分散式發光二極體(led)光纖照明系統的製作方法

2023-09-19 14:19:25 2

專利名稱：分散式發光二極體(led)光纖照明系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光導纖維照明系統，特別是天象儀恆星放映器的分散式恆星星點照明系統。
背景技術：
傳統的光學天象儀，其恆星天空是由數十個恆星放映器投影拚接而成。單個恆星放映器由光源，聚光鏡，恆星掩模板(幻燈片)和放映物鏡組成，其工作原理與幻燈機相同。天象儀上有一個空心圓球，各個恆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，共用一個位於球心的光源。聚光鏡把光源發出的光線匯聚在放映物鏡的入口處，也就是說由光源進入聚光鏡口徑的光源能量，被匯聚後通過放映物鏡投射到天幕上，使整個視場被照亮。放映物鏡的焦面處，放置恆星掩模板，它是在一塊不透光的底板上面刻有許多個代表恆星的透光小孔。恆星掩模板的各個透光小孔，被放映物鏡投射在天幕上的象，就是天象儀恆星放映器所放映的各顆恆星。上述傳統天象儀的工作原理，詳情可參見Heinz Letsch的書《Das Zeiss-Planetarium》(Gustav FischerVerlag，Jena，1955)。
顯然傳統光學天象儀中，恆星天空放映方法的光能利用率極低—這相當於用一塊不透光的底板把放映光線全擋住，使亮視場變成黑屏。其中僅對應於恆星掩模版上的透光小孔處，才留出有用的恆星亮點。由於恆星掩模板透光小孔的直徑很小，所有透光小孔加起來的總面積，也不到恆星掩模板面積的千分之一。換句話說，進入聚光鏡的光源能量，其中超過99.9％被恆星掩模板的不透光部分阻擋，最終轉化為無用反而有害的熱能，總的光能利用率還不到千分之一。
恆星的照度是天象儀的關鍵技術指標。為了提高天象儀放映恆星的照度，傳統方法是增大光源的功率。例如在目本美能達(Minolta)廠的Infinium天象儀中，採用了4KW的光源，但隨之帶來了散熱等一系列問題。顯然合理的技術解決途徑，是提高光源能量的利用效率。為此1978年德國蔡斯(Zeiss)廠的發明專利WP286(後1988年獲美國專利US476666)提出，用多根光導纖維組成光導纖維束，使束狀的輸入端靠近光源，並用聚光鏡從光源吸取能量。輸出端則分散開，通過每根光導纖維分別將光源能量，導引到恆星掩模板上各個刻制的透光小孔處。這樣就保證需要照明的透光小孔局部區域受到照明，而沒有透光小孔的其它地方不被照明。由於此方法大大提高了光源能量的利用率，因此能顯著增加恆星星點的照度。但在該德國專利WP286(美國專利US476666相同)中仍遺留了某些缺陷第一，該專利雖然提高了光源能量進入聚光鏡以後的利用率，但聚光鏡對光源總輻射能量的收集率仍然偏低；第二，由於採用集中光源照明，導致恆星球內數十根光纖束縱橫交錯，不但裝配維修困難，而且光導纖維容易受損傷；第三，集中光源多採用氣體放電光源如氙燈或金屬滷素燈，這些光源需等待預熱和冷卻時間，不能隨開隨關，對演出節目的編排施加諸多限制；第四，氣體放電光源本身無法調光，因此而配備的調光裝置增加了複雜性；第五，氣體放電光源點燃時必須用上萬伏特的高電壓觸發，很容易對控制系統造成幹擾。

發明內容
本發明的目的是利用新型高亮度的發光二極體(LED)分散照明的方法，將「發光二極體-耦合器-均勻器-傳導光纖束-光纖導引板-恆星掩模板-放映物鏡」的功能組合部件，做成獨立的封閉模塊。固態發光二極體的壽命長達10萬小時，數倍甚至數十倍於傳統的白熾燈或氣體放電燈，已達到產品的全壽命周期，一次安裝後無需更換。本發明中的發光二極體發出的光能可被高效率收集利用，從而解決現有技術中聚光鏡對光源總輻射能量收集率偏低的問題。