專(zhuān)利名稱(chēng)：分散式發(fā)光二極管(led)光纖照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光導(dǎo)纖維照明系統(tǒng)，特別是天象儀恒星放映器的分散式恒星星點(diǎn)照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光學(xué)天象儀，其恒星天空是由數(shù)十個(gè)恒星放映器投影拚接而成。單個(gè)恒星放映器由光源，聚光鏡，恒星掩模板(幻燈片)和放映物鏡組成，其工作原理與幻燈機(jī)相同。天象儀上有一個(gè)空心圓球，各個(gè)恒星放映器均勻地排列在圓球上，各放映器的光軸都指向球心，共用一個(gè)位于球心的光源。聚光鏡把光源發(fā)出的光線(xiàn)匯聚在放映物鏡的入口處，也就是說(shuō)由光源進(jìn)入聚光鏡口徑的光源能量，被匯聚后通過(guò)放映物鏡投射到天幕上，使整個(gè)視場(chǎng)被照亮。放映物鏡的焦面處，放置恒星掩模板，它是在一塊不透光的底板上面刻有許多個(gè)代表恒星的透光小孔。恒星掩模板的各個(gè)透光小孔，被放映物鏡投射在天幕上的象，就是天象儀恒星放映器所放映的各顆恒星。上述傳統(tǒng)天象儀的工作原理，詳情可參見(jiàn)Heinz Letsch的書(shū)《Das Zeiss-Planetarium》(Gustav FischerVerlag，Jena，1955)。
顯然傳統(tǒng)光學(xué)天象儀中，恒星天空放映方法的光能利用率極低—這相當(dāng)于用一塊不透光的底板把放映光線(xiàn)全擋住，使亮視場(chǎng)變成黑屏。其中僅對(duì)應(yīng)于恒星掩模版上的透光小孔處，才留出有用的恒星亮點(diǎn)。由于恒星掩模板透光小孔的直徑很小，所有透光小孔加起來(lái)的總面積，也不到恒星掩模板面積的千分之一。換句話(huà)說(shuō)，進(jìn)入聚光鏡的光源能量，其中超過(guò)99.9％被恒星掩模板的不透光部分阻擋，最終轉(zhuǎn)化為無(wú)用反而有害的熱能，總的光能利用率還不到千分之一。
恒星的照度是天象儀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。為了提高天象儀放映恒星的照度，傳統(tǒng)方法是增大光源的功率。例如在目本美能達(dá)(Minolta)廠的Infinium天象儀中，采用了4KW的光源，但隨之帶來(lái)了散熱等一系列問(wèn)題。顯然合理的技術(shù)解決途徑，是提高光源能量的利用效率。為此1978年德國(guó)蔡斯(Zeiss)廠的發(fā)明專(zhuān)利WP286(后1988年獲美國(guó)專(zhuān)利US476666)提出，用多根光導(dǎo)纖維組成光導(dǎo)纖維束，使束狀的輸入端靠近光源，并用聚光鏡從光源吸取能量。輸出端則分散開(kāi)，通過(guò)每根光導(dǎo)纖維分別將光源能量，導(dǎo)引到恒星掩模板上各個(gè)刻制的透光小孔處。這樣就保證需要照明的透光小孔局部區(qū)域受到照明，而沒(méi)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，因此能顯著增加恒星星點(diǎn)的照度。但在該德國(guó)專(zhuān)利WP286(美國(guó)專(zhuān)利US476666相同)中仍遺留了某些缺陷第一，該專(zhuān)利雖然提高了光源能量進(jìn)入聚光鏡以后的利用率，但聚光鏡對(duì)光源總輻射能量的收集率仍然偏低；第二，由于采用集中光源照明，導(dǎo)致恒星球內(nèi)數(shù)十根光纖束縱橫交錯(cuò)，不但裝配維修困難，而且光導(dǎo)纖維容易受損傷；第三，集中光源多采用氣體放電光源如氙燈或金屬鹵素?zé)?，這些光源需等待預(yù)熱和冷卻時(shí)間，不能隨開(kāi)隨關(guān)，對(duì)演出節(jié)目的編排施加諸多限制；第四，氣體放電光源本身無(wú)法調(diào)光，因此而配備的調(diào)光裝置增加了復(fù)雜性；第五，氣體放電光源點(diǎn)燃時(shí)必須用上萬(wàn)伏特的高電壓觸發(fā)，很容易對(duì)控制系統(tǒng)造成干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用新型高亮度的發(fā)光二極管(LED)分散照明的方法，將“發(fā)光二極管-耦合器-均勻器-傳導(dǎo)光纖束-光纖導(dǎo)引板-恒星掩模板-放映物鏡”的功能組合部件，做成獨(dú)立的封閉模塊。