便攜式放大視讀屏的設(shè)計(jì)

1均勻柔光照明實(shí)現(xiàn)了隨身攜帶帶照明在照明技術(shù)相對(duì)不足的夜間和黑暗室中閱讀和讀報(bào)的常用照明方法是使用照明設(shè)備的輔助照明源，如照明設(shè)備的路燈、照明設(shè)備的銀光燈和其他人工照明源。但該類常規(guī)的人造照明光源一般體積較大、需要220V的交流電源支持、有頻閃效應(yīng)、會(huì)影響他人且不易于隨身攜帶,這就給外出的或不想影響他人的使用者帶來(lái)照明困難。為了解決該難題,我們采用白光LED與梯形波導(dǎo)板相組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻柔光照明,使用低壓的直流電源供電,其輸出光無(wú)紫外成分和頻閃效應(yīng),結(jié)構(gòu)緊湊,便于隨身攜帶。并且由于該屏是局域照明,因此照明效率很高,對(duì)他人的影響很小。此外,一般的常規(guī)照明光源只能照亮物體,不能將被照明物體進(jìn)行圖像放大。而一些老年人視力不佳,尤其看不清較小的字跡和圖形,他們需要一種附屬的圖像放大功能,為了實(shí)現(xiàn)這種功能,我們選用菲涅耳透鏡,并根據(jù)使用需求設(shè)計(jì)出菲涅耳透鏡的相關(guān)參數(shù),與照明部分相結(jié)合,最終設(shè)計(jì)出了下述的同時(shí)具有均勻柔光照明和圖像放大雙重功能的柔光視讀屏。2結(jié)構(gòu)和原則2.1有機(jī)玻璃板導(dǎo)光部分該便攜式視讀屏由三個(gè)主要部分構(gòu)成:LED陣列照明光源、梯形有機(jī)玻璃導(dǎo)光板和菲涅耳放大透鏡,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。A.LED陣列光源部分:多個(gè)具有一定發(fā)散角度的LED,等間隔放置,并與開關(guān)和電源相連構(gòu)成照明光源部分。驅(qū)動(dòng)電源可采用便攜的直流電源,也可以采用加變壓器的交流電源,該設(shè)計(jì)使其可以固定、便攜兩用。B.梯形有機(jī)玻璃板導(dǎo)光部分:波導(dǎo)板由純凈度較高的聚合物有機(jī)玻璃材料制成,它有著良好的導(dǎo)光能力,且具有重量輕、不易損壞和易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。其前端面①和后端面②為相同的等腰梯形表面,進(jìn)行拋光處理,并覆蓋一層增反膜;左端面③是照明光束的輸入端面,其上挖有一些等間距的小孔④,用于放置前述的照明LED陣列;右端面⑤為矩形面,涂上增反膜,使照明光反射回波導(dǎo)板中,避免了泄漏和提高了照明效率;上表面⑥和下表面⑦是工作時(shí)照明光的輸出表面,其中上表面為平整光滑表面,使用者的眼睛在使用時(shí)處于該面的上方;下表面與下述的菲涅耳透鏡模壓在一起,被照明的物體處于該表面的下方。C.圖像放大部分:是模壓在波導(dǎo)板下表面⑦上的菲涅耳透鏡薄片。它由聚合物有機(jī)玻璃材料制成,可以使處于其下方一倍焦距以內(nèi)的物體成一個(gè)正立放大的虛像,且可以通過(guò)調(diào)節(jié)菲涅耳透鏡與物體之間的距離來(lái)改變圖像放大倍數(shù)和放大效果。菲涅耳透鏡的正面為同心圓環(huán)結(jié)構(gòu),橫截面為對(duì)稱的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。2.2均勻柔光照明技術(shù)A.受抑全內(nèi)反射(FTIR)柔光照明原理(如圖2所示)波導(dǎo)板的折射率為n=1.49,其上下表面之間的夾角為2β,全反射臨界角為L(zhǎng)ED光源發(fā)出的光束以角度α從波導(dǎo)板的左側(cè)端面進(jìn)入波導(dǎo)板中,照射到上表面上,假設(shè)此時(shí)的入射角α1大于全反射臨界角,即:,滿足全內(nèi)反射條件,于是該照明光線不會(huì)逸出波導(dǎo)板上表面,而是全反射到下表面,但此時(shí)的入射角α2小于初始的入射角α1,即:α2=α1-2β=90°-α-3β,假設(shè)此時(shí)在下表面上該光束仍滿足全內(nèi)反射條件:于是該光束不從波導(dǎo)板下表面逸出,又全反射至上表面。此時(shí)的入射角α3=α2-2β=α1-4β=90°-α-5β。由此我們可以看出入射角是在不斷變小,即每全反射一次,入射角將比前一次的入射角減小2β。