專利名稱：三色發(fā)光二極管多光源照明裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，是一種采用多組紅、綠、藍三色發(fā)光二極管(LED)組成的多光源照明系統(tǒng)，用于為數(shù)碼顯像系統(tǒng)的數(shù)碼曝光系統(tǒng)提供照明，主要包括基于LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(數(shù)字光處理器)等微顯示面板的數(shù)碼曝光，屬于LED光學照明技術領域。
背景技術：
目前國內(nèi)數(shù)碼顯像主要是基于液晶的數(shù)碼曝光系統(tǒng)，該技術光源采用發(fā)光功率很高的氣體放電燈。國外主要是基于激光掃描、熒光管技術、微光閥技術以及數(shù)字光控制技術。
在激光數(shù)碼顯像系統(tǒng)中，藍色和綠色激光由氣體或固體激光發(fā)生器產(chǎn)生，紅色激光由激光二極管產(chǎn)生，R、G、B三色激光經(jīng)光學系統(tǒng)合成為單束激光束，經(jīng)過一個旋轉(zhuǎn)的多棱鏡表面的反射，激光束均勻地在相紙上面掃過，相紙的移動又改變了掃描線位置，綜合的結(jié)果就是激光束掃描過了相紙成像區(qū)域的每一個點。激光束強度的變化，決定了掃描過點的色彩濃淡。激光束的強度可以由變換器控制，也可以直接控制激光管的發(fā)光強度。
微光閥曝光技術的關鍵部件是一個由含有鉛、鑭、鋯、鈦等金屬的化合物的陶瓷電極，該電極看上去是透明的，施加電壓以后，它能夠改變通過它的光線的偏振方向。電極夾在兩層偏振鏡之間，兩層偏振鏡的偏光方向并不一致，當電極兩端沒有電壓時，光線經(jīng)過起偏偏振鏡而成為偏振光，因為偏振方向不一致，未經(jīng)扭轉(zhuǎn)的偏振光不能通過過濾偏振鏡，相當于閥門關閉，當電極兩端施加一定的電壓以后，偏振光的偏振方向被扭轉(zhuǎn)，能夠通過過濾鏡，相當于閥門打開。大量微光閥排成長條形陣列，其曝光頭依靠鹵素燈提供光源，光線經(jīng)光導纖維傳輸?shù)狡毓忸^。
熒光管曝光技術的基本原理與顯示器顯示圖像是一樣的，都是通過電子轟擊熒光物質(zhì)使之發(fā)光成像，只不過顯示器是熒光屏上的熒光物質(zhì)直接成像，而熒光管曝光是熒光物質(zhì)發(fā)光使相紙感光成像，當然電子束掃描的過程也不盡相同。該技術中，熒光物質(zhì)很容易老化，壽命較短。
數(shù)字光處理器DLP原本是美國德州儀器公司(TI)為數(shù)字投影和數(shù)碼影院開發(fā)的一種專利圖像技術，是以DMD(數(shù)字微反射鏡裝置)為核心部件來控制光線反射，將圖像投射成像到屏幕的一種投影技術。在數(shù)碼顯像領域中，愛克發(fā)將其用在Dimax中打印索引照片，真正用其作為成像單元的彩擴設備是諾日士的QSS-2802，屬于光閥門式。DMD芯片是數(shù)字光處理器的核心，一個DMD芯片由數(shù)量眾多的DMD單元組成，每一個單元對應于數(shù)字圖像的一個像素。在數(shù)字信號的控制下，微型鏡片可以以每秒5000次的頻率扭轉(zhuǎn)。
