一步对光
进行漫射，从而具有放大投影区域的效果，该效果在不使用空间滤光器16的情况下以其它方式提供。尽管图1将投影设备100描绘为具有两个空间滤光器16，但投影设备100可以包括一个空间滤光器16或多于两个的空间滤光器16。
92.在投影设备具有相同构造的级联/系列空间滤光器16的实现方式中(如图1中所示的两个空间滤光器16的情况)，可能由于前一个滤光器而导致漫射角加倍。作为一个示例，如果一个空间滤光器产生等于+/-5度的漫射角，那么两个相同的空间滤光器将角度漫射扩大两倍，从而产生+/-10度的漫射角。在该示例中，如果离开抛物面镜反射器的光具有大约+/-15度的角度漫射，那么光的整体角度漫射(即，来自抛物面镜反射器的光穿过两个相同的空间滤光器之后)为+/-25度(即，15+5+5)。作为另一示例，如果一个空间滤光器产生等于+/-7.5度的漫射角，那么两个相同的空间滤光器将角度漫射扩大两倍，导致漫射角为+/-15度。在该示例中，如果离开抛物面镜反射器的光具有大约+/-15度的角度漫射，那么光的整体角度漫射(即，来自抛物面镜反射器的光穿过两个相同的空间滤光器之后)为+/-30度(即，15+7.5+7.5)。在该示例中，该对空间滤光器16将漫射角放大到例如相对于法线的30度，因此相对于从抛物面镜反射器输出的光的角度漫射(+/-15度)使角度漫射加倍。
93.在一些实现方式中，空间滤光器16还可以添加附加的光学效果，例如，滤光器可以是透射滤光器、反射滤光器、衍射滤光器或折射滤光器。图10示出了旋转空间滤光器的示例图像1000。如参考图13所描述的，电机(和齿轮组件)可以联接到旋转空间滤光器(例如，通过限定在旋转空间滤光器中心的圆形孔)并且可以被配置为使旋转空间滤光器旋转。
94.在一些实现方式中，空间滤光器16可以具有在其表面上限定的准随机浮雕(在本文中也称为浮雕结构或浮雕图案)。例如，图10示出了旋转空间滤光器的表面拓扑结构，其包括分布在旋转空间滤光器的整个表面上的多个浮雕。空间滤光器16的表面上提供的浮雕结构的示例将参考图11a和图11b进一步描述和描绘。
95.空间滤光器16的表面上的浮雕结构可以在成像透镜18的物平面中产生光的非均匀散射，以由成像透镜18向外成像到最终投影表面(本文也称为目标表面)。浮雕图案/结构可以将收集的光随机集中到外观独特的强度图案景观中。这种基于浮雕图案的独特景观具有云的外观。并且，当投影设备100包括用于移动(一个或多个)空间滤光器16的电机时，这种基于浮雕图案的独特景观具有移动的云的外观。
96.在一些实现方式中，一个或多个空间滤光器16可以是静止的或者它们可以是移动的(例如，以振荡方式旋转或平移(即，来回移动))。在投影设备包括两个或更多个空间滤光器的实现方式中，空间滤光器16可以沿相同方向或相反方向移动(例如，旋转或平移)，并且可以相同或不同速度移动。空间滤光器16的移动导致投影设备100输出的投影图像的移动。在一些实现方式中，可以旋转或移动一个空间滤光器，同时可以将一个或多个其他空间滤光器保持为静止。
97.当投影设备100包括要被旋转、平移或以其他方式移动的一个或多个空间滤光器16时，投影设备100可以包括电机。电机可以直接或间接(例如，通过齿轮组件)联接到一个或多个空间滤光器16，以旋转、平移或以其他方式移动它们。这将参考图13进一步描述和描绘。
98.返回图1，在光已被一个或多个空间滤光器16漫射之后，漫射光穿过透镜18(如图1所示)，该透镜18将光引导到目标表面上。在一些实现方式中，透镜18可以作为聚光透镜和
3和led 4、led 1和led 3、led 2和led 4)中的每个led与该对中的另一个led间隔开，并且优选地间隔开足够宽以防止led过热。例如，相邻led对中的led 1和led 2分开一定空间。作为另一示例，相邻led对中的led 1和led 3分开一定空间。
110.每对相邻的led之间的空间限定了间隙212。在一些实现方式中，间隙212可以是单个led的宽度(x；210)的大约15％-30％，这已被发现提供足够的间距以防止过热。例如，如果在投影设备中使用的led沿着每个边缘测量为1.2mm(使得宽度x＝1.2mm)，则间隙212可以是0.25mm，这是led宽度的大约20％。