同時由於本發明的分散獨立照明結構中，每個「發光二極體-耦合器-均勻器-傳導光纖束-恆星掩模板-放映物鏡」功能模塊之間相互獨立，消除了現有技術採用集中光源照明方法，造成恆星球內數十條光導纖維束縱橫交錯的混亂狀況，既方便裝配維護，也避免了脆弱的光導纖維束受損傷的危險性。發光二極體的亮度調節容易實現，不需要因氣體放電燈本身難於調光而必須配備的附加調光裝置，能從總體上簡化結構。發光二極體屬低電壓小功率器件，使用安全，控制電路簡單，可以隨時開關，任意調光，不象氣體放電光源如氙燈或金屬滷素燈，要有預熱和冷卻時間，因此本發明使得演出節目的編排不再受到限制。發光二極體不需要上萬伏特的高電壓的觸發，從而完全避免了對控制系統造成幹擾的可能性。這樣本發明就全面解決了現有技術存在的問題。
本發明的目的是這樣實現的由圖1可見，本發明包括高亮度的發光二極體1，耦合器2，均勻器3，光導纖維束4，光纖導引板5，恆星掩模板6和放映物鏡7。從發光二極體1輻射的光線，經耦合器2後進入均勻器3，作均勻化處理後照射在光導纖維束4右端的入口處。進入光導纖維束4的光線，再繼續通過各條光纖分散向左傳輸，每根光纖的末端，分別插入光纖導引板5上相應的平行於光軸的導引孔內，使每根光纖的末端都能對準恆星掩模板6上相應的各個透光小孔。這樣恆星掩模板6上被光纖照明的透光小孔，不論是位於靠近光軸的視場中心位置，或是位於遠離光軸的視場邊緣位置，都能通過遠心光路(Telecentric)的放映物鏡7在天幕8上投射出恆星光斑。


下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明進一步詳細說明。
圖1為本發明的分散式發光二極體光纖照明系統的工作原理示意圖。
圖2為第一種實施方式的分散式發光二極體光纖照明系統的結構示意圖。
圖3為第二種實施方式的分散式發光二極體光纖照明系統的結構示意圖。
圖4為第三種實施方式的分散式發光二極體光纖照明系統的結構示意圖。
圖5為第四種實施方式的分散式發光二極體光纖照明系統的結構示意圖。
圖6為第五種實施方式的分散式發光二極體光纖照明系統的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明的第一種實施方式見圖2。本方式適用於狹窄光束的發光二極體。從發光二極體1輻射的光線，經透鏡21收集後聚焦在均勻器3的入口中心A處。進入均勻器3的光線受到均勻化後，照射在光導纖維束4右端的入口處。進入光導纖維束4的光線，繼續通過各條光纖分散向左傳輸，每根光纖的末端，分別插入光纖導引板5上相應的平行於光軸的導引孔內，使每根光纖的末端都能對準恆星掩模板6上相應的各個透光小孔，使小孔受到照明。於是恆星掩模板6上被光纖照明的各個透光小孔，能通過放映物鏡7在天幕8上投射出恆星光斑。由於光纖導引板5上的各個導引孔，都是平行於光軸的，但是距離光軸的遠近不同。因此放映物鏡7必須採用遠心光路結構，以保證恆星掩模板6上被光纖照明的各個透光小孔，不論是位於靠近光軸的視場中心位置，或是位於遠離光軸的視場邊緣位置，都能通過遠心光路的放映物鏡7放映到天幕8上。
本發明的第二種實施方式見圖3。本方式適用於邊發光(Side Emitting)的發光二極體。由於邊發光的發光二極體，其輻射光線的主要部分垂直於軸線附近，因此應當採用反射碗聚光裝置。由圖3可見，從發光二極體1輻射的垂軸光線，經橢圓反射碗22聚焦在均勻器3的入口中心A處。其後的過程同第一種實施方式，不再贅述。應當指出的是橢圓反射碗22既可以採用圖3中的空殼形構造，也可以用玻璃或光學塑料等製造成實體結構，利用其橢圓迴轉體的外形輪廓，將從發光二極體1輻射的垂軸光線，經內反射後聚焦在均勻器3的入口中心A處。
