微透镜阵列照度增强系统.pdf

一种微透镜阵列照度增强系统，主要用于光学天象仪等放映设备中提高离散图象照度。它由光源1，聚光镜2，微透镜阵列6，短光纤10，有透光小孔的恒星掩模板3和物镜4组成。聚光镜2把位于其焦点处的光源1的光线转变成平行光束，照射在微透镜阵列6的各个透镜元6′上，并分别由各透镜元6′聚焦。短光纤10的一端对准透镜元6′的聚焦点，接收被聚焦的光线，另一端对准恒星掩模板3的透光小孔，使之受到高照度照明。此透光小孔通过物镜4在天幕5上投射出的恒星星点照度将大幅度提高。照度的增加值为透镜元6′的通光面积与其聚焦点面积之比。

1，  一种微透镜阵列照度增强系统，包括光源(1)，聚光镜(2)，恒星掩模板(3)和物镜(4)；其特征在于：它还包括由排成阵列的透镜元(6′)组成的微透镜阵列(6)和短光纤(10)；所述光源(1)位于聚光镜(2)的焦点处，聚光镜(2)将进入其口径的发散光束转变成平行光束，均匀照射在微透镜阵列(6)的各个透镜元(6′)上，并分别由各透镜元(6′)聚焦；短光纤(10)的右端对准透镜元(6′)的聚焦点，收集被透镜元(6′)聚焦的光线；短光纤(10)左端的位置对准恒星掩模板(3)的透光小孔，其方向则指向放映物镜(4)的入口瞳孔(4′)的中心，以保证恒星掩模板(3)上被照明的透光小孔，能通过物镜(4)在天幕(5)上投射出恒星光斑；透镜元(6′)和短光纤(10)的数量，均不少于放映恒星的星点数量；透镜元(6′)的口径根据恒星星点要求的照度确定。

2，  根据权利要求1所述的微透镜阵列照度增强系统，其特征在于：所述微透镜阵列(6)是将单个透镜元(6′)粘接在透明基板(7)上组成的；各个透镜元(6′)的焦面与该透明基板(7)未粘接透镜元(6′)的另一平面重合。

3，  根据权利要求1所述的微透镜阵列照度增强系统，其特征在于：所述微透镜阵列(6)中的单个透镜元(6′)和透明基板(7)被制成一件，用光学塑料整体注塑成型；各个透镜元(6′)的焦面与该微透镜阵列(6)上没有透镜元(6′)突起的另一平面重合。

4，  根据权利要求1或2或3所述的微透镜阵列照度增强系统，其特征在于：在紧靠微透镜阵列(6)的左侧装有接收孔板(8)；接收孔板(8)各小孔的位置与微透镜阵列(6)各透镜元(6′)的聚焦点一一对应，接收孔板(8)各小孔的轴线与系统的光轴平行；短光纤(10)的右端插入接收孔板(8)的小孔中，收集微透镜阵列(6)各透镜元(6′)聚焦的光线。

5，  根据权利要求1或2或3或4所述的微透镜阵列照度增强系统，其特征在于：在紧靠恒星掩模板(3)的右侧装有导引孔板(9)；导引孔板(9)各小孔的位置与恒星掩模板(3)上各透光小孔的位置一一对应，导引孔板(9)各小孔的轴线指向放映物镜(4)的入口瞳孔(4′)的中心；短光纤(10)的左端插入导引孔板(9)的小孔中，照明恒星掩模板(3)的各透光小孔，并保证经恒星掩模板(3)上被照明的透光小孔出射的光线，能通过物镜(4)的入口瞳孔(4′)在天幕(5)上投射出恒星光斑。

6，  根据权利要求1或2或3或4或5所述的微透镜阵列照度增强系统，其特征在于：导引孔板(9)各小孔的位置与恒星掩模板(3)上各透光小孔的位置一一对应，导引孔板(9)各小孔的轴线与系统的光轴平行；场镜(11)保证经恒星掩模板(3)上被照明的透光小孔出射的光线，能通过物镜(4)的入口瞳孔(4′)在天幕(5)上投射出恒星光斑。

