专利名称：分散式发光二极管(led)光纤照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光导纤维照明系统，特别是天象仪恒星放映器的分散式恒星星点照明系统。
背景技术：
传统的光学天象仪，其恒星天空是由数十个恒星放映器投影拚接而成。单个恒星放映器由光源，聚光镜，恒星掩模板(幻灯片)和放映物镜组成，其工作原理与幻灯机相同。天象仪上有一个空心圆球，各个恒星放映器均匀地排列在圆球上，各放映器的光轴都指向球心，共用一个位于球心的光源。聚光镜把光源发出的光线汇聚在放映物镜的入口处，也就是说由光源进入聚光镜口径的光源能量，被汇聚后通过放映物镜投射到天幕上，使整个视场被照亮。放映物镜的焦面处，放置恒星掩模板，它是在一块不透光的底板上面刻有许多个代表恒星的透光小孔。恒星掩模板的各个透光小孔，被放映物镜投射在天幕上的象，就是天象仪恒星放映器所放映的各颗恒星。上述传统天象仪的工作原理，详情可参见Heinz Letsch的书《Das Zeiss-Planetarium》(Gustav FischerVerlag，Jena，1955)。
显然传统光学天象仪中，恒星天空放映方法的光能利用率极低—这相当于用一块不透光的底板把放映光线全挡住，使亮视场变成黑屏。其中仅对应于恒星掩模版上的透光小孔处，才留出有用的恒星亮点。由于恒星掩模板透光小孔的直径很小，所有透光小孔加起来的总面积，也不到恒星掩模板面积的千分之一。换句话说，进入聚光镜的光源能量，其中超过99.9％被恒星掩模板的不透光部分阻挡，最终转化为无用反而有害的热能，总的光能利用率还不到千分之一。
恒星的照度是天象仪的关键技术指标。为了提高天象仪放映恒星的照度，传统方法是增大光源的功率。例如在目本美能达(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年德国蔡斯(Zeiss)厂的发明专利WP286(后1988年获美国专利US476666)提出，用多根光导纤维组成光导纤维束，使束状的输入端靠近光源，并用聚光镜从光源吸取能量。输出端则分散开，通过每根光导纤维分别将光源能量，导引到恒星掩模板上各个刻制的透光小孔处。这样就保证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被照明。由于此方法大大提高了光源能量的利用率，因此能显著增加恒星星点的照度。但在该德国专利WP286(美国专利US476666相同)中仍遗留了某些缺陷第一，该专利虽然提高了光源能量进入聚光镜以后的利用率，但聚光镜对光源总辐射能量的收集率仍然偏低；第二，由于采用集中光源照明，导致恒星球内数十根光纤束纵横交错，不但装配维修困难，而且光导纤维容易受损伤；第三，集中光源多采用气体放电光源如氙灯或金属卤素灯，这些光源需等待预热和冷却时间，不能随开随关，对演出节目的编排施加诸多限制；第四，气体放电光源本身无法调光，因此而配备的调光装置增加了复杂性；第五，气体放电光源点燃时必须用上万伏特的高电压触发，很容易对控制系统造成干扰。
发明内容
本发明的目的是利用新型高亮度的发光二极管(LED)分散照明的方法，将“发光二极管-耦合器-均匀器-传导光纤束-光纤导引板-恒星掩模板-放映物镜”的功能组合部件，做成独立的封闭模块。固态发光二极管的寿命长达10万小时，数倍甚至数十倍于传统的白炽灯或气体放电灯，已达到产品的全寿命周期，一次安装后无需更换。本发明中的发光二极管发出的光能可被高效率收集利用，从而解决现有技术中聚光镜对光源总辐射能量收集率偏低的问题。同时由于本发明的分散独立照明结构中，每个“发光二极管-耦合器-均匀器-传导光纤束-恒星掩模板-放映物镜”功能模块之间相互独立，消除了现有技术采用集中光源照明方法，造成恒星球内数十条光导纤维束纵横交错的混乱状况，既方便装配维护，也避免了脆弱的光导纤维束受损伤的危险性。发光二极管的亮度调节容易实现，不需要因气体放电灯本身难于调光而必须配备的附加调光装置，能从总体上简化结构。发光二极管属低电压小功率器件，使用安全，控制电路简单，可以随时开关，任意调光，不象气体放电光源如氙灯或金属卤素灯，要有预热和冷却时间，因此本发明使得演出节目的编排不再受到限制。发光二极管不需要上万伏特的高电压的触发，从而完全避免了对控制系统造成干扰的可能性。这样本发明就全面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1可见，本发明包括高亮度的发光二极管1，耦合器2，均匀器3，光导纤维束4，光纤导引板5，恒星掩模板6和放映物镜7。从发光二极管1辐射的光线，经耦合器2后进入均匀器3，作均匀化处理后照射在光导纤维束4右端的入口处。进入光导纤维束4的光线，再继续通过各条光纤分散向左传输，每根光纤的末端，分别插入光纤导引板5上相应的平行于光轴的导引孔内，使每根光纤的末端都能对准恒星掩模板6上相应的各个透光小孔。这样恒星掩模板6上被光纤照明的透光小孔，不论是位于靠近光轴的视场中心位置，或是位于远离光轴的视场边缘位置，都能通过远心光路(Telecentric)的放映物镜7在天幕8上投射出恒星光斑。