本發明的第三種實施方式見圖4。本方式適用於漫發光(Lambertian)的發光二極體。由於漫發光的發光二極體，其輻射光線的強度在前方180°半球內基本上均勻分布，因此既需要採用反射碗聚光裝置，收集垂直於軸線附近的輻射光線，也需要採用透鏡收集與軸線夾角較小的輻射光線。由圖4可見，從發光二極體1輻射的與軸線夾角大於B的垂軸光線，經橢圓反射碗22聚焦在均勻器3的入口中心A處。同時與軸線夾角小於B的輻射光線，由於無法被橢圓反射碗22收集，因此需補充一個小透鏡23，使這部分輻射光線也聚焦在均勻器3的入口中心A處。其後的過程同第一種實施方式，不再贅述。同樣應當指出的是橢圓反射碗22既可以採用圖4中的空殼形構造，也可以用玻璃或光學塑料等製造成實體結構，利用其橢圓迴轉體的外形輪廓，將從發光二極體1輻射的垂軸光線，經內反射後聚焦在均勻器3的入口中心A處。
本發明的第四種實施方式見圖5，它也適用於漫發光的發光二極體。本實施方式中雖然也採用反射碗和透鏡收集輻射光線，但耦合的方式略有不同。由圖5可見，從發光二極體1輻射的與軸線夾角大於B的垂軸光線，經拋物反射碗24轉換為平行光。同時與軸線夾角小於B的輻射光線，由於無法被拋物反射碗24收集，也需補充一個小透鏡23，使這部分輻射光線也轉換為平行光。最後通過準直透鏡25將上述兩束平行光都聚焦在均勻器3的入口中心A處。其後的過程同第一種實施方式，不再贅述。同樣應當指出的是拋物反射碗24既可以採用圖5中的空殼形構造，也可以用玻璃或光學塑料等製造成實體結構，利用其拋物迴轉體的外形輪廓，將從發光二極體1輻射的垂軸光線，經內反射後轉換為平行光。本實施方式雖然比第三種實施方式略為複雜，但因準直透鏡25可以在平行光中自由地沿光軸移動，以改變在均勻器3的入口中心A處的聚焦狀況，在使用上比較方便。
本發明的第五種實施方式見圖6。本方式適用於狹窄光束的發光二極體。從發光二極體1輻射的光線，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逐漸增大，能使入射光線的方向發生彎曲而自動聚焦在均勻器3的入口中心A處。其後的過程同第一種實施方式，不再贅述。
由於不同類型發光二極體的發光面結構和尺寸不同，發光面的亮度均勻性也有差異，因此上述各種實施方式中的均勻器3是否有必要採用，應根據實際情況決定。如果發光二極體為單一發光面結構並且尺寸足夠大，發光面的亮度均勻性也好，則有可能將發光二極體輻射的光源能量直接耦合進入光導纖維束4，因而取消均勻器3。
權利要求
1，一種分散式發光二極體光纖照明系統，包括耦合器(2)，均勻器(3)，光導纖維束(4)，光纖導引板(5)，恆星掩模板(6)和放映物鏡(7)，其特徵在於採用高亮度的發光二極體(1)作光源；從發光二極體(1)輻射的光線，經耦合器(2)後進入均勻器(3)，作均勻化處理後照射在光導纖維束(4)的入口處；進入光導纖維束(4)的光線，再繼續通過各條光纖分散傳輸，每根光纖的末端，分別插入光纖導引板(5)上相應的平行於光軸的導引孔內，使每根光纖的末端都能對準恆星掩模板(6)上相應的各個透光小孔；恆星掩模板(6)上被光纖照明的透光小孔，不論是位於靠近光軸的視場中心位置，或是位於遠離光軸的視場邊緣位置，都能通過遠心光路的放映物鏡(7)在天幕(8)上投射出恆星光斑。
2，根據權利要求1所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於將「發光二極體-耦合器-均勻器-傳導光纖束-光纖導引板-恆星掩模板-放映物鏡」的功能組合部件，做成獨立的封閉模塊。
3，根據權利要求1或2所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於耦合器(2)採用透鏡聚焦方式，從發光二極體(1)輻射的光線，經透鏡(21)收集後聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
4，根據權利要求1或2所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於耦合器(2)採用橢圓反射碗聚焦方式，從發光二極體(1)輻射的光線，經橢圓反射碗(22)聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