7，  根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的微透镜阵列照度增强系统，其特征在于：将微透镜阵列(6)，接收孔板(8)，短光纤(10)，导引孔板(9)和恒星掩模板(3)共同制成一个便于操作的整体部件。

微透镜阵列照度增强系统
技术领域  本发明涉及一种微透镜阵列照度增强系统，特别是光学天象仪恒星放映器的恒星星点照度增强系统。
背景技术  传统的光学天象仪，其恒星天空是由多个恒星放映器投影拚接而成，单个恒星放映器的工作原理与幻灯机相似。如图1所示，聚光镜2把光源1成象在放映物镜4的入口瞳孔4′处。也就是说由光源1进入聚光镜2口径的光源能量，被聚焦后通过放映物镜4投射到天幕5上，产生一定的象面照度。在聚光镜2左侧放映物镜4的焦面处，放置恒星掩模板3。恒星掩模板3整体上是一块不透光的底板，但上面刻有许多个透光小孔。恒星掩模板3的透光小孔成在天幕5上的象，就是天象仪恒星放映器放映的许多颗恒星。显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透光小孔的直径很小，所有透光小孔加起来的总面积，也不到恒星掩模板3面积的千分之一。换句话说，进入聚光镜2口径的光源能量，其中超过99.9％被恒星掩模板3的不透光部分阻挡，最终转化为无用反而有害的热能。可见传统天象仪恒星放映器的光能利用效率还不到千分之一。
恒星天空的照度是天象仪的关键技术指标。为了提高天象仪放映恒星天空的照度，传统方法是增大光源的功率。例如在日本美能达(Minolta)厂的Infinium天象仪中，采用了4KW的光源，但随之带来了散热等一系列问题。显然合理的技术解决途径，是提高光源能量的利用效率。为此1978年民主德国蔡斯(Zeiss)厂的发明专利WP286(1988年获美国专利US476666)提出，用包含多根光导纤维组成光导纤维束，使其束状的输入端靠近光源，并用聚光镜尽量吸取光源能量。输出端则散开，分别将光源能量通过每根光导纤维，导引到恒星掩模板上各个刻制的透光小孔处。这样就使需要照明的透光小孔局部区域受到照明，而没有透光小孔地其它地方不照明。由于此方法大大提高了光源能量的利用率，因此能显著增加恒星星点的照度。但其缺点是：细长的光导纤维容易折断，在狭小的空间内布置成千上万条光导纤维相当困难。其次是不同星等的恒星视亮度不同，要求恒星光斑的照度不同，而用光导纤维集中耦合的方法难以获得不同照度。此外因为聚光镜直接将光源成象在光导纤维束的输入端面，必然造成各根光导纤之间照度的不均匀，需要加装照度均匀器来解决。
发明内容  本发明的目的是利用微透镜阵列分散聚焦，短光纤定点导引的原理，提供一种新型的象面照度增强系统。它一方面能提高光源的能量利用率，增加象面照度，同时又能解决现有技术不能根据不同星等的恒星视亮度差别，提供不同的星点照度的问题。本发明还克服了暴露在开放的空间内，密集的长光导纤维容易缠绕折断的缺点。由于本发明中的聚光镜将光源成象在无限远，所有微透镜阵列中的透镜元受到的照度自然是均匀的，不需要另加照度均匀器。这样本发明就全面地解决了现有技术存在的问题。