固態(tài)發(fā)光二極管的壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，數(shù)倍甚至數(shù)十倍于傳統(tǒng)的白熾燈或氣體放電燈，已達(dá)到產(chǎn)品的全壽命周期，一次安裝后無(wú)需更換。本發(fā)明中的發(fā)光二極管發(fā)出的光能可被高效率收集利用，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中聚光鏡對(duì)光源總輻射能量收集率偏低的問(wèn)題。同時(shí)由于本發(fā)明的分散獨(dú)立照明結(jié)構(gòu)中，每個(gè)“發(fā)光二極管-耦合器-均勻器-傳導(dǎo)光纖束-恒星掩模板-放映物鏡”功能模塊之間相互獨(dú)立，消除了現(xiàn)有技術(shù)采用集中光源照明方法，造成恒星球內(nèi)數(shù)十條光導(dǎo)纖維束縱橫交錯(cuò)的混亂狀況，既方便裝配維護(hù)，也避免了脆弱的光導(dǎo)纖維束受損傷的危險(xiǎn)性。發(fā)光二極管的亮度調(diào)節(jié)容易實(shí)現(xiàn)，不需要因氣體放電燈本身難于調(diào)光而必須配備的附加調(diào)光裝置，能從總體上簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管屬低電壓小功率器件，使用安全，控制電路簡(jiǎn)單，可以隨時(shí)開(kāi)關(guān)，任意調(diào)光，不象氣體放電光源如氙燈或金屬鹵素?zé)?，要有預(yù)熱和冷卻時(shí)間，因此本發(fā)明使得演出節(jié)目的編排不再受到限制。發(fā)光二極管不需要上萬(wàn)伏特的高電壓的觸發(fā)，從而完全避免了對(duì)控制系統(tǒng)造成干擾的可能性。這樣本發(fā)明就全面解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的由圖1可見(jiàn)，本發(fā)明包括高亮度的發(fā)光二極管1，耦合器2，均勻器3，光導(dǎo)纖維束4，光纖導(dǎo)引板5，恒星掩模板6和放映物鏡7。從發(fā)光二極管1輻射的光線(xiàn)，經(jīng)耦合器2后進(jìn)入均勻器3，作均勻化處理后照射在光導(dǎo)纖維束4右端的入口處。進(jìn)入光導(dǎo)纖維束4的光線(xiàn)，再繼續(xù)通過(guò)各條光纖分散向左傳輸，每根光纖的末端，分別插入光纖導(dǎo)引板5上相應(yīng)的平行于光軸的導(dǎo)引孔內(nèi)，使每根光纖的末端都能對(duì)準(zhǔn)恒星掩模板6上相應(yīng)的各個(gè)透光小孔。這樣恒星掩模板6上被光纖照明的透光小孔，不論是位于靠近光軸的視場(chǎng)中心位置，或是位于遠(yuǎn)離光軸的視場(chǎng)邊緣位置，都能通過(guò)遠(yuǎn)心光路(Telecentric)的放映物鏡7在天幕8上投射出恒星光斑。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)的工作原理示意圖。
圖2為第一種實(shí)施方式的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為第二種實(shí)施方式的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為第三種實(shí)施方式的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為第四種實(shí)施方式的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為第五種實(shí)施方式的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的第一種實(shí)施方式見(jiàn)圖2。本方式適用于狹窄光束的發(fā)光二極管。從發(fā)光二極管1輻射的光線(xiàn)，經(jīng)透鏡21收集后聚焦在均勻器3的入口中心A處。進(jìn)入均勻器3的光線(xiàn)受到均勻化后，照射在光導(dǎo)纖維束4右端的入口處。