CN1109917C - 照明一种感光介质用的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来点照明一介质的照明单元，该照明单元包括多个波导形式的光发射器，这些光发射器被设置成经过一光阀装置照明至少一个照明面，所述光阀装置包括多个电控光阀，光发射器(1)中至少一个被设置来照明多个光阀。

Description

照明一种感光介质用的装置和方法
技术领域
本发明涉及用来点照明介质的照明单元和照明方法，其包括多个波导形式的光发射器，这些光发射器被设置成通过一光阀装置照明至少一个照明面，所述光阀装置包括多个电控光阀。
背景技术
该技术包括各种类型的照明系统，这些类型中都有一连续的高能量光源，例如一汞灯或氙灯，该光源通过一给定类型的光调制器照明一感光介质上的多个照明点。
然而，该技术并未获得很大的商业成功，因为许多类型光阀的利用率都非常低，因此，光在一大的照明面上分布通常产生较大的光损失，由此导致照明点上的发光能量显著减少。由于这种情况，有效光能常趋向于集中在一个特定的小照明区，而不是因为有限的照明能量试图将它在一个较长时间内分布在一个大的区域，由此在各个照明点上得到较少的照明能量。
由上述问题造成的现有技术的一个缺点是，必须将一光阀阵列中非常大量的光阀设置在一非常小的区域上，因为很难将足够的光能分布在一个大的区域上，且很难实现均匀的表面照明。
例如由美国专利US5,049,901中所知的印制板技术用计算机，其中如经DMD光阀照明印制板，这种计算机涉及的问题是，不可能在一大的区域上分布足够的光能。该专利因此描述了这样一个内容，即如何通过用几行光阀照明同一扫描线来尽可能地在尽可能最长的时间段使一条扫描线上的照明保持尽可能最好。较低照明能量的另一结果也可能是必须使用具有一增大感光度的特殊印制板，这样一来一是使用时昂贵，另外较传统印制板来说，增大了对于储藏和使用的需求。这种较低可达到的光能进一步的可能结果是，系统的照明时间必须显著增加。可是，这增加了时间上的消耗，由于印制板的整个必须暴光的时间显著增加，所以这并不很方便。
在一大区域上分布光的另一缺点是，应用例如大量光源可能导致相当明显的边缘问题，这些问题发生在各光源的照明轮廓与照明区域之间的边缘区域上。这些边缘问题以前要么通过用相同的光发射器照明一照明区域来避免，要么另一方面通过用分离光纤照明每个单个照明点来避免。从美国专利详细说明书US4,675,702中了解到的首先提及类型的系统其缺点在于，照明区域实际受限制，由此要求在照明单元与衬底之间有一复杂的相对机械运动。
最后提及的类型提供了照明面上的均匀照明，因为照明强度在每个照明点间变化，从而使照明强度的变化看不到。从美国专利说明书US4,899,222中可了解的最后提及类型的缺点是该系统特别复杂，因为每个照明点需要一个光纤。这意味着从光源到光调制器的光分布要求用非常大量的光纤，且就光源和光调制器来说，需要非常精确地调节每个单独光纤。在这方面，应当记得的是，每个单独光纤必须由光源的定期互换(routine exchange)来再调节。
上述光调制系统另外受一缺点影响，该缺点是传输衰减非常大，由此很难或根本不可能实现被照明介质上的高能照明。
发明内容
根据本发明的一种用于点照明一介质的照明单元，该单元包括多个波导形式的光发射器，至少一个光源与所述多个光发射器光学地连接，这些光发射器被设置成经过一光阀装置照明一照明面，所述光阀装置包括多个电控光阀，其特征在于光发射器中至少两个被安置来照明多个光阀中每一光阀。
根据本发明的照明单元，当光发射器中至少两个被设置来照明多个光阀中每一光阀时，则可以达到与一非常均匀和一致的表面照明相结合的非常高的透射照明强度。
已有技术并不涉及来自一个以上光发射器的遍及光阀的一个大区域或分区确定而有效的特定分布。当光经过几个光发射器分布时，每个光发射器照明多个光阀，还可以以一种简单的方式使用几个光源，每个所述光源可以精确地用于一个波导以便所达到的能量具有一最大值。
借助波导来分布光的又一优点是，光可以在耦合器或类似装置中适当混合以达到在各个波导中较大的传输能量总和。