111.图2b示出了示例led阵列250，其描绘了由阵列中的每个led发射的光。led阵列250是如图1所描绘并在图2a中进一步示出的多个非相干光源6的一个示例布置。尽管在led阵列250中的每个相邻的led对之间没有间距，但本领域技术人员将理解，可以在每个相邻的led对之间提供一些间距(如图2a所示和所描绘)(并且这样做可以减少由led阵列250中的led引起的过热)。
112.led阵列250包括四个不同颜色的led：青色led 252、红色led 256、绿色led 254、和蓝色led 258。本领域技术人员将理解，在led阵列250中可以提供led颜色的任何组合。
113.如图2a所示，每个led以一种图案(例如，大致球形图案)辐射/发射光，并且led的辐射图案至少部分重叠，导致从led阵列250辐射出的波长的范围/分布(并且通过扩展，单独/离散颜色和重叠颜色的分布)。并且，如参考图1所解释的，由led阵列250辐射的光的这种分布被引向透镜状漫射器(其例如可以位于准直光学元件的输出处或附近)，该透镜状漫射器进一步混合和融合接收到的单独颜色和重叠颜色的光的分布。
114.在led阵列中led的间距与透镜状漫射器输出的光的颜色混合/融合之间存在直接关系。特别地，当led阵列中的led彼此间隔更近时，这些led输出的光与透镜状漫射器相互作用，并相对于led阵列中led彼此间隔更远的布置(在这种情况下，led输出的光与透镜状漫射器相互作用并经历较少的颜色混合/融合)经历更多的颜色混合/融合。本领域技术人员将理解，透镜状漫射器能够融合/混合由led输出的光的颜色并且能够实现这种融合/颜色混合的成像(例如，如图3所示)。相比之下，如果没有透镜状漫射器，投影设备将无法获得同样多的颜色混合/融合和这种颜色混合/融合的可视化(当比较图3和图5b时很明显，后者示出相对较少的融合/颜色混合)。
115.然而，如上所述，led阵列中的相邻led对可能需要间隔开以避免过热。因此，在一些实现方式中，led阵列中的每个相邻的led对可以被布置为彼此间隔开最小的空间量，以避免过热(例如，如上面参考图2a所描述的)而不损害在透镜状漫射器输出的光中的最终颜色混合和均匀化。
116.总的来说，投影设备(例如，投影设备100)可以被配置为使得多个非相干光源6(例如，不同颜色的led的2
×
2阵列)位于准直光学元件10(例如，抛物面镜反射器)的焦点或焦平面处或附近，并随后将漫射器14(例如，正弦透镜状漫射器)定位在准直光学元件10的输出/出射点处或附近。当如此布置时，从多个非相干光源发射/辐射并由准直光学元件10准直的光，导致各个led颜色的离轴准直，其成像为离散/单独颜色以及从准直光学元件投射出的均匀颜色(如通过图2b所示的重叠图案所描绘的)。重叠颜色以及离散/单独颜色对于正弦透镜状漫射器是附带的，这产生了颜色的进一步空间分离和均匀化，这不是简单地通过使用准直光学元件10(并且没有透镜状漫射器)实现的。
117.此外，将由正弦透镜状漫射器输出的均匀光投射到(一个或多个)空间滤光器16中，产生离散led颜色/波长的复杂混合和均匀光的颜色分离(相比可以通过使用准直光学元件但没有随后的透镜状漫射器实现的投影设备可达到的效果)。这种复杂的混合导致产生抽象的云状颜色效果的输出图像。
118.使用透镜状漫射器的另一个优点是通过电子地控制离散的led颜色中的单个或多个来实现的。以这种方式控制led会产生更广泛围的颜色混合组合，这在不包括透镜状漫射器的投影设备中是无法实现的。
119.图11a示出了包括在投影设备100中的空间滤光器16的表面的空间滤光器显微照片。空间滤光器16的表面的显微照片提供了分布在空间滤光器16的表面上的浮雕结构的特写视图。如图11a所示，浮雕结构具有不同的尺寸并且不均匀地分布在空间滤光器16的表面上。在一些实现方式中，空间滤光器16表面上的浮雕结构可以具有相同的尺寸和/或可以在空间滤光器16的表面上均匀分布。在一些实现方式中，浮雕结构可以限定折射图案。
120.图11b示出了空间滤光器16的三维(3d)表示1150，其示出了空间滤光器的一个表面上的浮雕结构。