進(jìn)入光導(dǎo)纖維束4的光線(xiàn)，繼續(xù)通過(guò)各條光纖分散向左傳輸，每根光纖的末端，分別插入光纖導(dǎo)引板5上相應(yīng)的平行于光軸的導(dǎo)引孔內(nèi)，使每根光纖的末端都能對(duì)準(zhǔn)恒星掩模板6上相應(yīng)的各個(gè)透光小孔，使小孔受到照明。于是恒星掩模板6上被光纖照明的各個(gè)透光小孔，能通過(guò)放映物鏡7在天幕8上投射出恒星光斑。由于光纖導(dǎo)引板5上的各個(gè)導(dǎo)引孔，都是平行于光軸的，但是距離光軸的遠(yuǎn)近不同。因此放映物鏡7必須采用遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)，以保證恒星掩模板6上被光纖照明的各個(gè)透光小孔，不論是位于靠近光軸的視場(chǎng)中心位置，或是位于遠(yuǎn)離光軸的視場(chǎng)邊緣位置，都能通過(guò)遠(yuǎn)心光路的放映物鏡7放映到天幕8上。
本發(fā)明的第二種實(shí)施方式見(jiàn)圖3。本方式適用于邊發(fā)光(Side Emitting)的發(fā)光二極管。由于邊發(fā)光的發(fā)光二極管，其輻射光線(xiàn)的主要部分垂直于軸線(xiàn)附近，因此應(yīng)當(dāng)采用反射碗聚光裝置。由圖3可見(jiàn)，從發(fā)光二極管1輻射的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)橢圓反射碗22聚焦在均勻器3的入口中心A處。其后的過(guò)程同第一種實(shí)施方式，不再贅述。應(yīng)當(dāng)指出的是橢圓反射碗22既可以采用圖3中的空殼形構(gòu)造，也可以用玻璃或光學(xué)塑料等制造成實(shí)體結(jié)構(gòu)，利用其橢圓回轉(zhuǎn)體的外形輪廓，將從發(fā)光二極管1輻射的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)內(nèi)反射后聚焦在均勻器3的入口中心A處。
本發(fā)明的第三種實(shí)施方式見(jiàn)圖4。本方式適用于漫發(fā)光(Lambertian)的發(fā)光二極管。由于漫發(fā)光的發(fā)光二極管，其輻射光線(xiàn)的強(qiáng)度在前方180°半球內(nèi)基本上均勻分布，因此既需要采用反射碗聚光裝置，收集垂直于軸線(xiàn)附近的輻射光線(xiàn)，也需要采用透鏡收集與軸線(xiàn)夾角較小的輻射光線(xiàn)。由圖4可見(jiàn)，從發(fā)光二極管1輻射的與軸線(xiàn)夾角大于B的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)橢圓反射碗22聚焦在均勻器3的入口中心A處。同時(shí)與軸線(xiàn)夾角小于B的輻射光線(xiàn)，由于無(wú)法被橢圓反射碗22收集，因此需補(bǔ)充一個(gè)小透鏡23，使這部分輻射光線(xiàn)也聚焦在均勻器3的入口中心A處。其后的過(guò)程同第一種實(shí)施方式，不再贅述。同樣應(yīng)當(dāng)指出的是橢圓反射碗22既可以采用圖4中的空殼形構(gòu)造，也可以用玻璃或光學(xué)塑料等制造成實(shí)體結(jié)構(gòu)，利用其橢圓回轉(zhuǎn)體的外形輪廓，將從發(fā)光二極管1輻射的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)內(nèi)反射后聚焦在均勻器3的入口中心A處。
本發(fā)明的第四種實(shí)施方式見(jiàn)圖5，它也適用于漫發(fā)光的發(fā)光二極管。本實(shí)施方式中雖然也采用反射碗和透鏡收集輻射光線(xiàn)，但耦合的方式略有不同。由圖5可見(jiàn)，從發(fā)光二極管1輻射的與軸線(xiàn)夾角大于B的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)拋物反射碗24轉(zhuǎn)換為平行光。同時(shí)與軸線(xiàn)夾角小于B的輻射光線(xiàn)，由于無(wú)法被拋物反射碗24收集，也需補(bǔ)充一個(gè)小透鏡23，使這部分輻射光線(xiàn)也轉(zhuǎn)換為平行光。最后通過(guò)準(zhǔn)直透鏡25將上述兩束平行光都聚焦在均勻器3的入口中心A處。