上述數(shù)碼顯像系統(tǒng)中，光源大致分為激光光源與氣體放電燈或鹵鎢燈，激光光源造價昂貴，而且光學系統(tǒng)較復雜，難以控制；而氣體放電燈與鹵鎢燈的共同特點是具有很高的光能量輸出，可以很好地滿足數(shù)碼顯像對光通量的要求，但數(shù)碼顯像采用這種光源存在諸多缺點，主要有(1)光源有很大的發(fā)熱、并且發(fā)熱極為集中，必須很好地解決散熱問題；(2)光源的壽命很短，通常只有幾百到幾千個小時；(3)光源的價格十分昂貴；(4)光源發(fā)出的通常是白光，為了處理彩色信號，投影系統(tǒng)必須有分色裝置，將白光分解成為紅、綠、藍三基色光，三基色光經(jīng)過處理，加上圖像信號，然后再用合色裝置合成為彩色圖像；(5)光源所發(fā)出的白光在光譜分布上并不滿足色平衡的要求，為了滿足色平衡的要求，通常采用抑制較強色光的辦法，這樣就導致了光能量利用率的下降，在光源能量利用率和色平衡之間存在矛盾；(6)在傳統(tǒng)數(shù)碼顯像系統(tǒng)中，白光采用分色裝置分解成為三基色光，為了提高能量利用率，紅、綠、藍三基色通常要使用盡可能大的光譜通道，但光譜通道越大、則色彩越不鮮艷，在能量利用率與色彩鮮艷要求上存在矛盾；(7)由于上述原因，還導致了數(shù)碼顯像結(jié)構(gòu)的復雜和可靠性的降低。
發(fā)光二極管具有發(fā)光效率高、發(fā)熱低、發(fā)光顏色純等優(yōu)點，其最大缺點是發(fā)光功率太低，難以滿足數(shù)碼顯像對光功率的要求。近來，在大功率發(fā)光二極管方面已經(jīng)取得了很大的進步，使用多個發(fā)光二極管組合作為照明光源已經(jīng)可以滿足數(shù)碼顯像對亮度的要求，其中要解決的主要技術問題是(1)如何解決多個發(fā)光二極管發(fā)出的光的均勻度，以滿足數(shù)碼顯像對勻光度的要求；(2)如何提高光能量的利用率；(3)如何解決液晶或硅基液晶對偏振光的要求，數(shù)字光處理器則無需考慮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于數(shù)碼顯像的三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)很好的色彩鮮艷程度，而對系統(tǒng)的散熱要求低，不需要使用分色裝置，不需要犧牲光能量來實現(xiàn)色平衡。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明由一組固定于LED基板上的紅、綠、藍三色發(fā)光二極管、一組固定于準直架上的準直鏡、一個混光筒及毛玻璃構(gòu)成照明系統(tǒng)。光源LED發(fā)出的光由準直鏡壓縮其光束發(fā)散角，然后無損失地進入混光筒，經(jīng)混光筒及毛玻璃勻光后均勻地照射到已調(diào)制圖像的微顯示面板上。通過調(diào)整三色光的曝光時間來實現(xiàn)色平衡。本發(fā)明的微顯示面板可以是液晶、硅基液晶或數(shù)字光處理器，其中數(shù)字光處理器主要是數(shù)字微反射鏡DMD(DigitalMicro-reflector Device)。
本發(fā)明的三色發(fā)光二極管多光源照明裝置中，LED基板、準直架、混光筒、毛玻璃、微顯示面板、變焦投影鏡頭以及相紙依次設置在同一個光軸上，混光筒外殼嵌在混光筒的外表面，用于固定混光筒并保證以上各部分的共軸關系。貼近LED基板的下面設置準直架，而準直架的下表面為一方形槽，剛好嵌到混光筒的光線入口處，保證了光能無損失；混光筒的下表面，即光線的出口處與毛玻璃相接，毛玻璃以45度角嵌于混光筒的光線出射口處，兩者保證了照射到微顯示面板上的光均勻度；毛玻璃下面為用于調(diào)制圖像的微顯示面板，兩者距離很近，以免光能損失及其它雜光的進入；微顯示面板與相紙之間放置一變焦投影鏡頭，其焦距用電腦直接控制，用于調(diào)節(jié)微顯示面板光線的出射面與相紙尺寸一一對應。