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为本发明的分散式发光二极管光纤照明系统的工作原理示意图。
图2为第一种实施方式的分散式发光二极管光纤照明系统的结构示意图。
图3为第二种实施方式的分散式发光二极管光纤照明系统的结构示意图。
图4为第三种实施方式的分散式发光二极管光纤照明系统的结构示意图。
图5为第四种实施方式的分散式发光二极管光纤照明系统的结构示意图。
图6为第五种实施方式的分散式发光二极管光纤照明系统的结构示意图。
具体实施例方式
本发明的第一种实施方式见图2。本方式适用于狭窄光束的发光二极管。从发光二极管1辐射的光线，经透镜21收集后聚焦在均匀器3的入口中心A处。进入均匀器3的光线受到均匀化后，照射在光导纤维束4右端的入口处。进入光导纤维束4的光线，继续通过各条光纤分散向左传输，每根光纤的末端，分别插入光纤导引板5上相应的平行于光轴的导引孔内，使每根光纤的末端都能对准恒星掩模板6上相应的各个透光小孔，使小孔受到照明。于是恒星掩模板6上被光纤照明的各个透光小孔，能通过放映物镜7在天幕8上投射出恒星光斑。由于光纤导引板5上的各个导引孔，都是平行于光轴的，但是距离光轴的远近不同。因此放映物镜7必须采用远心光路结构，以保证恒星掩模板6上被光纤照明的各个透光小孔，不论是位于靠近光轴的视场中心位置，或是位于远离光轴的视场边缘位置，都能通过远心光路的放映物镜7放映到天幕8上。
本发明的第二种实施方式见图3。本方式适用于边发光(Side Emitting)的发光二极管。由于边发光的发光二极管，其辐射光线的主要部分垂直于轴线附近，因此应当采用反射碗聚光装置。由图3可见，从发光二极管1辐射的垂轴光线，经椭圆反射碗22聚焦在均匀器3的入口中心A处。其后的过程同第一种实施方式，不再赘述。应当指出的是椭圆反射碗22既可以采用图3中的空壳形构造，也可以用玻璃或光学塑料等制造成实体结构，利用其椭圆回转体的外形轮廓，将从发光二极管1辐射的垂轴光线，经内反射后聚焦在均匀器3的入口中心A处。
本发明的第三种实施方式见图4。本方式适用于漫发光(Lambertian)的发光二极管。由于漫发光的发光二极管，其辐射光线的强度在前方180°半球内基本上均匀分布，因此既需要采用反射碗聚光装置，收集垂直于轴线附近的辐射光线，也需要采用透镜收集与轴线夹角较小的辐射光线。由图4可见，从发光二极管1辐射的与轴线夹角大于B的垂轴光线，经椭圆反射碗22聚焦在均匀器3的入口中心A处。同时与轴线夹角小于B的辐射光线，由于无法被椭圆反射碗22收集，因此需补充一个小透镜23，使这部分辐射光线也聚焦在均匀器3的入口中心A处。其后的过程同第一种实施方式，不再赘述。同样应当指出的是椭圆反射碗22既可以采用图4中的空壳形构造，也可以用玻璃或光学塑料等制造成实体结构，利用其椭圆回转体的外形轮廓，将从发光二极管1辐射的垂轴光线，经内反射后聚焦在均匀器3的入口中心A处。
本发明的第四种实施方式见图5，它也适用于漫发光的发光二极管。本实施方式中虽然也采用反射碗和透镜收集辐射光线，但耦合的方式略有不同。由图5可见，从发光二极管1辐射的与轴线夹角大于B的垂轴光线，经抛物反射碗24转换为平行光。同时与轴线夹角小于B的辐射光线，由于无法被抛物反射碗24收集，也需补充一个小透镜23，使这部分辐射光线也转换为平行光。最后通过准直透镜25将上述两束平行光都聚焦在均匀器3的入口中心A处。其后的过程同第一种实施方式，不再赘述。同样应当指出的是抛物反射碗24既可以采用图5中的空壳形构造，也可以用玻璃或光学塑料等制造成实体结构，利用其抛物回转体的外形轮廓，将从发光二极管1辐射的垂轴光线，经内反射后转换为平行光。本实施方式虽然比第三种实施方式略为复杂，但因准直透镜25可以在平行光中自由地沿光轴移动，以改变在均匀器3的入口中心A处的聚焦状况，在使用上比较方便。
本发明的第五种实施方式见图6。本方式适用于狭窄光束的发光二极管。从发光二极管1辐射的光线，由自聚焦透镜26收集。自聚焦透镜26的折射率从外圆柱面向中心线逐渐增大，能使入射光线的方向发生弯曲而自动聚焦在均匀器3的入口中心A处。其后的过程同第一种实施方式，不再赘述。
由于不同类型发光二极管的发光面结构和尺寸不同，发光面的亮度均匀性也有差异，因此上述各种实施方式中的均匀器3是否有必要采用，应根据实际情况决定。如果发光二极管为单一发光面结构并且尺寸足够大，发光面的亮度均匀性也好，则有可能将发光二极管辐射的光源能量直接耦合进入光导纤维束4，因而取消均匀器3。
权利要求
