专利名称：计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统，特别是 离散式的光学天象仪恒星放映光源和用于室内装饰的星空模拟系统。
背景技术：
传统的光学天象仪，其恒星天空是由多个恒星放映器投影的画面拚
接而成。单个恒星放映器的工作原理与幻灯机相似，见图l。聚光镜2把光源1 成象在放映物镜4的入口瞳孔4'处。也就是说由光源1进入聚光镜2 口径的 光源能量，被会聚后通过放映物镜4投射到天幕5上，产生一定的象面照度。 在聚光镜2左侧放映物镜4的焦面处，放置恒星掩模板3。恒星掩模板3整体上 是一块不透光的底板，但上面刻有许多个透光小孔。恒星掩模板3的透光小孔 成在天幕5上的象，就是天象仪恒星放映器放映的恒星。显然恒星的照度仍是 放置恒星掩模板3以前，天幕5上原有的象面照度。由于恒星掩模板3透光小 孔的直径很小，所有透光小孔加起来的总面积，也不到恒星掩模板3面积的千 分之一。这就是说，进入聚光镜2 口径的光源能量，其中超过99.9%被恒星掩模 板3的不透光部分阻挡，最终转化为无用反而有害的热能，其光能利用效率还 不到千分之一。可见传统天象仪恒星放映器的放映方式，不适合于放映象恒星 天空这种离散式的图象。
为了提高天象仪放映恒星天空的照度，传统方法只能增大光源的功率。例 如在日本美能达(Minolta)厂的Infinium天象仪中采用了 4KW的光源，但随 之带来了散热等一系列问题。显然合理的技术解决途径，是提高光源能量的利 用效率。为此1978年民主德国蔡斯(Zeiss)厂的发明专利WP286 (1988年获 美国专利US476666)提出，用包含多条光导纤维组成光导纤维束，使其束状的 输入端靠近光源，并通过聚光镜尽量收集光源能量。光导纤维束的输出端则分 散开，分别将光源能量通过各条光导纤维，导引到恒星掩模板3上各个透光小 孔处。这样就使恒星掩模板3上需要照明的透光小孔局部区域受到照明，而没 有透光小孔的其它地方不照明。由于此方法大大提高了光源能量的利用率，因 此在相同的光源能量照射下，能显著增加恒星星点的照度。
使用光导纤维束集中照明的方法，虽然提高了光源能量的利用率，但光导 纤维束中所包含的各条光导纤维，在接受同一光源的照射下，其照度和颜色显 然是相同的。然而在自然界的星空中，每一颗恒星不但视亮度不同，颜色也不 同，由于大气扰动还产生随机的闪烁现象等。为了模拟以上的星空特征，在现 有技术中需要增加相应的装置，导致系统复杂化。例如必需在光导纤维的输出 端加装一块带有不同直径小孔的恒星掩模板，该恒星掩模板的各个小孔上需要分别蒸镀不同颜色的干涉滤光膜，用以控制各个星点的不同亮度和颜色。当演 示过程中星空沉没到地平线以下时，投影光线必须用遮光器遮挡。为模拟恒星 的闪烁要设置专用的机构。聚光镜直接将光源成象在光导纤维束的输入端面， 将造成各条光导纤维之间照度不均匀，为此必须加装照度均匀器等。至于所演 示的恒星数量不能变化，无法区分繁星满天和月明星稀的不同效果，更是现有 技术所无法克服的缺点
发明内容
本发明的目的是利用计算机编程控制的数字投影仪作为光源，将投 影仪的阵列成象器件上的象素，相互对应地耦合进光导纤维束的输入端。这样 只要用计算机编程控制投影仪上阵列成象器件的象素，就可以控制任何一条光 导纤维的亮度、颜色、闪烁和开关，从而用更简单的方法，实现对星空更逼真 的模拟。与现有技术相比，本发明在保持光导纤维离散式照明的高效光源能量 利用率的同时，可省去制作恒星掩模板，以及免除在恒星掩模板上成千上万个 不同直径的小孔上，蒸镀不同颜色干涉滤光膜的繁杂工序。由于本发明中对每 一颗恒星都可控制，因此传统天象仪中用于遮挡地平线以下投影光线的遮光器， 专用的闪烁机构以及照度均匀器等，统统都可以省去，演示的恒星数量也可根 据需要而调整。这样本发明就全面地解决了现有技术存在的问题。
本发明的目的是这样实现的由图2可见，本发明由计算机6，数字投影仪