本发明的又一优点是，可以逐渐实现例如从紫外光范围内的灯中增大的输入能量，由此传输给光阀的能量会很大，以致单个光发射器能够发射具有很大能量的光以便同时照明几个光阀。
在例如紫外灯的应用方面业已发现，引入巨大照明区域，即引入由单一波导照明的每个区域，在每个照明区域之间没有造成显著的边缘效应，正如已经了解的那样，来自每个波导的发射能量之间任何巨大的变化(例如由于光强度变化曲线是被连接灯的函数，各个光纤的耦合光学器件关于已连接灯的不同定位)，可以通过适当混合波导来补偿，由此完全照明的结果是具有一致的视觉表象，而在边缘区域的强度上没有显著差别。
上述混合可以例如视情况来进行，该情况就是相邻的巨大照明区域接收相互间没有显著差别的光能，同时相互间较远取向的巨大照明区域可能在强度上有一定程度的较大差别，但这并没有在照明表面上造成相当大的视觉混乱。
本发明的另一优点可以通过对射入各个波导或从各个波导射出的光进行滤光来得到，由此而使来自所有波导或其中一些波导中的照明强度一致。
与已有技术相反，根据本发明的装置可以以一相对简单的方式构成，同时在一非常大的照明区域上实现高分辨率、高照明率、高精确度和一致的照明强度。
本发明尤其是在一些会因较大损耗造成失效的光阀方面比较优越。这些光阀类型的一个实例可以是例如以光电为基础的光阀，如LCD、PDLC、PLZT、FELCD和克尔盒。光阀的其他类型可以例如是以机电反射为基础的DMD类型光调制器。
根据本发明，由此可以以一简单方式使用较少波导在大表面上将光加在一起，正如可以在照明系统中相对自由地对光发射器取向一样，因为光发射器由波导端而不是由例如带有相关光学系统、驱动装置和冷却器的光源组成。
对于可透射光阀来说，可实现本发明的一个特别有利的实施例，原因在于这些可透射光阀使可能的光损失最小，而这对于某些应用的功能可能是相当重要的。
本发明的照明单元，当该照明单元还包括第一透镜装置，所述透镜装置包括至少一个微透镜，该微透镜相对于每个光阀设置以使由光发射器发出的光被聚焦于各个光阀的光轴上或其附近时，则可实现对光发射器发出光能的高利用率。
本发明的照明单元，当该照明单元还包括第二微透镜装置，其设置于光阀和照明面之间，以使通过单个光阀的光通道传输的光适于聚焦在照明面上时，这保证了来自每个通道的光以高强度照明到照明表面上的小点上。
本发明的照明单元，当该光学波导由光纤构成时，则可实现光强度的小损耗以及各个元件在空间定位上较大的结构灵活性。
多模光纤的使用使得更宽光谱的光照明照明表面成为可能。
本发明的照明单元，当光源的至少一个由一短弧隙灯构成时，则从一个有限的实际程度(physical extent)的区域可实现高发射光能(高辐射强度)。
本发明的照明单元，当该光源包括一短弧隙灯，该短弧隙灯带有可接收光的光学波导或光纤，它们在相对于该灯周围一球面上该灯赤道轴(E)+/-75°角以内设置，并且光学连接到光发射器和将光传导到光发射器时，这保证了从光源发出的光的主要部分集中于波导中，由此使利用率非常高。
本发明的照明单元，当该光源的至少一个由一激光源构成时，则可以分配光源，以使例如一行激光源可供应全部数量的光阀。
本发明的照明单元，当该照明单元包括多个波导形式的光发射器，每一个光发射器光学连接到一光源上，该光源被设置来照明按一给定形设置的多个光阀，且在该光发射器和该面形之间设置至少一个准直透镜，以便将准直光传导到与多个光阀相关联的第一微透镜装置时，则可实现从每个光发射器向多个光阀的均匀照明。
本发明的照明单元，当该光阀的面形构成一个六边形时，则可达到一个非常好的近似圆形，因此可实现高效利用来自一几何圆形的光发射器的光能。另一优点是，六边形照明面极有利于结合构建在一起的多个照明单元的扫描运动使用。因此，六边形适于成形且沿扫描方向及其横向方向相互偏移定位。
本发明的照明单元，当沿该面形的横向方向成行设置各个光阀，而各光阀相互间有一给定间距，并且所述各行在横向方向上相互间偏移时，可以在一个大的宽度上呈线性分布光。
本发明的照明单元，当各行被设置来使该面形上沿横向方向所有各个光阀的投影在横向方向上产生多个一定间距的照明点时，则如果这些光阀在横向方向上设置成单行，可保证因它们的实际程度使光以非常高的分辨率照明到点上，该分辨率比与各个光阀间的距离相对应的分辨率更高。
