數碼彩擴中提高成像質量的光學方法

摘 要:使用圖象顯示器元件LCD構成的數碼彩色擴印機，不同于傳統的以感光材料為母體的彩色擴印機，它對光學照明系統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裝置，不僅提高了像面照度均勻性和三色光(紅、綠、藍)的曝光速度，而且還可根據LCD特點使照片的層次更豐富，彩色擴印的效果更好。

關鍵詞:光學積分棒遠心照明

中圖分類號:O43文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0085-02

1 彩色擴印中的照明系統存在問題

彩色擴印已存在多年，由于數碼照相機的誕生，促進了彩色擴印技術的發展。目前國內比較多的是使用液晶LCD作為顯示元件的數碼彩擴系統(以下簡稱數碼彩擴)，俗稱電子片夾。與傳統彩色擴印相比，在照明系統中沒有本質上的變化，基本還是延用舊的照明方式，如圖1所示。

圖1中，光源1發出的光線，經過置于它后面的反光碗6(球面或拋物面)進入混色筒2，照明阻光板3產生的漫反射光照亮底片4，通過物鏡5使底片4的圖象成像于感光材料相紙上，經過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玻璃，目的是使像面照度得以均勻。

數碼彩擴與之區別在于底片換成能接受視頻信號的顯示元件LCD。使用含有三基色的LED發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，無論那種方式，都未能從根本上找出由于照明不均勻而帶來像面照度不均勻的原因。

在圖1照明系統中，假設從光源發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，可減少光源發出的光線損失。實際上照明用光源發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發光二極管作為光源，在一定大小面積內排列一定數量的LED發光二極管，可以人為地使中心排列密度降低，邊緣密度提高。但單個LED發光二極管發出光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的匹配、物鏡本身有一定視場角，均會造成像面照度不均勻。

像面照度不均勻對傳統彩擴有一定影響，所以使用混色筒和阻光板予以彌補。由于傳統照相機有一定景深，所以像面照度不均勻在一定范圍內時，擴印照片結果不顯著，人們也早已認可這種結果，而數碼照相機由于物鏡焦距短，景深大，所以照明系統造成像面照度不均勻影響大，數碼彩擴像面照度均勻性是一個急需解決的問題。

2 數碼彩擴的特點

數碼彩擴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晶體性質的物質，不同于一般的感光材料，而且只接受一個振動方向的偏振光。由于受LCD象素排列的影響對光的吸收很大。它是一種與感光材料性質完全不一樣的物質，所以傳統的彩色擴印中照明裝置，成像物鏡已不能很好勝任數碼彩色擴印工作，必須依照晶體特性及液晶LCD象素排列固有特性設計一種適合它特性的光學裝置。例如使用傳統的照相裝置，由于液晶接受來自于阻光板的漫反射光線，照明光束的入射角過大，會造成層次下降，又由于傳統的彩色擴印系統雖然加了混色筒，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，達不到數碼彩擴系統對照射到液晶面照度均勻性要求。所以現有數碼彩擴中普遍應用灰板軟件，采用掃描圖象處理辦法，使物鏡成像面照度均勻。隨著掃描次數增加，層次會降低，是一種以犧牲層次作為代價的方法，畫面質量受影響。

3 數碼彩擴中的光學照明裝置

綜上所述，數碼彩擴中的光學照明系統應該解決以下三個問題。

(1)高的亮度以彌補液晶LCD對光的利用率低的特點，縮短三色曝光時間。

(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)照明系統的出射光束應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。

為了解決以上三個問題，整理了一套光學裝置，如圖2所示。

組件4是光學積分棒，接受來自輸入端聚光鏡2的光線，光線進入光學積分棒4后利用全反射原理，見圖3。

當光線由光密介質(折射率為n1)進入光疏介質(折射率為n0)，例如空氣(n0=1)時，由于空氣折射率低于玻璃折射率，在兩種介質的分界面上有可能產生全反射現象，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，而全部被反射，產生全反射。只要光學積分棒的入射與出射面與光學積分棒的垂直度及兩端面(輸入、輸出)平面度控制足夠好時，這種全反射現象完全可以實現多次。由于多次反射像的重疊，使輸出端的出射光線變得很均勻。光學積分棒的長度L和口徑D的關系如公式(1):

(1)

式中N為反射次數，L為光學積分棒長度，D為光學積分棒口徑，u’為入射光線的折射角。

為達到圖象顯示元件(LCD)表面照度均勻性不低于90%目的，N至少為5次，全反射次數越多，光線的均勻性越好。從公式(1)可知，全反射次數N與光學積分棒長度L和它的口徑D有關，N數增加，會使光學積分棒長度L增加，過長會使光線在光學積分棒內路徑過長，使光線被介質的吸收增加，亮度降低，而且過長的光學積分棒會造成棒的加工困難和整個照明裝置外型尺寸增加，以L/D之比在10～15為好。光學積分棒口徑D與顯示元件尺寸有關。tg u’角與入射角u有關，u越大全反射次數就多，但它又與入射端面之前的輸入端聚光鏡有關。

輸入端聚光鏡由多片透鏡組成，其作用是接受來自從光源發出光線和經橢球反光碗反射光線，并會聚于光學積分棒輸入端，可按照光源在橢球反光碗第二象點成像大小與光學積分棒輸入端截面尺寸設計輸入端聚光鏡的焦距。從軸上光線來分析它是對稱于光軸的，但軸外光線是相對于主光線為對稱的，按常規的方法，勢必造成軸外光線被擋，產生漸暈。所以輸入端聚光鏡應設計成象方遠心系統，不存在軸外光線的攔光現象。

輸出端聚光系統的作用是把光學積分棒的輸出端成像與LCD上，由于輸出端的面形是矩形，選擇合理的長寬比經成像后與LCD長寬比一致是非常容易的，而且是必須的，這樣對提高照明亮度有很大幫助。既然液晶LCD對接受小角度入射角對提高圖像層次有利，所以輸出端聚光鏡應該設計成象方遠心光路(遠心照明)。為實現上述聚光要求，所以輸出端聚光系統不可能是單片組成。

綜合數碼彩擴光學照明裝置的要求，可見它不是通常的臨界照明，而是遠心照明系統。一般的光學設計對聚光鏡注重于球差校正，這是無可非議的，而數碼彩擴光學照明裝置還要校正軸外象差，所以整個照明裝置結構相對于一般聚光系統較為復雜。對于成像物鏡，除了必須的象差校正外，必須與照明系統匹配，所以它一定是物方遠心物鏡。

4 結語

按照文中提到對數碼彩色擴印光學照明裝置要求，運用上述照明系統，照明均勻性在象面處全現場范圍內照明均勻性得到明顯提高，不需要進行灰板圖象處理，亮度高，縮短曝光時間，層次豐富，擴印效果更好。

參考文獻

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