本发明的目的是这样实现的：由图2可见，本发明包括光源1，聚光镜2，由排成阵列的透镜元6′组成的微透镜阵列6，短光纤10，恒星掩模板3和物镜4。光源1位于聚光镜2的焦点处，聚光镜2将进入其口径的发散光束转变成平行光束，均匀照射在微透镜阵列6的各个透镜元6′上，并分别由各透镜元6′聚焦。短光纤10的右端对准透镜元6′的聚焦点，收集被透镜元6′聚焦的光线。短光纤10左端的位置对准恒星掩模板3的透光小孔，其方向则指向放映物镜4的入口瞳孔4′的中心，以保证恒星掩模板3上被照明的透光小孔，能通过物镜4在天幕5上投射出增亮的恒星光斑。这是由于聚焦点汇集了透镜元6′口径内的光源能量，因此聚焦点的照度比没有透镜元6′时的平均照度要高。照度的增加值为透镜元6′通光面积与其聚焦点面积之比，可达数百。可见增大透镜元6′的口径就能提高恒星光斑的照度。透镜元6′和短光纤10的数量，均不少于放映恒星的星点数量，透镜元6′的口径根据星点要求的照度确定。由于短光纤10被包容于密闭空间内，所以不易受到损坏。这样本发明就提供了一种新型的象面照度增强系统，它不但能提高光源的能量利用率，增加象面照度，同时又能解决现有技术存在的问题。
附图说明  下面结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。
图1为传统光学天象仪的恒星放映器示意图。
图2为本发明的新型微透镜象面照度增强系统的工作原理示意图。
图3为第一种实施方式的微透镜象面照度增强系统的结构示意图。
图4为第二种实施方式的微透镜象面照度增强系统的结构示意图。
具体实施方式  本发明的第一种实施方式见图3。光源1位于聚光镜2的焦点处，聚光镜2将进入其口径的发散光束转变成平行光束，并均匀照射在微透镜阵列6的各个透镜元6′上。各个透镜元6′在此平行光束照射下将产生各自的聚焦点，这些聚焦点仍按阵列形状整齐地排列于微透镜阵列6的左侧面上。紧靠微透镜阵列6的左侧面放置接收孔板8，其上钻有与微透镜阵列6各个透镜元6′的聚焦点一一对应的平行于光轴的小孔。短光纤10的右端插入接收孔板8相应的小孔中，以收集透镜元6′聚焦点的光线。短光纤10的左端插入导引孔板9相应的小孔中。导引孔板9的这些小孔不但其位置要与恒星掩模板3的透光小孔一一对准，为其提供照度增强的照明，而且导引孔板9上各个小孔的轴线方向是倾斜的，须指向放映物镜4的入口瞳孔4′的中心，以保证恒星掩模板3上被照明的透光小孔，能通过物镜4在天幕5上投射出增亮的恒星光斑。
至于微透镜阵列6的结构，可以是将单个透镜元6′粘接在透明基板7上组成——此时各个透镜元6′的焦面，应与该透明基板7未粘接透镜元6′的另一平面重合。微透镜阵列6的结构也可以将透镜元6′和透明基板7做成一件，用光学塑料整体注塑成型——此时各个透镜元6′的焦面与该微透镜阵列6上没有透镜元6′突起的另一平面重合。
第一种实施方式虽然结构较简单，但带有倾斜小孔的导引孔板9加工困难。
本发明的第二种实施方式见图4。光源1位于聚光镜2的焦点处，聚光镜2将进入其口径的发散光束转变成平行光束，并均匀照射在微透镜阵列6的各个透镜元6′上。各个透镜元6′在此平行光束照射下将产生各自的聚焦点，这些聚焦点仍按阵列形状整齐地排列于微透镜阵列6的左侧面上。紧靠微透镜阵列6的左侧面放置接收孔板8，其上钻有与微透镜阵列6各个透镜元6′的聚焦点一一对应的平行于光轴的小孔。短光纤10的右端插入接收孔板8相应的小孔中，以收集透镜元6′聚焦点的光线。短光纤10的左端插入导引孔板9相应的小孔中。导引孔板9的这些小孔其位置要与恒星掩模板3的透光小孔一一对准，为其提供照度增强的照明。但导引孔板9上各个小孔的轴线方向平行于光轴而不需倾斜。恒星掩模板3的左侧为场镜11，用于保证经恒星掩模板3上被照明的透光小孔发出的光线，不论位于靠近光轴的视场中心位置，或是位于远离光轴的视场边缘位置，都能受到场镜11的校正，顺利通过物镜4的入口瞳孔4′而在天幕5上投射出增亮的恒星光斑，。