本发明的照明单元，当该光阀的面形被设置在一个或多个照明头上，每一照明头和照明面适于穿过照明区进行相对运动，而且所述装置还配备一控制单元，以根据照明头和照明面之间的相对运动来控制光阀时，则可实现本发明一种有利的实施例。
本发明的照明单元，当该照明头构成一杆状体(rod)，该杆状体与照明面的相对运动是杆状体沿横向方向的单一前进运动时，则可保证在照明面的全部或相当一部分宽度中生成照明点，并且借助扫描运动产生在照明面的全部或相当一部分上。
本发明的照明单元，当光阀装置和照明面之间的照明单元还包括光学装置，用来发散(spreading)穿过照明面由光通道发出的光束时，则可保证整个区域上的曝光(exposure)，该区域实际上比光通道覆盖的区域大，由此例如可以对光阀装置周围的非活动边缘区域进行补偿。
本发明的照明单元，当该照明单元的光阀由以光电为基础的光阀(空间光调制器)构成，如LCD、PDLC、PLZT、FELCD或克尔盒时，则在单独应用中选择光调制器原理方面可实现很大的设计灵活性，其还包括标准化元件可以降低生产成本。
本发明的照明单元，当该照明单元的光阀由基于机电的反射光阀构成，如DMD片时，则可实现具有高空间分辨率的解决办法。
本发明的照明单元，当该照明单元的光阀由基于机电的透射光阀构成时，则可实现一种通过调制器的光的暗度(dimming)非常低的解决办法。
本发明的照明单元，当该照明单元的波导相对于光阀装置设置，以便在各分组光阀照明被照明面上相邻区域或相互接近的区域，馈给每个分组光阀的光能彼此间没有显著差别时，则可确保所有光发射器之间光强度上所允许的变化可在不可见的情况下增大。
本发明的照明单元，当该波导的光接收端集中成至少一束，其直接或间接从与至少一个灯光学连接的反射器或反射系统接收光时，则实现集中控制投射到波导中光的总量和变化量的可能性更大。
本发明还提供一种借助多个波导形式的光发射器点照明一介质的方法，包括提供包括多个电控光阀的光阀装置，提供设置在光阀装置后面的光发射器，通过所述光阀装置照明一照明面，其特征在于，光发射器中至少两个被设置来照明多个光阀中每一光阀。
附图说明
下面将参照附图更全面地说明本发明，其中
图1示出本发明一个实施例的基本原理图，
图2示出图1所示一分区的更详细的示意图，
图3示出根据本发明一分区实施例的另一实例，
图4示出一实施例，其中图3所示分区设置于例如一扫描杆(scanning rod)上，
图5示出在一扫描杆状体上排布多个照明组件的实施例，
图6示出根据本发明含LCD光阀的照明系统剖视图。
具体实施方式
图1示出本发明一个实施例的基本原理图。
这样，一照明系统包括一灯1，其与波导的多个光接收端光学连接，该波导例如是集中于固定物2中的光纤3。
在光纤3的相反一端，光纤3光学连接于多个分区或区域4，其中每一个分区4包括多个光阀(图中未示)。
波导3由此将光传导到分区4，此处被馈送的光在一照明面5上受到调制。
图1所示光阀装置例如可以被设置来进行瞬间曝光(flashexposure)，即，在整个照明面上所有的照明点都可以同时受到照明。
图1所示光阀装置还可以在有大量光阀的阵列基础上构建，全部区域分成多个分区，每个分区都由一波导3照明。
图2是图1所示分区4之一的近视图。
每个分区包括多个光阀6，光阀6可单独由与它相连的一控制单元(图中未示)进行电控制。该光阀装置可以例如由具有一给定期望分辨率的LCD显示器形成。
光阀的整个分区4由一个波导3照明，波导3被设置成使由其发出的光束10能够向分区中所有的光阀6提供光能。
应指出的是，该光束经常通过准直光学系统来提供，以便供给光阀装置是平面的且在能量方面是均匀的光束。
图3示出根据本发明一分区实施例的另一实例。
对于图2中示出的分区，首先指出的是，每个分区几乎没有光阀。
所示分区4因此包括多个带有光阀孔6’的光阀6。
可以看出，所选的光阀装置其在角部的光阀被遮住，从而使分区的形状接近一个外接圆。可以理解的是，为了进行说明，所选实例具有的光阀数减少，而且更多数的光阀可因此更容易趋近于一期望的面形(face-shaped)或矩阵结构。
近似圆的面形的优点是，相对容易地将来自波导的光分布在光阀装置上，因为波导一般具有一圆形横截面。