121.图13示出了示例投影设备1300和其中包括的部件的布置的框图。
122.投影设备1300是参考图1描绘和描述的投影设备100的示例。如图所示，投影设备1300包括在图1中示出和描述的某些部件。具体而言，投影设备1300包括多个非相干光源(例如，led)6、准直光学元件(例如，抛物面镜反射器)10、放置在准直光学元件的输出处的正弦透镜状漫射器14、以及两个空间滤光器16(一个矩形空间滤光器和第二旋转空间滤光器)。
123.投影设备1300还包括电机1330，电机1330联接到齿轮组件1320a-1320b(也简称为齿轮1320a、1320b)。齿轮1320b通过轴联接到旋转空间滤光器16并且被配置为当通过电源(例如，电源8，如图1所示)向电机供电时使旋转空间滤光器16旋转。矩形空间滤光器是固定的并且不联接到任何齿轮1320a-1320b或电机1330。
124.本领域技术人员将理解，在投影设备包括电机(例如，电机1330)的实现方式中，同一电源可以为电机和多个非相干光源6供电。另外，本领域技术人员将理解，两个空间滤光器都可以(通过齿轮组件，例如1320a-1320b)连接到电机1330，使得两个空间滤光器都被旋转、平移或以其他方式移动。
125.如上面参考上述附图所描述的，从多个非相干光源6发射的光穿过/通过准直光学元件10、透镜状漫射器14和空间滤光器16，并通过成像透镜18(如图1所示)被收集和输出，以在目标表面上产生云状效果(例如，如图3-图4所示)。由于电机1330对空间滤光器16的周期性旋转，因此云状效果可以具有慢动作。
126.投影设备1300还包括与非相干光源6相邻定位的散热器1360，以便引导热量远离产生热量的非相干光源。
127.投影设备1300包括可以共同产生星空效果的附加部件。星空效果是通过使用一个或多个相干光源(例如，激光器)(该光源可以以任何颜色提供，且位于通道1350的底部)、衍射光学元件1340(例如，光栅轮)、以及通过齿轮1320a联接到光栅轮的电机1330产生的。当向(一个或多个)激光器和电机1330供电时，来自(一个或多个)激光器的光束被发射并穿过通道1350(其又可以包括一个或多个衍射光学元件)。从通道1350(并且通过一个或多个衍
射光学元件，如果适用的话)输出的光穿过可以使用电机1330和齿轮1320a旋转的光栅轮，以由于衍射光束的干涉而产生亮斑。产生的亮斑显示为星星(或星空)。光栅轮的周期性旋转引起星空的运动。
128.在一些实现方式中，投影设备1300可以包括联接到电机1330的电机控制器，电机控制器可以控制电机1330的速度或每分钟转数(rpm)。
129.在一些实现方式中，单独的电机和齿轮组件可以联接到空间滤光器16和光栅轮1340中的每一者。
130.在一些实现方式中，投影设备1300的部件的组合产生层叠在云状效果上的星空效果。
131.在一些实现方式中，电机被配置为沿一个方向旋转光栅轮，同时沿相反方向旋转或移动一个或多个空间滤光器。在这样的实现方式中，投影设备输出沿相反方向移动的云状效果和星空效果。
132.图14a提供了示例投影设备100/1300的外部视图1400。如图所示，投影设备包括底部1410和顶部1420。投影设备100的成像透镜18被示出在投影设备的顶部1420并且联接到投影手柄的壳体4。在图1(例如，部件6、8、10、12、14、16)和图13中描述和描绘的投影设备的其他部件包括在投影设备100的壳体4内。壳体4可以由用于容纳光学部件的任何合适的材料构成，包括但不限于金属、塑料、玻璃等。
133.图14b提供了投影设备100的示例外部视图1450。外部视图1450类似于外部视图1400。外部视图1450还提供了投影设备100的部件(例如，部件6、8、10、12、14、16)如何布置在投影设备100(或投影设备1300)内的可视化。投影设备100/1300的内部部件的这种可视化仅用于说明目的。
134.下面提供了一种用于布置投影设备(例如投影设备100)的部件的方法。以下步骤列表仅用于说明，并不旨在要求或限定执行步骤的顺序。因此，尽管可以通过按以下列出的顺序执行步骤来执行以下方法，但也可以通过按照不同顺序执行以下步骤来执行该方法。
