專利名稱：計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)，特別是 離散式的光學(xué)天象儀恒星放映光源和用于室內(nèi)裝飾的星空模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光學(xué)天象儀，其恒星天空是由多個(gè)恒星放映器投影的畫面拚
接而成。單個(gè)恒星放映器的工作原理與幻燈機(jī)相似，見圖l。聚光鏡2把光源1 成象在放映物鏡4的入口瞳孔4'處。也就是說由光源1進(jìn)入聚光鏡2 口徑的 光源能量，被會(huì)聚后通過放映物鏡4投射到天幕5上，產(chǎn)生一定的象面照度。 在聚光鏡2左側(cè)放映物鏡4的焦面處，放置恒星掩模板3。恒星掩模板3整體上 是一塊不透光的底板，但上面刻有許多個(gè)透光小孔。恒星掩模板3的透光小孔 成在天幕5上的象，就是天象儀恒星放映器放映的恒星。顯然恒星的照度仍是 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 孔的直徑很小，所有透光小孔加起來的總面積，也不到恒星掩模板3面積的千 分之一。這就是說，進(jìn)入聚光鏡2 口徑的光源能量，其中超過99.9%被恒星掩模 板3的不透光部分阻擋，最終轉(zhuǎn)化為無用反而有害的熱能，其光能利用效率還 不到千分之一?？梢妭鹘y(tǒng)天象儀恒星放映器的放映方式，不適合于放映象恒星 天空這種離散式的圖象。
為了提高天象儀放映恒星天空的照度，傳統(tǒng)方法只能增大光源的功率。例 如在日本美能達(dá)(Minolta)廠的Infinium天象儀中采用了 4KW的光源，但隨 之帶來了散熱等一系列問題。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年民主德國蔡斯(Zeiss)廠的發(fā)明專利WP286 (1988年獲 美國專利US476666)提出，用包含多條光導(dǎo)纖維組成光導(dǎo)纖維束，使其束狀的 輸入端靠近光源，并通過聚光鏡盡量收集光源能量。光導(dǎo)纖維束的輸出端則分 散開，分別將光源能量通過各條光導(dǎo)纖維，導(dǎo)引到恒星掩模板3上各個(gè)透光小 孔處。這樣就使恒星掩模板3上需要照明的透光小孔局部區(qū)域受到照明，而沒 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，能顯著增加恒星星點(diǎn)的照度。
使用光導(dǎo)纖維束集中照明的方法，雖然提高了光源能量的利用率，但光導(dǎo) 纖維束中所包含的各條光導(dǎo)纖維，在接受同一光源的照射下，其照度和顏色顯 然是相同的。然而在自然界的星空中，每一顆恒星不但視亮度不同，顏色也不 同，由于大氣擾動(dòng)還產(chǎn)生隨機(jī)的閃爍現(xiàn)象等。為了模擬以上的星空特征，在現(xiàn) 有技術(shù)中需要增加相應(yīng)的裝置，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化。例如必需在光導(dǎo)纖維的輸出 端加裝一塊帶有不同直徑小孔的恒星掩模板，該恒星掩模板的各個(gè)小孔上需要分別蒸鍍不同顏色的干涉濾光膜，用以控制各個(gè)星點(diǎn)的不同亮度和顏色。當(dāng)演 示過程中星空沉沒到地平線以下時(shí)，投影光線必須用遮光器遮擋。為模擬恒星 的閃爍要設(shè)置專用的機(jī)構(gòu)。聚光鏡直接將光源成象在光導(dǎo)纖維束的輸入端面， 將造成各條光導(dǎo)纖維之間照度不均勻，為此必須加裝照度均勻器等。至于所演 示的恒星數(shù)量不能變化，無法區(qū)分繁星滿天和月明星稀的不同效果，更是現(xiàn)有 技術(shù)所無法克服的缺點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用計(jì)算機(jī)編程控制的數(shù)字投影儀作為光源，將投 影儀的陣列成象器件上的象素，相互對(duì)應(yīng)地耦合進(jìn)光導(dǎo)纖維束的輸入端。這樣 只要用計(jì)算機(jī)編程控制投影儀上陣列成象器件的象素，就可以控制任何一條光 導(dǎo)纖維的亮度、顏色、閃爍和開關(guān)，從而用更簡單的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)星空更逼真 的模擬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在保持光導(dǎo)纖維離散式照明的高效光源能量 利用率的同時(shí)，可省去制作恒星掩模板，以及免除在恒星掩模板上成千上萬個(gè) 不同直徑的小孔上，蒸鍍不同顏色干涉濾光膜的繁雜工序。由于本發(fā)明中對(duì)每 一顆恒星都可控制，因此傳統(tǒng)天象儀中用于遮擋地平線以下投影光線的遮光器， 專用的閃爍機(jī)構(gòu)以及照度均勻器等，統(tǒng)統(tǒng)都可以省去，演示的恒星數(shù)量也可根 據(jù)需要而調(diào)整。這樣本發(fā)明就全面地解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的由圖2可見，本發(fā)明由計(jì)算機(jī)6，數(shù)字投影儀