从图4中将能看出，光阀6，6’的三个分区14如何被设置来与照明单元一起完成一扫描运动和垂直于扫描线9的照明。在扫描线9上所示的光投影中，全部光阀装置垂直于扫描线9移动并沿该单元的法线方向进行照明。如所看到的那样，各个光阀6的光孔6’对扫描线以照明点6”形式的等距照明点作出贡献。
所示装置例如可以与相关联的控制电子装置(图中未示)构建在一活动扫描杆状体(图中未示)上。
所示结构可以比例如用于瞬间曝光的装置更经济地构建，就象可以以一简单方式增大分辨率一样。下面将更详细地讨论它。
如从该实例中将看到的那样，所用分区相对于其在扫描线9上的投影有一倾斜。所示装置因此增大了与光阀装置中的行数相对应的分辨率。修改每个照明组件关于扫描线9的夹角以便于在向下投射到线9上的点6”之间产生一等距间隔。
作为上述装置的一个替代方案，该系统可以通过使几个光阀来照明同一照明点来重复(with redundancy)设置。这可能例如与光阀类型有关是一个明显的优点，其中产生了某种功能不确定性，即非功能反射镜或光阀。这样一种重复例如可以通过旋转一更大光阀阵列来实现，从而使所选光阀在扫描过一照明面或扫描线时照明同一点。
在这方面应当记住，如果独立使用这些光阀，就必须允许这些光阀通常有非常小的误差或不可能有误差，为此重复将允许各个照明组件上有某些不确定性。这又减少了所涉及光阀装置的单位价格。
所示实例的一个优点是，标准光阀结构可以与光阀的普通矩阵位置一起使用，例如LCD型光阀，而不是必须具有特别和特殊光阀布局一起产生的分区。
然而，可以理解的是，必要时，各个分区或完整光阀装置可在一给定专门布局中以光阀的一个整体形式制造。
而且应当指出的是，本发明的另一个优点在使用一扫描光阀装置时特别明显，因为该光阀装置在整体上通常需要一极长的光源线(与期望的扫描线长度相对应)。不使用波导，就很难实现这样一个拉长的光轮廓，因为所使用的光学系统可能特别复杂和庞大。
图5示出本发明另一实施例的一段，这种情况下，直接产生光阀布局，各个光阀行之间有行位移。
所示光阀装置适于沿扫描方向SD在一照明面上扫描。
该光阀装置配备有成行设置的多个光阀6，如LCD光阀。每个光阀有一照明孔6’，照明孔可用电活化及去活。当光阀6打开时，它会因此照明光阀下方设置的一个照明区。这个照明区是所示情况下的扫描线9。
如附图中所示，光阀装置的投影30一起形成一照明线SL，其上的照明点相互间有一给定的中心距。这些投影说明各个光阀沿SD方向经过扫描线SL时各个点是如何产生的。
可以理解的是，该照明装置由控制装置(图中未示)来控制，保证各个光阀以一个适当的相互间时间延迟来打开，以便普通扫描线重新形成于扫描线SL上，即使跨过扫描线的光阀行的通道暂时错列开(staggered)。
在所示情况下，可达到的照明分辨率对应于每个相邻行间的相互位移。然而，可以理解的是，所示布局就代表了本发明范围内许多可能光阀布局的一种。
所示实施例的一个优点是，该光阀装置可直接制造，尤其为了该装置所供任务而制造，因此有利于协同操作的照明组件相互间的定位。
图6示出根据本发明一实施例的断面。
因此图6表示一照明系统，该系统包括一束波导20，这些波导的光接收端可被设置来接收来自一个或多个光源(图中未示)的光。
例如可以由光纤组成的波导束20构成多个用来照明准直光学系统23的光发射器，以便光纤束中每个光发射器可被单个准直以达到准直光束28。
准直光束28随后传导到一LCD调制板24，该调制板由一个LCD阵列组成，其中各个LCD光阀适于根据电控信号对入射光调制以输出微光束的巨大光束29。每个巨大光束29由多个被单独调制的微光束组成。该微光束在图6中未示，这归因于图中可达到的分辨率。
作为本发明的另一实施例，LCD板可构建成多个LCD阵列，每个LCD阵列都受到来自光纤束20的一个光发射器或一个分组光发射器的精确照明。
接着，巨大光束29传导到多个大型物镜(objective)系统，每个物镜系统可由例如相关联的大型透镜25、26组成。这些大型物镜系统随后将巨大光束传导到一例如印制板形式的照明点。
所示实施例可进行静止照明面的静止瞬间曝光，这取决于光学系统和LCD板的结构和尺寸。
另一方面，所示实施例可设置成在照明面和照明系统间相对移动，相对移动的形式是例如扫描，如图4和图5中所示。

