數(shù)碼彩擴(kuò)中提高成像質(zhì)量的光學(xué)方法

1、龍?jiān)雌诳W(wǎng)http:/數(shù)碼彩擴(kuò)中提高成像質(zhì)量的光學(xué)方法作者：孔敏華 來(lái)源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)2011年第16期摘 要 :使用圖象顯示器元件 LCD 構(gòu)成的數(shù)碼彩色擴(kuò)印機(jī) ,不同于傳統(tǒng)的以感光材料為母體 的彩色擴(kuò)印機(jī) ,它對(duì)光學(xué)照明系統(tǒng)成像物鏡有特殊要求。本文在分析造成照明不均勻原因后提 出了一種新的光學(xué)裝置 ,不僅提高了像面照度均勻性和三色光 （紅、綠、藍(lán) ）的曝光速度 ,而且還 可根據(jù) LCD 特點(diǎn)使照片的層次更豐富 ,彩色擴(kuò)印的效果更好。關(guān)鍵詞 :光學(xué)積分棒遠(yuǎn)心照明中圖分類(lèi)號(hào) :O43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1674-098X（2011）06（a）-0085-021 彩色擴(kuò)印中的照明系統(tǒng)

2、存在問(wèn)題彩色擴(kuò)印已存在多年 ,由于數(shù)碼照相機(jī)的誕生 ,促進(jìn)了彩色擴(kuò)印技術(shù)的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)比較 多的是使用液晶 LCD 作為顯示元件的數(shù)碼彩擴(kuò)系統(tǒng) （以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)碼彩擴(kuò) ）,俗稱(chēng)電子片夾。與傳 統(tǒng)彩色擴(kuò)印相比 ,在照明系統(tǒng)中沒(méi)有本質(zhì)上的變化 ,基本還是延用舊的照明方式 ,如圖 1 所示。圖 1 中,光源 1 發(fā)出的光線 ,經(jīng)過(guò)置于它后面的反光碗 6（球面或拋物面 ）進(jìn)入混色筒 2,照明阻 光板 3 產(chǎn)生的漫反射光照亮底片 4,通過(guò)物鏡 5 使底片 4 的圖象成像于感光材料相紙上 ,經(jīng)過(guò)沖印 后獲得放大的照片。阻光板 3 是一塊不完全透明的乳白色有機(jī)玻璃,目的是使像面照度得以均勻。數(shù)碼彩擴(kuò)與之區(qū)別在

3、于底片換成能接受視頻信號(hào)的顯示元件 LCD 。使用含有三基色的 LED 發(fā)光二極管代替原照明光源 ,用灰板軟件代替阻光板 ,這樣可以使像面照度均勻。其實(shí) ,無(wú)論 那種方式 ,都未能從根本上找出由于照明不均勻而帶來(lái)像面照度不均勻的原因。在圖 1 照明系統(tǒng)中 ,假設(shè)從光源發(fā)出的光束在各方向是均勻的,置于它后面的反光碗反射的光線 ,可減少光源發(fā)出的光線損失。實(shí)際上照明用光源發(fā)出光束不可能在各方向是均勻的,不同的光源有不同的配光曲線。使用 LED 發(fā)光二極管作為光源 ,在一定大小面積內(nèi)排列一定數(shù)量的 LED 發(fā)光二極管 ,可以人為地使中心排列密度降低 ,邊緣密度提高。但單個(gè) LED 發(fā)光二極管發(fā)出 光