5，根據權利要求1或2所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於耦合器(2)採用橢圓反射碗加小透鏡的聚焦方式，從發光二極體(1)輻射的與軸線夾角大於B的垂軸光線，經橢圓反射碗(22)聚焦在均勻器(3)的入口中心A處；同時與軸線夾角小於B的輻射光線，經由小透鏡(23)也聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
6，根據權利要求1或2所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於耦合器(2)採用拋物反射碗加小透鏡加準直透鏡的聚焦方式，從發光二極體(1)輻射的與軸線夾角大於B的垂軸光線，經拋物反射碗(24)轉換為平行光；同時與軸線夾角小於B的輻射光線，經由小透鏡(23)也轉換為平行光，最後通過準直透鏡(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，根據權利要求1或2所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於耦合器(2)採用自聚焦透鏡的聚焦方式；從發光二極體(1)輻射的光線，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逐漸增大，能使入射光線的方向發生彎曲而自動聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
8，根據權利要求1或2或4或5所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於橢圓反射碗(22)既可以是空殼形構造，也可以用玻璃或光學塑料等製造成實體結構，利用其橢圓迴轉體的外形輪廓，將從發光二極體(1)輻射的光線，經內反射後聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
9，根據權利要求1或2或6所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於拋物反射碗(24)既可以是空殼形構造，也可以用玻璃或光學塑料等製造成實體結構，利用其拋物迴轉體的外形輪廓，將從發光二極體(1)輻射的光線，經內反射後轉換為平行光，然後通過準直透鏡(25)聚焦在均勻器(3)的入口中心A處。
10，根據權利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的分散式發光二極體光纖照明系統，其特徵在於如果發光二極體為單一發光面結構並且尺寸足夠大，發光面的亮度均勻性也好，則均勻器(3)可以取消。
全文摘要
一種分散式發光二極體光纖照明系統，主要用於天象儀等放映設備中提高離散圖象的照度。由發光二極體1，耦合器2，均勻器3，光導纖維束4，光纖導引板5，恆星掩模板6和放映物鏡7組成。從發光二極體1輻射的光線，經耦合器2後進入均勻器3，均勻化後經光導纖維束4的入口，並繼續通過各條光纖分散傳輸。每根光纖的末端分別插入光纖導引板5上相應的平行於光軸的導引孔內，並對準恆星掩模板6上相應的各個透光小孔。這樣恆星掩模板6上被光纖照明的透光小孔，不論是位於靠近光軸的視場中心位置，或是位於遠離光軸的視場邊緣位置，都能通過遠心光路的放映物鏡7在天幕8上投射出恆星光斑。整套裝置做成獨立模塊，節能而且便於裝調維護。
文檔編號H04B10/12GK1924635SQ20051009341
公開日2007年3月7日 申請日期2005年8月29日 優先權日2005年8月29日
發明者伍少昊, 趙佔芳, 伍牧 申請人:伍少昊