Claims (22)

1.一种用于点照明一介质的照明单元，该单元包括多个波导形式的光发射器(3)，至少一个光源(1)与所述多个光发射器光学地连接，这些光发射器被设置成经过一光阀装置照明一照明面，所述光阀装置包括多个电控光阀，其特征在于光发射器(3)中至少两个被安置来照明多个光阀(6)中每一光阀。
2.根据权利要求1的照明单元，其特征在于它还包括第一透镜装置，所述透镜装置包括至少一个微透镜，该微透镜相对于每个光阀设置，以使光发射器发出的光被聚焦于各个光阀的光轴上或其附近。
3.根据权利要求1或2的照明单元，其特征在于它还包括第二微透镜装置，所述第二微透镜装置设置于光阀和照明面之间，以使通过单个光阀的光通道传输的光适于聚焦在照明面(5)上。
4.根据权利要求1-3的照明单元，其特征在于该光学波导由光纤构成，优选由多模光纤构成。
5.根据权利要求1-4的照明单元，其特征在于光源(1)的至少一个由一短弧隙灯构成。
6.根据权利要求1-5的照明单元，其特征在于该光源包括一短弧隙灯(1)，该短弧隙灯带有可接收光的光学波导或光纤，它们在相对于该灯周围一球面上该灯赤道轴+/-75°角以内设置，并且光学连接到和将光传导到光发射器。
7.根据权利要求1-6的照明单元，其特征在于该光源的至少一个由一激光源构成。
8.根据权利要求1-7的照明单元，其特征在于它包括多个波导形式的光发射器(3)，每一个光发射器(3)光学连接到一光源(1)上，该光源(1)被设置来照明按一给定面形设置的多个光阀(6)，且在该光发射器和该面形之间设置至少一个准直透镜，以便将准直光传导到与多个光阀相关联的第一微透镜装置。
9.根据权利要求8的照明单元，其特征在于该光阀的面形构成一个或多个六边形。
10.根据权利要求8或9的照明单元，其特征在于沿该面形的横向方向(9)成行设置各个光阀，而各个光阀相互间有一给定间距，并且各行在横向方向上相互偏移。
11.根据权利要求8-10的照明单元，其特征在于所述各行被设置来使该面形上沿横向方向(9)所有各个光阀的投影在横向方向(9)上产生多个一定间距的照明点。
12.根据权利要求1-11的照明单元，其特征在于该光阀的面形被设置在一个或多个照明头上，每一照明头和照明面适于穿过照明区进行相对运动，而且所述装置还配备有一控制单元，以根据照明头和照明面之间的相对运动来控制光阀。
13.根据权利要求12的照明单元，其特征在于该照明头构成一杆状体，该杆状体与照明面的相对运动是杆状体沿横向方向的单一前进运动。
14.根据权利要求1-13的照明单元，其特征在于光阀装置和照明面之间的照明单元还包括光学装置，用来发散穿过照明面由光通道发出的光束。
15.根据权利要求1-14的照明单元，其特征在于该照明单元的光阀由以光电为基础的光阀构成。
16.根据权利要求1-15的照明单元，其特征在于该照明单元的光阀由基于机电的反射光阀构成。
17.根据权利要求1-16的照明单元，其特征在于该照明单元的光阀由基于机电的透射光阀构成。
18.根据权利要求1-17的照明单元，其特征在于该照明单元的波导相对于光阀装置设置，以便在分组光阀照明被照明面上相邻区域或相互靠近的区域时，馈给每个分组光阀的光能彼此间没有显著差别。
19.根据权利要求1-5和7-17的照明单元，其特征在于该波导的光接收端集中成至少一束，其直接或间接从与至少一个灯光学连接的反射器或反射系统接收光。
20.一种借助多个波导形式的光发射器(3)点照明一介质的方法，包括提供包括多个电控光阀的光阀装置，提供设置在光阀装置后面的光发射器(3)，通过所述光阀装置照明一照明面，其特征在于，光发射器(3)中至少两个被设置来照明多个光阀(6)中每一光阀。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于光发射器发出的光经过第一透镜装置聚焦在各个光阀的光轴上或其附近，所述透镜装置包括至少一个相对于每个光阀设置的微透镜。
22.根据权利要求20或21的方法，其特征在于通过各个光阀的光通道传输的光适于经过光阀和照明面之间设置的第二微透镜装置聚焦在照明面(5)上。
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