本發(fā)明中，三色發(fā)光二極管按照方陣形式擺放并嵌于一塊基板上面構(gòu)成LED基板，各個LED之間的距離都相等，其中三色LED的擺放順序可以有所不同。準直鏡以方陣的形式嵌于準直架中，每個LED各自與一準直鏡對應并共軸，且每個LED位于其對應的準直鏡的焦點上，以縮小光線的發(fā)散角，減小光能損失。LED發(fā)出的光經(jīng)準直鏡直接進入混光筒(光能沒有任何損失)，經(jīng)混光筒及毛玻璃勻光后，均勻地照射到已調(diào)制好圖像的微顯示面板上，經(jīng)變焦投影鏡頭投射到相紙上，最后在相紙上曝光。
準直鏡用于收集LED發(fā)出的光、并縮小其光束發(fā)散角，通常使用透鏡或反射鏡作為準直鏡。在使用透鏡時，準直鏡位于LED與混光筒之間，LED發(fā)出的光經(jīng)透鏡后射入混光筒；在使用反射鏡作為準直鏡時，準直鏡位于LED端，LED發(fā)出的光角度較小的部分直接射入混光筒，角度較大的部分光經(jīng)反射鏡反射后再射入混光筒，經(jīng)毛玻璃出射的光照射到已調(diào)制圖像的微顯示面板，經(jīng)變焦投影鏡頭投射到相紙上。
一般地，單組LED難以滿足數(shù)碼顯像對光通量的要求，需要多組LED同時工作，但本發(fā)明并不排斥使用單組LED，實際上，在能夠滿足光通量要求的情況下，應盡可能考慮使用較少的LED、甚至使用單組LED的可能性。在使用多個照明單元時，各照明單元有規(guī)律地并排放置于一基板上，再加上一個混光筒及毛玻璃構(gòu)成本發(fā)明的多光源照明系統(tǒng)。
采用本發(fā)明的數(shù)碼顯像系統(tǒng)將產(chǎn)生以下諸多效果1、本發(fā)明采用LED作為光源，LED是一種冷光源，單個LED的發(fā)熱比常用的高壓汞燈、氙燈等放電光源要低得多，在采用多個LED工作時發(fā)熱比較分散，因而對系統(tǒng)散熱的技術要求較低；2、LED具有很長的壽命，可以保證數(shù)碼顯像系統(tǒng)的整機壽命，不再需要更換光源；3、可以在數(shù)碼顯像系統(tǒng)中使用紅、綠、藍三基色的LED，因而不需要使用復雜的分色裝置；4、采用LED為照明光源的數(shù)碼顯像系統(tǒng)中，色平衡的實現(xiàn)可以有兩種辦法一種是采用不同數(shù)量的三基色LED實現(xiàn)色平衡；另一種是通過控制三基色LED的曝光時間實現(xiàn)色平衡，因而可以不需要犧牲光能量來實現(xiàn)色平衡；5、LED發(fā)光的帶寬較小，能更好地提高圖像的色彩鮮艷程度。


圖1為本發(fā)明三色發(fā)光二極管多光源照明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為LED基板，2為準直架，3為混光筒外殼，4為混光筒，5為微顯示面板，6為變焦投影鏡頭，7為相紙，14為整個照明系統(tǒng)。
圖2為本發(fā)明中LED照明單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中，1為LED基板，2為準直架，8為LED，9為準直鏡。
圖3為本發(fā)明中的混光筒。
圖3中，4為混光筒，13為毛玻璃片。
圖4為三色LED的一種排列及分布方式。
圖5為三色LED的另一種排列及分布方式。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述。