7，光导纤维束8组成。光导纤维束8中的各条光导纤维，在输入端8'排列成 矩阵形状，并与数字投影仪7的阵列成象器件7'(例如LCD， DLP)的象素排 列有比例对应关系。阵列成象器件7'的总象素数，须不少于光导纤维束8所包 含的光导纤维的总条数。光导纤维束8的输入端8'与阵列成象器件7'之间， 如果几何尺寸相同而且能接触，可直接耦合。
直接耦合的原理见图3。假定阵列成象器件7'的总象素数为6X8=48,光导 纤维束8的光纤总条数为3X4=12条。上述情况符合"阵列成象器件7'的总象 素数不少于光导纤维束8所包含的光导纤维总条数"的要求。如果光导纤维束8 的输入端8'与阵列成象器件7'两者的宽度W与高度H相同，可以采用直接耦 合结构。在图3中用粗方格代表光导纤维束8的输入端8'上的光导纤维断面， 共有3行4列总数为12条光导纤维。在图3中用细圆圈代表阵列成象器件7' 上的象素，共有6行8列总数为48个象素。由图3可见，每一条光导纤维的粗 方格内，恰好能包含4个象素。但12条光导纤维只能演示12颗恒星，数量实 在太少了，这个例子只是用来说明直接耦合的原理而己。比较实用的组合可能 是600X800分辨率的阵列成象器件7'，其总象素数为600X800=480000，光导 纤维束8的光纤总条数为60X80二4800，因此每一条光导纤维的粗方格内，恰好 包含了 480000/4800=100=10X10个象素。而4800条光导纤维可以演示4800颗 恒星，基本上可满足一般使用要求。上述光导纤维束8的输入端8'与阵列成象器件7'之间直接耦合的方法虽
然简单，但无法用于两者几何尺寸不相同，或两者的几何尺寸虽然相同，但在
结构上不能直接接触的场合。为了适应这种情况应采用图4所示的转换物镜耦 合。
转换物镜耦合的原理见图4。图中光导纤维束8的输入端8'与数字投影仪 7的阵列成象器^f^7'不直接接触，其间插入一个转换物镜9。光导纤维束8的 输入端8'的宽高尺寸为W8XH8，数字投影仪7的阵列成象器件7'的宽高尺寸 为W7XH7。由于W8XH8与W7XH7之间有比例对应关系，因此W8/W7=H8/H7=K。此 处K为转换系数。转换物镜9应当把阵列成象器件7'的尺寸变化K倍后(K可 以等于l，也可以大于或小于l)，准确成象在光导纤维束8的输入端8'上。由 图4可见，阵列成象器件7'右上角的4个象素，经转换物镜成象后，将共同进 入光导纤维束8的输入端8'左下角的同一条光导纤维中，其余的象素也将各就 各位，这样就完成了非接触的转换物镜耦合。
出于工程上的实际考量，本计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统，往 往采用多级结构。如图2所示，作为主干的光导纤维束8的出射端，做成树枝 状的许多分支81、 82、 83、、 8n。通过继续耦合到第二级光导纤维束81'、 82' 、 83' 、、 8n'的方法，将光源能量逐级向下传递。
当使用本计算机编程控制的光导纤维系统，作为室内装饰的星空模拟时， 如图2所示，观众可直接观看第二级光导纤维束81' 、 82' 、 83'、…、8n' 的分散端，把各条光导纤维输出端面的亮点看作是星星。
下面结合附图和具体实施方式
，对本发明进一步详细说明。 图1为传统光学天象仪的恒星放映器示意图。
图2为本发明的计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统工作原理示意图。
图3为本发明的直接耦合原理示意图。
图4为本发明的转换物镜耦合原理示意图。
图5为本发明的第一种实施方式的结构示意图。
图6为本发明的第二种实施方式的结构示意图。