其后的過(guò)程同第一種實(shí)施方式，不再贅述。同樣應(yīng)當(dāng)指出的是拋物反射碗24既可以采用圖5中的空殼形構(gòu)造，也可以用玻璃或光學(xué)塑料等制造成實(shí)體結(jié)構(gòu)，利用其拋物回轉(zhuǎn)體的外形輪廓，將從發(fā)光二極管1輻射的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)內(nèi)反射后轉(zhuǎn)換為平行光。本實(shí)施方式雖然比第三種實(shí)施方式略為復(fù)雜，但因準(zhǔn)直透鏡25可以在平行光中自由地沿光軸移動(dòng)，以改變?cè)诰鶆蚱?的入口中心A處的聚焦?fàn)顩r，在使用上比較方便。
本發(fā)明的第五種實(shí)施方式見(jiàn)圖6。本方式適用于狹窄光束的發(fā)光二極管。從發(fā)光二極管1輻射的光線(xiàn)，由自聚焦透鏡26收集。自聚焦透鏡26的折射率從外圓柱面向中心線(xiàn)逐漸增大，能使入射光線(xiàn)的方向發(fā)生彎曲而自動(dòng)聚焦在均勻器3的入口中心A處。其后的過(guò)程同第一種實(shí)施方式，不再贅述。
由于不同類(lèi)型發(fā)光二極管的發(fā)光面結(jié)構(gòu)和尺寸不同，發(fā)光面的亮度均勻性也有差異，因此上述各種實(shí)施方式中的均勻器3是否有必要采用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況決定。如果發(fā)光二極管為單一發(fā)光面結(jié)構(gòu)并且尺寸足夠大，發(fā)光面的亮度均勻性也好，則有可能將發(fā)光二極管輻射的光源能量直接耦合進(jìn)入光導(dǎo)纖維束4，因而取消均勻器3。
權(quán)利要求
1，一種分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，包括耦合器(2)，均勻器(3)，光導(dǎo)纖維束(4)，光纖導(dǎo)引板(5)，恒星掩模板(6)和放映物鏡(7)，其特征在于采用高亮度的發(fā)光二極管(1)作光源；從發(fā)光二極管(1)輻射的光線(xiàn)，經(jīng)耦合器(2)后進(jìn)入均勻器(3)，作均勻化處理后照射在光導(dǎo)纖維束(4)的入口處；進(jìn)入光導(dǎo)纖維束(4)的光線(xiàn)，再繼續(xù)通過(guò)各條光纖分散傳輸，每根光纖的末端，分別插入光纖導(dǎo)引板(5)上相應(yīng)的平行于光軸的導(dǎo)引孔內(nèi)，使每根光纖的末端都能對(duì)準(zhǔn)恒星掩模板(6)上相應(yīng)的各個(gè)透光小孔；恒星掩模板(6)上被光纖照明的透光小孔，不論是位于靠近光軸的視場(chǎng)中心位置，或是位于遠(yuǎn)離光軸的視場(chǎng)邊緣位置，都能通過(guò)遠(yuǎn)心光路的放映物鏡(7)在天幕(8)上投射出恒星光斑。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于將“發(fā)光二極管-耦合器-均勻器-傳導(dǎo)光纖束-光纖導(dǎo)引板-恒星掩模板-放映物鏡”的功能組合部件，做成獨(dú)立的封閉模塊。
3，根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于耦合器(2)采用透鏡聚焦方式，從發(fā)光二極管(1)輻射的光線(xiàn)，經(jīng)透鏡(21)收集后聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
4，根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于耦合器(2)采用橢圓反射碗聚焦方式，從發(fā)光二極管(1)輻射的光線(xiàn)，經(jīng)橢圓反射碗(22)聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
5，根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于耦合器(2)采用橢圓反射碗加小透鏡的聚焦方式，從發(fā)光二極管(1)輻射的與軸線(xiàn)夾角大于B的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)橢圓反射碗(22)聚焦在均勻器(3)的入口中心A處；同時(shí)與軸線(xiàn)夾角小于B的輻射光線(xiàn)，經(jīng)由小透鏡(23)也聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