4、束在各方向不可能是均勻的。所以光源影響也是造成像面不均勻的原因之一。另外,還有物鏡與聚光系統(tǒng)的匹配、物鏡本身有一定視場(chǎng)角,均會(huì)造成像面照度不均勻。像面照度不均勻?qū)鹘y(tǒng)彩擴(kuò)有一定影響,所以使用混色筒和阻光板予以彌補(bǔ)。由于傳統(tǒng)照相機(jī)有一定景深 ,所以像面照度不均勻在一定范圍內(nèi)時(shí) ,擴(kuò)印照片結(jié)果不顯著 ,人們也早已認(rèn)可這 種結(jié)果 ,而數(shù)碼照相機(jī)由于物鏡焦距短 ,景深大 ,所以照明系統(tǒng)造成像面照度不均勻影響大,數(shù)碼彩擴(kuò)像面照度均勻性是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。龍?jiān)雌诳W(wǎng)http:/2 數(shù)碼彩擴(kuò)的特點(diǎn)數(shù)碼彩擴(kuò)的圖象顯示元件是液晶LCD 、LCOS, 它是一種在一定外加電壓作用下呈現(xiàn)晶體性質(zhì)的物質(zhì) ,不同于一般

5、的感光材料 ,而且只接受一個(gè)振動(dòng)方向的偏振光。由于受LCD 象素排列的影響對(duì)光的吸收很大。它是一種與感光材料性質(zhì)完全不一樣的物質(zhì),所以傳統(tǒng)的彩色擴(kuò)印中照明裝置 ,成像物鏡已不能很好勝任數(shù)碼彩色擴(kuò)印工作,必須依照晶體特性及液晶 LCD 象素排列固有特性設(shè)計(jì)一種適合它特性的光學(xué)裝置。例如使用傳統(tǒng)的照相裝置,由于液晶接受來(lái)自于阻光板的漫反射光線 ,照明光束的入射角過(guò)大 ,會(huì)造成層次下降 ,又由于傳統(tǒng)的彩色擴(kuò)印系統(tǒng)雖然加了 混色筒 ,但由于加工精度低 ,外型尺寸大 ,出射光束的均勻性只能是一般 ,達(dá)不到數(shù)碼彩擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)照 射到液晶面照度均勻性要求。所以現(xiàn)有數(shù)碼彩擴(kuò)中普遍應(yīng)用灰板軟件,采用掃描圖象處理辦法

6、 ,使物鏡成像面照度均勻。隨著掃描次數(shù)增加,層次會(huì)降低 ,是一種以犧牲層次作為代價(jià)的方法 ,畫(huà)面質(zhì)量受影響。3 數(shù)碼彩擴(kuò)中的光學(xué)照明裝置綜上所述 ,數(shù)碼彩擴(kuò)中的光學(xué)照明系統(tǒng)應(yīng)該解決以下三個(gè)問(wèn)題。(1) 高的亮度以彌補(bǔ)液晶 LCD 對(duì)光的利用率低的特點(diǎn) ,縮短三色曝光時(shí)間。(2) 提高液晶 LCD 處的照明均勻性 ,與成像物鏡匹配 ,使像面獲得均勻照明 ,不使用灰板圖象 處理軟件 ,以提高圖片的層次。(3) 照明系統(tǒng)的出射光束應(yīng)該有小的入射角與液晶LCD 接受光束相匹配 ,保證層次不丟失。為了解決以上三個(gè)問(wèn)題 ,整理了一套光學(xué)裝置 ,如圖 2 所示。組件 4 是光學(xué)積分棒 ,接受來(lái)自輸入端聚光鏡

7、 2 的光線 ,光線進(jìn)入光學(xué)積分棒 4 后利用全反 射原理 ,見(jiàn)圖 3。當(dāng)光線由光密介質(zhì)(折射率為 n 1)進(jìn)入光疏介質(zhì)(折射率為 n0),例如空氣(n0=1)時(shí),由于空氣折射率低于玻璃折射率 ,在兩種介質(zhì)的分界面上有可能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象,只要能接受以入射角為u入射光線 ,就有可能光線不再由玻璃射入空氣 射與出射面與光學(xué)積分棒的垂直度及兩端面 完全可以實(shí)現(xiàn)多次。 由于多次反射像的重疊 長(zhǎng)度 L 和口徑 D 的關(guān)系如公式 (1):(1)式中 N 為反射次數(shù) 丄為光學(xué)積分棒長(zhǎng)度，D 為光學(xué)積分棒口徑,u 為入射光線的折射角。,而全部被反射 ,產(chǎn)生全反射。只要光學(xué)積分棒的入 (輸入、輸出 )平面度控制