135.在步骤1中，准直光学元件位于投影设备的壳体内。如图1-图14b所述，准直光学元件可以是抛物面镜反射器或折射透镜系统。
136.在步骤2中，并且如图1所示，多个非相干光源(例如，led)位于准直光学元件的焦点或焦平面处或附近。如图1和图2a-图2b所述，led可以以任何合适的布置(例如，阵列)提供并且可以具有不同的颜色。
137.在步骤3中，并且如图1所示，平面漫射器位于(1)准直光学元件的焦点或焦平面处或附近，以及(2)多个非相干光源与准直光学元件之间。如上所述，投影设备可以不包括平面漫射器，在这种情况下，在布置投影设备的部件时不需要执行该步骤。
138.在步骤4中，并且如参考图1、图8和图12a-图12b所示和所描述的，透镜状漫射器(例如，1d或2d正弦透镜状漫射器或具有不同配置(例如，半波设计)的另一透镜状漫射器)位于准直光学器件的输出处或附近。如上所述，在准直光学元件是抛物面镜反射器的实现方式中，该抛物面镜反射器、平面漫射器和透镜状漫射器可以制造为单个部件。
139.在步骤5中，并且如参考图1、图10和图11a-图11b所示和所描述的，一个或多个空间滤光器邻近透镜状漫射器定位。当投影设备中采用一个或多个空间滤光器时，空间滤光器可以按顺序布置。如上所述，电机可以包括在投影设备的壳体中并且可以联接到齿轮组
件，该齿轮组件又联接到一个或多个空间滤光器(如参考图1和图13所示和所描述的)。
140.在步骤6中，成像透镜被联接到壳体并且邻近空间滤光器序列中的最后一个空间滤光器定位。如上所述，可以修改最后一个空间滤光器和成像透镜之间的间距，以实现要在目标表面上输出的期望的图像放大率。
141.应当理解，本技术主题可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。而是，提供这些实施方式使得该主题将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明。实际上，所述主题旨在涵盖这些实施方式的替选、修改和等效物，它们包括在由所附权利要求限定的主题的范围和精神内。此外，在所述主题的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所述主题的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将清楚，可以在没有这些具体细节的情况下实践所述主题。
142.本文参考根据本发明的实施方式的装置(系统)和设备的框图或图像来描述本发明的各方面。本发明的描述已经出于说明和描述的目的而呈现，但不旨在穷举或限制于所公开形式的公开内容。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。选择和描述本文公开的各方面是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解具有适合所设想的特定用途的各种修改的本发明。
143.虽然本说明书包含许多具体的实现细节，但这些不应被解释为对任何特征或可能要求保护的内容的范围的限制，而是作为对特定实施方式特有的特征的描述。在本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管上面可能将特征描述为在某些组合中起作用，甚至最初是这样要求保护的，但在某些情况下，可以从要求保护的组合中删除一个或多个来自该组合的特征，并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。
144.因此，已经描述了所述主题的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。在某些情况下，权利要求中所述的动作可以以不同的顺序执行，并且仍能达到期望的结果。此外，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或先后顺序来获得期望的结果。在某些实现方式中，多任务和并行处理可能是有利的。