CN100347607C - 三色发光二极管多光源照明装置 - Google Patents

Abstract

一种三色发光二极管多光源照明装置，用于数码显像系统的照明，LED基板、准直架、混光筒、毛玻璃、微显示面板、变焦投影镜头及相纸依次设置在同一个光轴上，LED基板上固定的发光二极管以方阵摆放，各二极管之间的距离相等，准直镜以方阵的形式嵌于LED基板下的准直架中，每个发光二极管各与一个准直镜对应共轴并位于其焦点上，以缩小光线的发散角，降低光能损失；混光筒的光线出射口处以45度角镶嵌毛玻璃，以提高光场均匀度，微显示面板与相纸之间放置一变焦投影镜头。本发明对系统的散热要求低，光源寿命长，具有很好的色彩鲜艳度，可通过调节三色灯的总曝光时间达到系统的白平衡，不需要牺牲各色光能量。

Description

三色发光二极管多光源照明装置

技术领域

本发明涉及一种三色发光二极管多光源照明装置，是一种采用多组红、绿、蓝三色发光二极管(LED)组成的多光源照明系统，用于为数码显像系统的数码曝光系统提供照明，主要包括基于LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(数字光处理器)等微显示面板的数码曝光，属于LED光学照明技术领域。

技术背景

目前国内数码显像主要是基于液晶的数码曝光系统，该技术光源采用发光功率很高的气体放电灯。国外主要是基于激光扫描、荧光管技术、微光阀技术以及数字光控制技术。

在激光数码显像系统中，蓝色和绿色激光由气体或固体激光发生器产生，红色激光由激光二极管产生，R、G、B三色激光经光学系统合成为单束激光束，经过一个旋转的多棱镜表面的反射，激光束均匀地在相纸上面扫过，相纸的移动又改变了扫描线位置，综合的结果就是激光束扫描过了相纸成像区域的每一个点。激光束强度的变化，决定了扫描过点的色彩浓淡。激光束的强度可以由变换器控制，也可以直接控制激光管的发光强度。

微光阀曝光技术的关键部件是一个由含有铅、镧、锆、钛等金属的化合物的陶瓷电极，该电极看上去是透明的，施加电压以后，它能够改变通过它的光线的偏振方向。电极夹在两层偏振镜之间，两层偏振镜的偏光方向并不一致，当电极两端没有电压时，光线经过起偏偏振镜而成为偏振光，因为偏振方向不一致，未经扭转的偏振光不能通过过滤偏振镜，相当于阀门关闭，当电极两端施加一定的电压以后，偏振光的偏振方向被扭转，能够通过过滤镜，相当于阀门打开。大量微光阀排成长条形阵列，其曝光头依靠卤素灯提供光源，光线经光导纤维传输到曝光头。

荧光管曝光技术的基本原理与显示器显示图像是一样的，都是通过电子轰击荧光物质使之发光成像，只不过显示器是荧光屏上的荧光物质直接成像，而荧光管曝光是荧光物质发光使相纸感光成像，当然电子束扫描的过程也不尽相同。该技术中，荧光物质很容易老化，寿命较短。

数字光处理器DLP原本是美国德州仪器公司(TI)为数字投影和数码影院开发的一种专利图像技术，是以DMD(数字微反射镜装置)为核心部件来控制光线反射，将图像投射成像到屏幕的一种投影技术。在数码显像领域中，爱克发将其用在Dimax中打印索引照片，真正用其作为成像单元的彩扩设备是诺日士的QSS-2802，属于光阀门式。DMD芯片是数字光处理器的核心，一个DMD芯片由数量众多的DMD单元组成，每一个单元对应于数字图像的一个像素。在数字信号的控制下，微型镜片可以以每秒5000次的频率扭转。