圖1所示的是本發(fā)明的三色LED多光源照明裝置的一個實施例的結(jié)構(gòu)組成示意。圖中的虛線范圍內(nèi)是本發(fā)明的照明系統(tǒng)14，由LED基板1、準直架2、混光筒外殼3、混光筒4及鑲嵌于混光筒底面光線出射口處的毛玻璃構(gòu)成。其中LED基板1、準直架2、混光筒4、毛玻璃、微顯示面板5、變焦投影鏡頭6以及相紙7依次設置在同一個光軸上，混光筒外殼3嵌在混光筒4的外表面，用于固定混光筒并保證以上各部分的共軸關系。準直架2貼近設置于LED基板1的下面，準直架2的下表面為一方形槽，剛好嵌到混光筒4的光線入口處，保證了光能無損失?；旃馔?的下表面，即光線的出口處與毛玻璃相接，如圖3所示。毛玻璃13以45度角嵌于混光筒4的光線出射口處，兩者保證了照射到微顯示面板5上的光均勻度。毛玻璃13下面為用于調(diào)制圖像的微顯示面板5，毛玻璃13與微顯示面板5兩者距離很近，以免光能損失及其它雜光的進入。微顯示面板5與相紙7之間放置一變焦投影鏡頭6，其焦距用電腦直接控制，用于調(diào)節(jié)微顯示面板5光線的出射面與相紙7尺寸一一對應。
圖2為本發(fā)明中發(fā)光二極管照明單元結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示。LED基板1上按照一定的規(guī)律固定放置三色發(fā)光二極管8，發(fā)光二極管8以方陣擺放，且各發(fā)光二極管之間的距離都相等。準直架2貼近設置于LED基板1的下面，準直鏡9以方陣的形式嵌于準直架2中，每個發(fā)光二極管8各自與一個準直鏡9對應并共軸，且每個發(fā)光二極管8位于其對應的準直鏡9的焦點上，以縮小光線的發(fā)散角，減小光能損失。
圖4與圖5分別給出了發(fā)光二極管8的兩種分布規(guī)則，都以方陣擺放，且各發(fā)光二極管之間的距離都相等?？梢匀∪我庖环N顏色的發(fā)光二極管8擺放在方陣的中間一行或中間一列上(如圖4所示)，或者是擺放在方陣的對角線上(如圖5所示)，其它兩種顏色的發(fā)光二極管8相間地擺放在與第一種顏色發(fā)光二極管擺放方向相平行的點陣上。
發(fā)光二極管8發(fā)出的光經(jīng)準直鏡9直接進入混光筒4(光能沒有任何損失)，經(jīng)混光筒4及毛玻璃13勻光后，均勻地照射到已調(diào)制好圖像的微顯示面板5上，經(jīng)變焦投影鏡頭6投射到相紙7上，最后在相紙7上曝光。
本發(fā)明擬采用由紅、綠、藍三色光合成的標準白光源D65。根據(jù)色品圖可查出標準白光源D65的色品坐標，進而可以求出該光源的三刺激值(即構(gòu)成該光源的三基色光的能量)，由(2)式給出。相紙接收的總能量由(1)式給出。即可以求出三基色光源的能量比，由于所使用的紅、綠、藍三色燈的光功率已知，進而可以求出三色光的曝光時間比。
ET＝ER+EG+EB＝IR×S×TR+IG×S×TG+IB×S×TB(1)x10=X10(X10+Y10+Z10)]]>y10=Y10(X10+Y10+Z10)---(2)]]>z10=Z10(X10+Y10+Z10)]]>(1)式中S為照射面積，即相紙7面積；IR、IG、IB分別為紅、綠、藍三色光在相紙7面上的照度；TR、RG、TB分別為紅、綠、藍三色光在相紙面7上的曝光時間；ET為相紙7所接收的總能量；ER、EG、EB分別為相紙7所接收的紅、綠、藍三色光的總能量。(2)式中x10，y10，z10為標準白光源D65的色品坐標，X10，Y10，Z10為合成標準白光源D65的紅、綠、藍三色光的三刺激值。
由于白平衡的調(diào)節(jié)較為復雜，再加上相紙7的光譜感光度特性又各不相同(因為不同的相紙有不同的光譜感光度特性)，由此根據(jù)紅、綠、藍三色光的曝光時間來調(diào)節(jié)白平衡是簡單易行的。三色燈的曝光時間比已知，可以調(diào)節(jié)總的曝光時間，以達到相紙7處的白平衡。
權(quán)利要求