7，光導(dǎo)纖維束8組成。光導(dǎo)纖維束8中的各條光導(dǎo)纖維，在輸入端8'排列成 矩陣形狀，并與數(shù)字投影儀7的陣列成象器件7'(例如LCD， DLP)的象素排 列有比例對(duì)應(yīng)關(guān)系。陣列成象器件7'的總象素?cái)?shù)，須不少于光導(dǎo)纖維束8所包 含的光導(dǎo)纖維的總條數(shù)。光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'與陣列成象器件7'之間， 如果幾何尺寸相同而且能接觸，可直接耦合。
直接耦合的原理見圖3。假定陣列成象器件7'的總象素?cái)?shù)為6X8=48,光導(dǎo) 纖維束8的光纖總條數(shù)為3X4=12條。上述情況符合"陣列成象器件7'的總象 素?cái)?shù)不少于光導(dǎo)纖維束8所包含的光導(dǎo)纖維總條數(shù)"的要求。如果光導(dǎo)纖維束8 的輸入端8'與陣列成象器件7'兩者的寬度W與高度H相同，可以采用直接耦 合結(jié)構(gòu)。在圖3中用粗方格代表光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'上的光導(dǎo)纖維斷面， 共有3行4列總數(shù)為12條光導(dǎo)纖維。在圖3中用細(xì)圓圈代表陣列成象器件7' 上的象素，共有6行8列總數(shù)為48個(gè)象素。由圖3可見，每一條光導(dǎo)纖維的粗 方格內(nèi)，恰好能包含4個(gè)象素。但12條光導(dǎo)纖維只能演示12顆恒星，數(shù)量實(shí) 在太少了，這個(gè)例子只是用來說明直接耦合的原理而己。比較實(shí)用的組合可能 是600X800分辨率的陣列成象器件7'，其總象素?cái)?shù)為600X800=480000，光導(dǎo) 纖維束8的光纖總條數(shù)為60X80二4800，因此每一條光導(dǎo)纖維的粗方格內(nèi)，恰好 包含了 480000/4800=100=10X10個(gè)象素。而4800條光導(dǎo)纖維可以演示4800顆 恒星，基本上可滿足一般使用要求。上述光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'與陣列成象器件7'之間直接耦合的方法雖
然簡單，但無法用于兩者幾何尺寸不相同，或兩者的幾何尺寸雖然相同，但在
結(jié)構(gòu)上不能直接接觸的場合。為了適應(yīng)這種情況應(yīng)采用圖4所示的轉(zhuǎn)換物鏡耦 合。
轉(zhuǎn)換物鏡耦合的原理見圖4。圖中光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'與數(shù)字投影儀 7的陣列成象器^f^7'不直接接觸，其間插入一個(gè)轉(zhuǎn)換物鏡9。光導(dǎo)纖維束8的 輸入端8'的寬高尺寸為W8XH8，數(shù)字投影儀7的陣列成象器件7'的寬高尺寸 為W7XH7。由于W8XH8與W7XH7之間有比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此W8/W7=H8/H7=K。此 處K為轉(zhuǎn)換系數(shù)。轉(zhuǎn)換物鏡9應(yīng)當(dāng)把陣列成象器件7'的尺寸變化K倍后(K可 以等于l，也可以大于或小于l)，準(zhǔn)確成象在光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'上。由 圖4可見，陣列成象器件7'右上角的4個(gè)象素，經(jīng)轉(zhuǎn)換物鏡成象后，將共同進(jìn) 入光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'左下角的同一條光導(dǎo)纖維中，其余的象素也將各就 各位，這樣就完成了非接觸的轉(zhuǎn)換物鏡耦合。
出于工程上的實(shí)際考量，本計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)，往 往采用多級(jí)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，作為主干的光導(dǎo)纖維束8的出射端，做成樹枝 狀的許多分支81、 82、 83、、 8n。通過繼續(xù)耦合到第二級(jí)光導(dǎo)纖維束81'、 82' 、 83' 、、 8n'的方法，將光源能量逐級(jí)向下傳遞。
當(dāng)使用本計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維系統(tǒng)，作為室內(nèi)裝飾的星空模擬時(shí)， 如圖2所示，觀眾可直接觀看第二級(jí)光導(dǎo)纖維束81' 、 82' 、 83'、…、8n' 的分散端，把各條光導(dǎo)纖維輸出端面的亮點(diǎn)看作是星星。


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)說明。 圖1為傳統(tǒng)光學(xué)天象儀的恒星放映器示意圖。
圖2為本發(fā)明的計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)工作原理示意圖。
圖3為本發(fā)明的直接耦合原理示意圖。
圖4為本發(fā)明的轉(zhuǎn)換物鏡耦合原理示意圖。