上述数码显像系统中，光源大致分为：激光光源与气体放电灯或卤钨灯，激光光源造价昂贵，而且光学系统较复杂，难以控制；而气体放电灯与卤钨灯的共同特点是具有很高的光能量输出，可以很好地满足数码显像对光通量的要求，但数码显像采用这种光源存在诸多缺点，主要有：(1)光源有很大的发热、并且发热极为集中，必须很好地解决散热问题；(2)光源的寿命很短，通常只有几百到几千个小时；(3)光源的价格十分昂贵；(4)光源发出的通常是白光，为了处理彩色信号，投影系统必须有分色装置，将白光分解成为红、绿、蓝三基色光，三基色光经过处理，加上图像信号，然后再用合色装置合成为彩色图像；(5)光源所发出的白光在光谱分布上并不满足色平衡的要求，为了满足色平衡的要求，通常采用抑制较强色光的办法，这样就导致了光能量利用率的下降，在光源能量利用率和色平衡之间存在矛盾；(6)在传统数码显像系统中，白光采用分色装置分解成为三基色光，为了提高能量利用率，红、绿、蓝三基色通常要使用尽可能大的光谱通道，但光谱通道越大、则色彩越不鲜艳，在能量利用率与色彩鲜艳要求上存在矛盾；(7)由于上述原因，还导致了数码显像结构的复杂和可靠性的降低。

发光二极管具有发光效率高、发热低、发光颜色纯等优点，其最大缺点是发光功率太低，难以满足数码显像对光功率的要求。近来，在大功率发光二极管方面已经取得了很大的进步，使用多个发光二极管组合作为照明光源已经可以满足数码显像对亮度的要求，其中要解决的主要技术问题是：(1)如何解决多个发光二极管发出的光的均匀度，以满足数码显像对匀光度的要求；(2)如何提高光能量的利用率；(3)如何解决液晶或硅基液晶对偏振光的要求，数字光处理器则无需考虑。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于数码显像的三色发光二极管多光源照明装置，结构简单，能实现很好的色彩鲜艳程度，而对系统的散热要求低，不需要使用分色装置，不需要牺牲光能量来实现色平衡。

为实现这样的目的，本发明由一组固定于LED基板上的红、绿、蓝三色发光二极管、一组固定于准直架上的准直镜、一个混光筒及毛玻璃构成照明系统。光源LED发出的光由准直镜压缩其光束发散角，然后无损失地进入混光筒，经混光筒及毛玻璃匀光后均匀地照射到已调制图像的微显示面板上。通过调整三色光的曝光时间来实现色平衡。本发明的微显示面板可以是液晶、硅基液晶或数字光处理器，其中数字光处理器主要是数字微反射镜DMD(DigitalMicro-reflector Device)。

本发明的三色发光二极管多光源照明装置中，LED基板、准直架、混光筒、毛玻璃、微显示面板、变焦投影镜头以及相纸依次设置在同一个光轴上，混光筒外壳嵌在混光筒的外表面，用于固定混光筒并保证以上各部分的共轴关系。贴近LED基板的下面设置准直架，而准直架的下表面为一方形槽，刚好嵌到混光筒的光线入口处，保证了光能无损失；混光筒的下表面，即光线的出口处与毛玻璃相接，毛玻璃以45度角嵌于混光筒的光线出射口处，两者保证了照射到微显示面板上的光均匀度；毛玻璃下面为用于调制图像的微显示面板，两者距离很近，以免光能损失及其它杂光的进入；微显示面板与相纸之间放置一变焦投影镜头，其焦距用电脑直接控制，用于调节微显示面板光线的出射面与相纸尺寸一一对应。

本发明中，三色发光二极管按照方阵形式摆放并嵌于一块基板上面构成LED基板，各个LED之间的距离都相等，其中三色LED的摆放顺序可以有所不同。准直镜以方阵的形式嵌于准直架中，每个LED各自与一准直镜对应并共轴，且每个LED位于其对应的准直镜的焦点上，以缩小光线的发散角，减小光能损失。LED发出的光经准直镜直接进入混光筒(光能没有任何损失)，经混光筒及毛玻璃匀光后，均匀地照射到已调制好图像的微显示面板上，经变焦投影镜头投射到相纸上，最后在相纸上曝光。

准直镜用于收集LED发出的光、并缩小其光束发散角，通常使用透镜或反射镜作为准直镜。在使用透镜时，准直镜位于LED与混光筒之间，LED发出的光经透镜后射入混光筒；在使用反射镜作为准直镜时，准直镜位于LED端，LED发出的光角度较小的部分直接射入混光筒，角度较大的部分光经反射镜反射后再射入混光筒，经毛玻璃出射的光照射到已调制图像的微显示面板，经变焦投影镜头投射到相纸上。