8、足夠好時(shí) ,這種全反射現(xiàn)象 ,使輸出端的出射光線變得很均勻。光學(xué)積分棒的龍?jiān)雌诳W(wǎng)http:/為達(dá)到圖象顯示元件（LCD）表面照度均勻性不低于 90%目的,N 至少為 5 次，全反射次數(shù)越多 光線的均勻性越好。從公式（1）可知，全反射次數(shù) N 與光學(xué)積分棒長(zhǎng)度 L 和它的口徑 D 有關(guān),N 數(shù) 增加,會(huì)使光學(xué)積分棒長(zhǎng)度 L 增加，過(guò)長(zhǎng)會(huì)使光線在光學(xué)積分棒內(nèi)路徑過(guò)長(zhǎng)，使光線被介質(zhì)的吸收增加，亮度降低，而且過(guò)長(zhǎng)的光學(xué)積分棒會(huì)造成棒的加工困難和整個(gè)照明裝置外型尺寸增加，以L/D 之比在 1015 為好。光學(xué)積分棒口徑 D 與顯示元件尺寸有關(guān)。tg u 角與入射角 u 有關(guān),u 越大全反射次數(shù)就多，但

9、它又與入射端面之前的輸入端聚光鏡有關(guān)。輸入端聚光鏡由多片透鏡組成 ,其作用是接受來(lái)自從光源發(fā)出光線和經(jīng)橢球反光碗反射光 線,并會(huì)聚于光學(xué)積分棒輸入端 ,可按照光源在橢球反光碗第二象點(diǎn)成像大小與光學(xué)積分棒輸入 端截面尺寸設(shè)計(jì)輸入端聚光鏡的焦距。從軸上光線來(lái)分析它是對(duì)稱(chēng)于光軸的,但軸外光線是相對(duì)于主光線為對(duì)稱(chēng)的 ,按常規(guī)的方法 ,勢(shì)必造成軸外光線被擋 ,產(chǎn)生漸暈。所以輸入端聚光鏡應(yīng)設(shè) 計(jì)成象方遠(yuǎn)心系統(tǒng) ,不存在軸外光線的攔光現(xiàn)象。輸出端聚光系統(tǒng)的作用是把光學(xué)積分棒的輸出端成像與 LCD 上,由于輸出端的面形是矩形 , 選擇合理的長(zhǎng)寬比經(jīng)成像后與 LCD 長(zhǎng)寬比一致是非常容易的 ,而且是必須的 ,這

10、樣對(duì)提高照明亮 度有很大幫助。既然液晶 LCD 對(duì)接受小角度入射角對(duì)提高圖像層次有利 ,所以輸出端聚光鏡應(yīng) 該設(shè)計(jì)成象方遠(yuǎn)心光路 （遠(yuǎn)心照明 ）。為實(shí)現(xiàn)上述聚光要求 ,所以輸出端聚光系統(tǒng)不可能是單片組 成。綜合數(shù)碼彩擴(kuò)光學(xué)照明裝置的要求,可見(jiàn)它不是通常的臨界照明 ,而是遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)。一般的光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)聚光鏡注重于球差校正,這是無(wú)可非議的 ,而數(shù)碼彩擴(kuò)光學(xué)照明裝置還要校正軸外象差 ,所以整個(gè)照明裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)于一般聚光系統(tǒng)較為復(fù)雜。對(duì)于成像物鏡,除了必須的象差校正外 ,必須與照明系統(tǒng)匹配 ,所以它一定是物方遠(yuǎn)心物鏡。4 結(jié)語(yǔ)按照文中提到對(duì)數(shù)碼彩色擴(kuò)印光學(xué)照明裝置要求,運(yùn)用上述照明系統(tǒng) ,照明均勻性在象面處全現(xiàn)場(chǎng)范圍內(nèi)照明均勻性得到明顯提高,不需要進(jìn)行灰板圖象處理 ,亮度高 ,縮短曝光時(shí)間 ,層次豐富,擴(kuò)印