图7为本发明的第三种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明的第一种实施方式的结构示意见图5。在第一种实施方式 中，计算机编程控制的光导纤维系统，是作为天象仪的恒星放映光源使用的。 需要通过放映物镜4，将第二级光导纤维束81' 、 82' 、 83' 、、 8n'的分 散端，各条光导纤维输出端面的发光亮点，投射到天幕5上形成恒星天空。图5 中的计算机6，投影仪7，做成树枝状多分支81、 82、 83、…、8n的光导纤维 束8的功能仍如前述。当光导纤维束8的输入端8'与阵列成象器件7'之间的几何尺寸相同，而且能接触时可以采用直接耦合形式。通过阵列成象器件7'与 光导纤维束8的输入端8'之间的耦合，使在计算机6编程控制下，阵列成象器 件7'上的象素的亮度、颜色、闪烁和开关等信号，分别传递到光导纤维束8的 输入端8'所包含的各条光导纤维中去，从而实现对每一条光导纤维输出端的亮 度、颜色、闪烁和开关等的控制，当然也就达到了对放映物镜4投射到天幕5 上形成的恒星天空的控制。
本发明的第二种实施方式见图6。第二种实施方式与第一种实施方式之间的 差别，仅在于阵列成象器件7'与光导纤维束8的输入端8'之间的几何尺寸不 相同，或者虽然几何尺寸相同但不能接触，必须加入转换物镜9，采用转换物镜 耦合的方式。其余计算机6，投影仪7，做成树枝状多分支81、 82、 83、、 8n 的光导纤维束8和放映物镜4的功能，仍与第一种实施方式相同，不再赘述。
本发明的第三种实施方式见图7。第三种实施方式与第二种实施方式之间的 差别，仅在于本计算机编程控制的光导纤维系统，是直接将第二级光导纤维束 81' 、 82' 、 83' 、、 8n'的分散端，各条光导纤维输出端面的发光亮点， 作为模拟星空的观察对象，不需要经过放映物镜4投影出恒星天空。因此在第 三种实施方式中，除了没有放映物镜4以外，其余与第二种实施方式完全相同。
权利要求
1，一种计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统，由计算机(6)，数字投影仪(7)，光导纤维束(8)组成，其特征在于光导纤维束(8)中的各条光导纤维，在输入端(8′)排列成矩阵形状，并与数字投影仪(7)的阵列成象器件(7′)的象素排列，有比例对应关系；阵列成象器件(7′)的总象素数，不少于光导纤维束(8)所包含的光导纤维的总条数；光导纤维束(8)的输入端(8′)与数字投影仪7的阵列成象器件(7′)相互耦合。
2， 根据权利要求1所述的计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统，其特征 在于光导纤维束(8)的输入端(8')与阵列成象器件(7')之间，如果几 何尺寸相同，而且能够接触，可以直接耦合。
3， 根据权利要求1所述的计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统，其特征 在于光导纤维束(8)的输入端(8')与阵列成象器件(7')之间，如果几何 尺寸不相同，或几何尺寸虽然相同但不能够接触，则通过转换物镜(9)耦合。
4， 根据权利要求1或2或3所述的计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统, 其特征在于当本计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统，是作为光学 天象仪的恒星放映光源使用时，从光导纤维束(8)的各条光导纤维输出 端面的发光亮点，通过放映物镜(4)投射到天幕(5)上，形成恒星光斑。
全文摘要
一种计算机编程控制的光导纤维星空模拟系统，主要用于室内的星空模拟和做天象仪恒星放映光源。由计算机6，数字投影仪7，光导纤维束8组成。光导纤维束8与数字投影仪7的阵列成像器件耦合。通过计算机控制投影仪上阵列成像器件的像素，就可以控制任何一条光导纤维的亮度、颜色、闪烁和开关，从而更简单地实现对星空的模拟。与现有技术相比，本发明可省去恒星掩模板，遮光器，闪烁机构以及照度均匀器等，演示的恒星数量也可调整。
文档编号G09B27/00GK101452657SQ20071019545
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者伍少昊, 赵占芳 申请人:伍少昊