1.一種三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，其特征在于LED基板(1)、準直架(2)、混光筒(4)、毛玻璃(13)、微顯示面板(5)、變焦投影鏡頭(6)及相紙(7)依次設置在同一個光軸上，混光筒外殼(3)嵌在混光筒(4)的外表面，用于固定混光筒(4)并保證以上各部分的共軸關系；LED基板(1)上固定放置三色發(fā)光二極管(8)，發(fā)光二極管(8)以方陣擺放，且各二極管之間的距離都相等，準直架(2)貼近設置于LED基板(1)的下面，準直鏡(9)以方陣的形式嵌于準直架(2)中，每個發(fā)光二極管(8)各自與一個準直鏡(9)對應并共軸，且每個發(fā)光二極管(8)位于其對應的準直鏡(9)的焦點上；準直架(2)的下表面為一方形槽，剛好嵌到混光筒(4)的光線入口處，毛玻璃(13)以45度角嵌于混光筒(4)的光線出射口處，毛玻璃(13)下面為用于調(diào)制圖像的微顯示面板(5)，微顯示面板(5)與相紙(7)之間放置一變焦投影鏡頭(6)，其焦距用電腦直接控制，用于調(diào)節(jié)微顯示面板(5)光線的出射面與相紙(7)尺寸一一對應。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，其特征在于所述發(fā)光二極管(8)擺放的方陣形式為取任意一種顏色的發(fā)光二極管(8)擺放在方陣的中間一行或中間一列上，或者是擺放在方陣的對角線上，其它兩種顏色的發(fā)光二極管(8)相間地擺放在與第一種顏色發(fā)光二極管擺放方向相平行的點陣上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，其特征在于采用不同數(shù)量的三色發(fā)光二極管或通過控制三色發(fā)光二極管的曝光時間實現(xiàn)色平衡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，其特征在于所述準直鏡(9)為透鏡，位于三色發(fā)光二極管(8)與混光筒(4)之間，發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)透鏡后射入混光筒(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，其特征在于所述準直鏡(9)為反射鏡，位于三色發(fā)光二極管(8)端，發(fā)光二極管發(fā)出的光角度較小的部分直接射入混光筒(4)，角度較大的部分光經(jīng)反射鏡反射后再射入混光筒(4)。
全文摘要
一種三色發(fā)光二極管多光源照明裝置，用于數(shù)碼顯像系統(tǒng)的照明，LED基板、準直架、混光筒、毛玻璃、微顯示面板、變焦投影鏡頭及相紙依次設置在同一個光軸上，LED基板上固定的發(fā)光二極管以方陣擺放，各二極管之間的距離相等，準直鏡以方陣的形式嵌于LED基板下的準直架中，每個發(fā)光二極管各與一個準直鏡對應共軸并位于其焦點上，以縮小光線的發(fā)散角，降低光能損失；混光筒的光線出射口處以45度角鑲嵌毛玻璃，以提高光場均勻度，微顯示面板與相紙之間放置一變焦投影鏡頭。本發(fā)明對系統(tǒng)的散熱要求低，光源壽命長，具有很好的色彩鮮艷度，可通過調(diào)節(jié)三色燈的總曝光時間達到系統(tǒng)的白平衡，不需要犧牲各色光能量。
文檔編號G03B27/32GK1624578SQ20041009313
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者孫文軍, 竇曉鳴, 趙海鷹, 姜維 申請人:上海交通大學