因此隨著該光束在上下表面之間的多次全反射,總有某次將不滿足全內(nèi)反射條件光束將在該點(diǎn)發(fā)生折射,從而有部分光會(huì)逸出波導(dǎo)板,這個(gè)過(guò)程就是受抑全內(nèi)反射過(guò)程。由公式(1)可知全反射的次數(shù)m與光束進(jìn)入波導(dǎo)板時(shí)的角度α和波導(dǎo)板上下表面之間的夾角2β有關(guān),而全反射的次數(shù)m又決定著該光束在波導(dǎo)板中的傳播距離。因此在波導(dǎo)板確定后,角度2β恒定,LED邊緣附近的光束(α較大)在波導(dǎo)板中全反射的次數(shù)少,傳播的距離較近,會(huì)在離LED陣列較近的地方泄露出波導(dǎo)板;而LED中心附近的光束(α較小)在波導(dǎo)板中全反射的次數(shù)多,傳播的距離較遠(yuǎn),會(huì)從離LED陣列較遠(yuǎn)的地方離開波導(dǎo)板,如圖3所示。而在LED的發(fā)散角度確定后,α恒定。因此波導(dǎo)板越傾斜(β較大),全反射的次數(shù)就越少,傳播的距離也越近;反之亦然。如圖4所示。因此合理選擇α和β將會(huì)使LED陣列發(fā)出的照明光均勻柔和的從波導(dǎo)板上下表面逸出,從而實(shí)現(xiàn)小端面輸入、大端面輸出的均勻柔光照明。當(dāng)在波導(dǎo)板的下表面模壓菲涅耳透鏡后,相當(dāng)于在波導(dǎo)板的底面上附著一層鋸齒圓環(huán)結(jié)構(gòu),它們的存在,提高了有機(jī)波導(dǎo)板下表面泄漏光的本領(lǐng),使得照明的效率更高,更利于實(shí)現(xiàn)柔光照明。綜合考慮以上因素,制作了一塊由8個(gè)LED照明的120mm×80mm×4mm的視讀屏。并用ZEMAX光線追跡軟件進(jìn)行理論模擬,得到了如圖5所示的均勻柔光照明圖,并由理論分析與理論模擬相結(jié)合得出了最佳的參數(shù)范圍:LED發(fā)散角2α:60°～80°,波導(dǎo)板上下表面之間的夾角2β:1°～5°。圖5為ZEMAX軟件模擬的視讀屏下表面(底面)的出光效果圖,模擬時(shí)取LED的入射光線為10000條。這些光線從波導(dǎo)板的左側(cè)面進(jìn)入波導(dǎo)板中,經(jīng)過(guò)多次全內(nèi)反射,最終破壞全內(nèi)反射從波導(dǎo)板的下表面射出,射出光線的位置就如圖5中的亮點(diǎn)所示,它們的灰度就代表著出射光的強(qiáng)度。圖中下方的八個(gè)扇形的亮斑為八個(gè)LED的擺放位置,由于它們離LED很近,所以亮度較高。由圖可見(jiàn),在視讀屏上除去LED所在位置的其它區(qū)域,照明光的均勻性相當(dāng)好。這從數(shù)值模擬上證明了本視讀屏的切實(shí)可行性。B.菲涅耳透鏡放大圖像原理我們知道,當(dāng)一個(gè)物體(書本、報(bào)紙等)放置于光學(xué)透鏡的一倍焦距以內(nèi)時(shí),從透鏡的另一側(cè)觀察,將會(huì)看到一個(gè)放大的物體虛像。且放大效果可以通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡與物體之間的距離來(lái)改變。一般的球面光學(xué)透鏡體積和重量較大,不易于隨身攜帶。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們采用菲涅耳透鏡來(lái)代替普通球面透鏡:球面透鏡起放大作用的是其球面部分,我們把球面透鏡上的這些有用的部分分割成許多小面元并截取下來(lái),然后將這些小面元放在一塊平面上,形成菲涅耳透鏡。經(jīng)截取后形成的菲涅耳透鏡為多重同心圓環(huán)結(jié)構(gòu),截面為對(duì)稱的鋸齒狀結(jié)構(gòu),并且其物理本質(zhì)與球面光學(xué)透鏡相同。當(dāng)處于菲涅耳透鏡的一倍焦距以內(nèi)的物體被波導(dǎo)板照明后,將會(huì)形成一個(gè)正立放大的虛像,其橫向放大率:(其中f為菲涅耳透鏡的焦距,u為物距,即物體離開菲涅耳透鏡的距離)。所以,我們可以根據(jù)使用的要求來(lái)選擇合適的放大倍數(shù)和放大效果。假設(shè)在使用時(shí)要求視讀屏在離開書本50mm的位置要將書本放大1.5倍,則f=3u=150mm。如要求離開書本40mm時(shí)放大1.5倍,則f=3u=120mm。