圖5為本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意見圖5。在第一種實(shí)施方式 中，計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維系統(tǒng)，是作為天象儀的恒星放映光源使用的。 需要通過放映物鏡4，將第二級(jí)光導(dǎo)纖維束81' 、 82' 、 83' 、、 8n'的分 散端，各條光導(dǎo)纖維輸出端面的發(fā)光亮點(diǎn)，投射到天幕5上形成恒星天空。圖5 中的計(jì)算機(jī)6，投影儀7，做成樹枝狀多分支81、 82、 83、…、8n的光導(dǎo)纖維 束8的功能仍如前述。當(dāng)光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'與陣列成象器件7'之間的幾何尺寸相同，而且能接觸時(shí)可以采用直接耦合形式。通過陣列成象器件7'與 光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'之間的耦合，使在計(jì)算機(jī)6編程控制下，陣列成象器 件7'上的象素的亮度、顏色、閃爍和開關(guān)等信號(hào)，分別傳遞到光導(dǎo)纖維束8的 輸入端8'所包含的各條光導(dǎo)纖維中去，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每一條光導(dǎo)纖維輸出端的亮 度、顏色、閃爍和開關(guān)等的控制，當(dāng)然也就達(dá)到了對(duì)放映物鏡4投射到天幕5 上形成的恒星天空的控制。
本發(fā)明的第二種實(shí)施方式見圖6。第二種實(shí)施方式與第一種實(shí)施方式之間的 差別，僅在于陣列成象器件7'與光導(dǎo)纖維束8的輸入端8'之間的幾何尺寸不 相同，或者雖然幾何尺寸相同但不能接觸，必須加入轉(zhuǎn)換物鏡9，采用轉(zhuǎn)換物鏡 耦合的方式。其余計(jì)算機(jī)6，投影儀7，做成樹枝狀多分支81、 82、 83、、 8n 的光導(dǎo)纖維束8和放映物鏡4的功能，仍與第一種實(shí)施方式相同，不再贅述。
本發(fā)明的第三種實(shí)施方式見圖7。第三種實(shí)施方式與第二種實(shí)施方式之間的 差別，僅在于本計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維系統(tǒng)，是直接將第二級(jí)光導(dǎo)纖維束 81' 、 82' 、 83' 、、 8n'的分散端，各條光導(dǎo)纖維輸出端面的發(fā)光亮點(diǎn)， 作為模擬星空的觀察對(duì)象，不需要經(jīng)過放映物鏡4投影出恒星天空。因此在第 三種實(shí)施方式中，除了沒有放映物鏡4以外，其余與第二種實(shí)施方式完全相同。
權(quán)利要求
1，一種計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)(6)，數(shù)字投影儀(7)，光導(dǎo)纖維束(8)組成，其特征在于光導(dǎo)纖維束(8)中的各條光導(dǎo)纖維，在輸入端(8′)排列成矩陣形狀，并與數(shù)字投影儀(7)的陣列成象器件(7′)的象素排列，有比例對(duì)應(yīng)關(guān)系；陣列成象器件(7′)的總象素?cái)?shù)，不少于光導(dǎo)纖維束(8)所包含的光導(dǎo)纖維的總條數(shù)；光導(dǎo)纖維束(8)的輸入端(8′)與數(shù)字投影儀7的陣列成象器件(7′)相互耦合。
2， 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)，其特征 在于光導(dǎo)纖維束(8)的輸入端(8')與陣列成象器件(7')之間，如果幾 何尺寸相同，而且能夠接觸，可以直接耦合。
3， 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)，其特征 在于光導(dǎo)纖維束(8)的輸入端(8')與陣列成象器件(7')之間，如果幾何 尺寸不相同，或幾何尺寸雖然相同但不能夠接觸，則通過轉(zhuǎn)換物鏡(9)耦合。
4， 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng), 其特征在于當(dāng)本計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)，是作為光學(xué) 天象儀的恒星放映光源使用時(shí)，從光導(dǎo)纖維束(8)的各條光導(dǎo)纖維輸出 端面的發(fā)光亮點(diǎn)，通過放映物鏡(4)投射到天幕(5)上，形成恒星光斑。
全文摘要
一種計(jì)算機(jī)編程控制的光導(dǎo)纖維星空模擬系統(tǒng)，主要用于室內(nèi)的星空模擬和做天象儀恒星放映光源。由計(jì)算機(jī)6，數(shù)字投影儀7，光導(dǎo)纖維束8組成。光導(dǎo)纖維束8與數(shù)字投影儀7的陣列成像器件耦合。通過計(jì)算機(jī)控制投影儀上陣列成像器件的像素，就可以控制任何一條光導(dǎo)纖維的亮度、顏色、閃爍和開關(guān)，從而更簡單地實(shí)現(xiàn)對(duì)星空的模擬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可省去恒星掩模板，遮光器，閃爍機(jī)構(gòu)以及照度均勻器等，演示的恒星數(shù)量也可調(diào)整。
文檔編號(hào)G09B27/00GK101452657SQ20071019545
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者伍少昊, 趙占芳 申請(qǐng)人:伍少昊