6，根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于耦合器(2)采用拋物反射碗加小透鏡加準(zhǔn)直透鏡的聚焦方式，從發(fā)光二極管(1)輻射的與軸線(xiàn)夾角大于B的垂軸光線(xiàn)，經(jīng)拋物反射碗(24)轉(zhuǎn)換為平行光；同時(shí)與軸線(xiàn)夾角小于B的輻射光線(xiàn)，經(jīng)由小透鏡(23)也轉(zhuǎn)換為平行光，最后通過(guò)準(zhǔn)直透鏡(25)將上述兩束平行光都聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
7，根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于耦合器(2)采用自聚焦透鏡的聚焦方式；從發(fā)光二極管(1)輻射的光線(xiàn)，由自聚焦透鏡(26)收集；自聚焦透鏡(26)的折射率從外圓柱面向中心線(xiàn)逐漸增大，能使入射光線(xiàn)的方向發(fā)生彎曲而自動(dòng)聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
8，根據(jù)權(quán)利要求1或2或4或5所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于橢圓反射碗(22)既可以是空殼形構(gòu)造，也可以用玻璃或光學(xué)塑料等制造成實(shí)體結(jié)構(gòu)，利用其橢圓回轉(zhuǎn)體的外形輪廓，將從發(fā)光二極管(1)輻射的光線(xiàn)，經(jīng)內(nèi)反射后聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
9，根據(jù)權(quán)利要求1或2或6所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于拋物反射碗(24)既可以是空殼形構(gòu)造，也可以用玻璃或光學(xué)塑料等制造成實(shí)體結(jié)構(gòu)，利用其拋物回轉(zhuǎn)體的外形輪廓，將從發(fā)光二極管(1)輻射的光線(xiàn)，經(jīng)內(nèi)反射后轉(zhuǎn)換為平行光，然后通過(guò)準(zhǔn)直透鏡(25)聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
10，根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，其特征在于如果發(fā)光二極管為單一發(fā)光面結(jié)構(gòu)并且尺寸足夠大，發(fā)光面的亮度均勻性也好，則均勻器(3)可以取消。
全文摘要
一種分散式發(fā)光二極管光纖照明系統(tǒng)，主要用于天象儀等放映設(shè)備中提高離散圖象的照度。由發(fā)光二極管1，耦合器2，均勻器3，光導(dǎo)纖維束4，光纖導(dǎo)引板5，恒星掩模板6和放映物鏡7組成。從發(fā)光二極管1輻射的光線(xiàn)，經(jīng)耦合器2后進(jìn)入均勻器3，均勻化后經(jīng)光導(dǎo)纖維束4的入口，并繼續(xù)通過(guò)各條光纖分散傳輸。每根光纖的末端分別插入光纖導(dǎo)引板5上相應(yīng)的平行于光軸的導(dǎo)引孔內(nèi)，并對(duì)準(zhǔn)恒星掩模板6上相應(yīng)的各個(gè)透光小孔。這樣恒星掩模板6上被光纖照明的透光小孔，不論是位于靠近光軸的視場(chǎng)中心位置，或是位于遠(yuǎn)離光軸的視場(chǎng)邊緣位置，都能通過(guò)遠(yuǎn)心光路的放映物鏡7在天幕8上投射出恒星光斑。整套裝置做成獨(dú)立模塊，節(jié)能而且便于裝調(diào)維護(hù)。
文檔編號(hào)H04B10/12GK1924635SQ20051009341
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月29日
發(fā)明者伍少昊, 趙占芳, 伍牧 申請(qǐng)人:伍少昊