C.菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)原理當(dāng)菲涅耳透鏡的螺紋間距比較小、螺紋個(gè)數(shù)比較多時(shí),其每圈螺紋所對(duì)應(yīng)的鋸齒的邊就越直,所以可用直邊來(lái)代替圓弧邊,用直邊的傾角來(lái)代替弧邊的傾角。假設(shè)透鏡的曲率半徑為R,口徑為2a,共模壓n個(gè)同心圓環(huán),即模壓2n個(gè)鋸齒,左右兩側(cè)相互對(duì)稱,各有n個(gè)鋸齒。中間的第一個(gè)鋸齒的深度為h1、傾角為α1,左右對(duì)稱的第i個(gè)鋸齒的深度和傾角分別為hi和αi,左右兩側(cè)的最后一個(gè)鋸齒(第n個(gè)鋸齒)的深度和傾角分別是hn和αn,如圖6所示。推導(dǎo)可知:根據(jù)使用的要求先確定出透鏡的焦距f、曲率半徑R和口徑2α,然后計(jì)算出菲涅耳透鏡每圈圓環(huán)的深度和傾角,就可以精確制作出滿足要求的菲涅耳透鏡。在圖7中,我們根據(jù)本視讀屏的一般使用要求(離開書本50mm時(shí)放大1.5倍),設(shè)計(jì)了一塊菲涅耳透鏡,它的折射率為1.49,口徑為120mm,焦距為150mm,曲率半徑為73.5mm。由圖7可知,在這種使用條件下,菲涅耳透鏡中心的第1圈圓環(huán)(i=1):h1≈0,α1≈0;此后隨著i的不斷增大,hi和αi也不斷增大,并且增大的趨勢(shì)越來(lái)越快;在菲涅耳透鏡的最外一圈圓環(huán)(i=n=200)的hi和αi最大,分別為hn=0.42mm,αn=54°。3實(shí)驗(yàn)與分析3.1明、下表面無(wú)菲涅耳光柵照明和放為了驗(yàn)證上述的視讀屏柔光照明和圖像放大原理,制作了一塊120mm×80mm×4mm的視讀屏,在暗室中分別做了柔光照明和圖像放大實(shí)驗(yàn):圖8(a)是波導(dǎo)板左側(cè)面有LED照明、下表面無(wú)菲涅耳透鏡時(shí)的照明效果圖。白光LED陣列發(fā)出的光束從波導(dǎo)板的左側(cè)面進(jìn)入波導(dǎo)板中,經(jīng)過(guò)多次全內(nèi)反射,最終破壞全內(nèi)反射從波導(dǎo)板的下表面射出并照亮物體,照明效果均勻一致。由該圖可知,利用梯形波導(dǎo)板的受抑全內(nèi)反射原理,可以很好地實(shí)現(xiàn)小端面輸入、大端面輸出的均勻柔光照明功能。圖8(b)是波導(dǎo)板左側(cè)面有LED照明、下表面有菲涅耳透鏡時(shí)的照明和放大效果圖。從波導(dǎo)板下表面出射的光線均勻照亮處于菲涅耳透鏡的一倍焦距以內(nèi)的物體,使物體成放大虛像,放大效果均勻一致。由該圖可知,本視讀屏可以很好地實(shí)現(xiàn)柔光照明和圖像放大雙重功能。3.2光柵的光催化作用為了比較本視讀屏出射光譜和普遍使用的白熾燈光譜的差別,實(shí)驗(yàn)中采用光譜儀器測(cè)量了白熾燈和視讀屏的光譜,如圖9所示。其中(a)圖為視讀屏出射光譜圖,(b)圖為普通白熾燈與視讀屏出射光譜比較圖。圖9(a)中虛線表示白光LED的光譜曲線,實(shí)線表示視讀屏工作時(shí)的光譜曲線。由虛線可知,采用新型白光LED光源,其主要光強(qiáng)集中在410～740nm之間的可見(jiàn)光波段,無(wú)紫外光成分,無(wú)頻閃效應(yīng),不會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生傷害。而由實(shí)線可知,LED光源發(fā)出的光經(jīng)波導(dǎo)板濾波作用后,波長(zhǎng)在400～500nm之間的青紫光有較大的吸收,主要光強(qiáng)處于520～620nm之間,這與太陽(yáng)光的主要光強(qiáng)分布區(qū)間相一致,表明本視讀屏能有效地模擬自然光照,便于保護(hù)眼睛視力。圖9(b)中虛線表示普通白熾燈的光譜曲線,實(shí)線表示本視讀屏的光譜曲線。由虛線可知,普通白熾燈的光譜區(qū)間較寬,除了在可見(jiàn)光波段400～760nm之間有能量分布,在紅外波段760～1000nm之間也有相當(dāng)大的能量分布,而這種非可見(jiàn)光波對(duì)照明無(wú)益,而且這些紅外光會(huì)使人有灼熱感。因而采用普通白熾燈即不利于節(jié)能,也不利于眼睛健康。而由實(shí)線可知,本視讀屏的輸出光束把能量高效的限制在可見(jiàn)光波段,所以本視