一般地，单组LED难以满足数码显像对光通量的要求，需要多组LED同时工作，但本发明并不排斥使用单组LED，实际上，在能够满足光通量要求的情况下，应尽可能考虑使用较少的LED、甚至使用单组LED的可能性。在使用多个照明单元时，各照明单元有规律地并排放置于一基板上，再加上一个混光筒及毛玻璃构成本发明的多光源照明系统。

采用本发明的数码显像系统将产生以下诸多效果：

1、本发明采用LED作为光源，LED是一种冷光源，单个LED的发热比常用的高压汞灯、氙灯等放电光源要低得多，在采用多个LED工作时发热比较分散，因而对系统散热的技术要求较低；

2、LED具有很长的寿命，可以保证数码显像系统的整机寿命，不再需要更换光源；

3、可以在数码显像系统中使用红、绿、蓝三基色的LED，因而不需要使用复杂的分色装置；

4、采用LED为照明光源的数码显像系统中，色平衡的实现可以有两种办法：一种是采用不同数量的三基色LED实现色平衡；另一种是通过控制三基色LED的曝光时间实现色平衡，因而可以不需要牺牲光能量来实现色平衡；

5、LED发光的带宽较小，能更好地提高图像的色彩鲜艳程度。

附图说明

图1为本发明三色发光二极管多光源照明装置结构示意图。

图1中，1为LED基板，2为准直架，3为混光筒外壳，4为混光筒，5为微显示面板，6为变焦投影镜头，7为相纸，14为整个照明系统。

图2为本发明中LED照明单元结构示意图。

图2中，1为LED基板，2为准直架，8为LED，9为准直镜。

图3为本发明中的混光筒。

图3中，4为混光筒，13为毛玻璃片。

图4为三色LED的一种排列及分布方式。

图5为三色LED的另一种排列及分布方式。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

图1所示的是本发明的三色LED多光源照明装置的一个实施例的结构组成示意。图中的虚线范围内是本发明的照明系统14，由LED基板1、准直架2、混光筒外壳3、混光筒4及镶嵌于混光筒底面光线出射口处的毛玻璃构成。其中LED基板1、准直架2、混光筒4、毛玻璃、微显示面板5、变焦投影镜头6以及相纸7依次设置在同一个光轴上，混光筒外壳3嵌在混光筒4的外表面，用于固定混光筒并保证以上各部分的共轴关系。准直架2贴近设置于LED基板1的下面，准直架2的下表面为一方形槽，刚好嵌到混光筒4的光线入口处，保证了光能无损失。混光筒4的下表面，即光线的出口处与毛玻璃相接，如图3所示。毛玻璃13以45度角嵌于混光筒4的光线出射口处，两者保证了照射到微显示面板5上的光均匀度。毛玻璃13下面为用于调制图像的微显示面板5，毛玻璃13与微显示面板5两者距离很近，以免光能损失及其它杂光的进入。微显示面板5与相纸7之间放置一变焦投影镜头6，其焦距用电脑直接控制，用于调节微显示面板5光线的出射面与相纸7尺寸一一对应。

图2为本发明中发光二极管照明单元结构示意图。如图2所示。LED基板1上按照一定的规律固定放置三色发光二极管8，发光二极管8以方阵摆放，且各发光二极管之间的距离都相等。准直架2贴近设置于LED基板1的下面，准直镜9以方阵的形式嵌于准直架2中，每个发光二极管8各自与一个准直镜9对应并共轴，且每个发光二极管8位于其对应的准直镜9的焦点上，以缩小光线的发散角，减小光能损失。

图4与图5分别给出了发光二极管8的两种分布规则，都以方阵摆放，且各发光二极管之间的距离都相等。可以取任意一种颜色的发光二极管8摆放在方阵的中间一行或中间一列上(如图4所示)，或者是摆放在方阵的对角线上(如图5所示)，其它两种颜色的发光二极管8在行和列方向相间地摆放在与第一种颜色发光二极管摆放方向相平行的点阵上。

发光二极管8发出的光经准直镜9直接进入混光筒4(光能没有任何损失)，经混光筒4及毛玻璃13匀光后，均匀地照射到已调制好图像的微显示面板5上，经变焦投影镜头6投射到相纸7上，最后在相纸7上曝光。