1，一种分散式发光二极管光纤照明系统，包括耦合器(2)，均匀器(3)，光导纤维束(4)，光纤导引板(5)，恒星掩模板(6)和放映物镜(7)，其特征在于采用高亮度的发光二极管(1)作光源；从发光二极管(1)辐射的光线，经耦合器(2)后进入均匀器(3)，作均匀化处理后照射在光导纤维束(4)的入口处；进入光导纤维束(4)的光线，再继续通过各条光纤分散传输，每根光纤的末端，分别插入光纤导引板(5)上相应的平行于光轴的导引孔内，使每根光纤的末端都能对准恒星掩模板(6)上相应的各个透光小孔；恒星掩模板(6)上被光纤照明的透光小孔，不论是位于靠近光轴的视场中心位置，或是位于远离光轴的视场边缘位置，都能通过远心光路的放映物镜(7)在天幕(8)上投射出恒星光斑。
2，根据权利要求1所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于将“发光二极管-耦合器-均匀器-传导光纤束-光纤导引板-恒星掩模板-放映物镜”的功能组合部件，做成独立的封闭模块。
3，根据权利要求1或2所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于耦合器(2)采用透镜聚焦方式，从发光二极管(1)辐射的光线，经透镜(21)收集后聚焦在均匀器(3)的入口中心A处。
4，根据权利要求1或2所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于耦合器(2)采用椭圆反射碗聚焦方式，从发光二极管(1)辐射的光线，经椭圆反射碗(22)聚焦在均匀器(3)的入口中心A处。
5，根据权利要求1或2所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于耦合器(2)采用椭圆反射碗加小透镜的聚焦方式，从发光二极管(1)辐射的与轴线夹角大于B的垂轴光线，经椭圆反射碗(22)聚焦在均匀器(3)的入口中心A处；同时与轴线夹角小于B的辐射光线，经由小透镜(23)也聚焦在均匀器(3)的入口中心A处。
6，根据权利要求1或2所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于耦合器(2)采用抛物反射碗加小透镜加准直透镜的聚焦方式，从发光二极管(1)辐射的与轴线夹角大于B的垂轴光线，经抛物反射碗(24)转换为平行光；同时与轴线夹角小于B的辐射光线，经由小透镜(23)也转换为平行光，最后通过准直透镜(25)将上述两束平行光都聚焦在均匀器(3)的入口中心A处。
7，根据权利要求1或2所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于耦合器(2)采用自聚焦透镜的聚焦方式；从发光二极管(1)辐射的光线，由自聚焦透镜(26)收集；自聚焦透镜(26)的折射率从外圆柱面向中心线逐渐增大，能使入射光线的方向发生弯曲而自动聚焦在均匀器(3)的入口中心A处。
8，根据权利要求1或2或4或5所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于椭圆反射碗(22)既可以是空壳形构造，也可以用玻璃或光学塑料等制造成实体结构，利用其椭圆回转体的外形轮廓，将从发光二极管(1)辐射的光线，经内反射后聚焦在均匀器(3)的入口中心A处。
9，根据权利要求1或2或6所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于抛物反射碗(24)既可以是空壳形构造，也可以用玻璃或光学塑料等制造成实体结构，利用其抛物回转体的外形轮廓，将从发光二极管(1)辐射的光线，经内反射后转换为平行光，然后通过准直透镜(25)聚焦在均匀器(3)的入口中心A处。
10，根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的分散式发光二极管光纤照明系统，其特征在于如果发光二极管为单一发光面结构并且尺寸足够大，发光面的亮度均匀性也好，则均匀器(3)可以取消。
全文摘要
一种分散式发光二极管光纤照明系统，主要用于天象仪等放映设备中提高离散图象的照度。由发光二极管1，耦合器2，均匀器3，光导纤维束4，光纤导引板5，恒星掩模板6和放映物镜7组成。从发光二极管1辐射的光线，经耦合器2后进入均匀器3，均匀化后经光导纤维束4的入口，并继续通过各条光纤分散传输。每根光纤的末端分别插入光纤导引板5上相应的平行于光轴的导引孔内，并对准恒星掩模板6上相应的各个透光小孔。这样恒星掩模板6上被光纤照明的透光小孔，不论是位于靠近光轴的视场中心位置，或是位于远离光轴的视场边缘位置，都能通过远心光路的放映物镜7在天幕8上投射出恒星光斑。整套装置做成独立模块，节能而且便于装调维护。
文档编号H04B10/12GK1924635SQ20051009341
公开日2007年3月7日 申请日期2005年8月29日 优先权日2005年8月29日
发明者伍少昊, 赵占芳, 伍牧 申请人:伍少昊