本发明拟采用由红、绿、蓝三色光合成的标准白光源D65。根据色品图可查出标准白光源D65的色品坐标，进而可以求出该光源的三刺激值(即构成该光源的三基色光的能量)，由(2)式给出。相纸接收的总能量由(1)式给出。即可以求出三基色光源的能量比，由于所使用的红、绿、蓝三色灯的光功率已知，进而可以求出三色光的曝光时间比。

E_T＝E_R+E_G+E_B＝I_R×S×T_R+I_G×S×T_G+I_B×S×T_B    (1)

$x_{10}=\frac{X_{10}}{(X_{10}+Y_{10}+Z_{10})}$

$y_{10}=\frac{Y_{10}}{(X_{10}+Y_{10}+Z_{10})}---\left(2\right)$

$z_{10}=\frac{Z_{10}}{(X_{10}+Y_{10}+Z_{10})}$

(1)式中S为照射面积，即相纸7面积；I_R、I_G、I_B分别为红、绿、蓝三色光在相纸7面上的照度；T_R、T_G、T_B分别为红、绿、蓝三色光在相纸面7上的曝光时间；E_T为相纸7所接收的总能量；E_R、E_G、E_B分别为相纸7所接收的红、绿、蓝三色光的总能量。(2)式中x₁₀，y₁₀，z₁₀为标准白光源D65的色品坐标，X₁₀，Y₁₀，Z₁₀为合成标准白光源D65的红、绿、蓝三色光的三刺激值。

由于白平衡的调节较为复杂，再加上相纸7的光谱感光度特性又各不相同(因为不同的相纸有不同的光谱感光度特性)，由此根据红、绿、蓝三色光的曝光时间来调节白平衡是简单易行的。三色灯的曝光时间比已知，可以调节总的曝光时间，以达到相纸7处的白平衡。

Claims (5)

1、一种三色发光二极管多光源照明装置，其特征在于LED基板(1)、准直架(2)、混光筒(4)、毛玻璃(13)、微显示面板(5)、变焦投影镜头(6)及相纸(7)依次设置在同一个光轴上，混光筒外壳(3)嵌在混光筒(4)的外表面，用于固定混光筒(4)并保证以上各部分的共轴关系；LED基板(1)上固定放置三色发光二极管(8)，发光二极管(8)以方阵摆放，且各二极管之间的距离都相等，准直架(2)贴近设置于LED基板(1)的下面，准直镜(9)以方阵的形式嵌于准直架(2)中，每个发光二极管(8)各自与一个准直镜(9)对应并共轴，且每个发光二极管(8)位于其对应的准直镜(9)的焦点上；准直架(2)的下表面为一方形槽，刚好嵌到混光筒(4)的光线入口处，毛玻璃(13)以45度角嵌于混光筒(4)的光线出射口处，毛玻璃(13)下面为用于调制图像的微显示面板(5)，微显示面板(5)与相纸(7)之间放置一变焦投影镜头(6)，其焦距用电脑直接控制，用于调节微显示面板(5)光线的出射面与相纸(7)尺寸一一对应。

2、根据权利要求1的三色发光二极管多光源照明装置，其特征在于所述发光二极管(8)摆放的方阵形式为取任意一种颜色的发光二极管(8)摆放在方阵的中间一行或中间一列上，或者是摆放在方阵的对角线上，其它两种颜色的发光二极管(8)在行和列方向相间地摆放在与第一种颜色发光二极管摆放方向相平行的点阵上。

3、根据权利要求1的三色发光二极管多光源照明装置，其特征在于采用不同数量的三色发光二极管或通过控制三色发光二极管的曝光时间实现色平衡。

4、根据权利要求1的三色发光二极管多光源照明装置，其特征在于所述准直镜(9)为透镜，位于三色发光二极管(8)与混光筒(4)之间，发光二极管发出的光经透镜后射入混光筒(4)。

5、根据权利要求1的三色发光二极管多光源照明装置，其特征在于所述准直镜(9)为反射镜，位于三色发光二极管(8)与所述混光筒相反的一端，发光二极管发出的光角度较小的部分直接射入混光筒(4)，角度较大的部分光经反射镜反射后再射入混光筒(4)。

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