1. 彩色扩印中的照明系统存在问题。
彩色扩印已存在多年，由于数码照相机的诞生，促进了彩色扩印技术的发展。目前国内比较多的是使用液晶LCD作为显示元件的数码彩扩系统（以下简称数码彩扩），俗称电子片夹。与传统彩色扩印相比，在照明系统中没有本质上的变化，基本还是延用旧的照明方式，如图1所示。
 
图1 彩色扩印照明系统
图1中，光源1发出的光线，经过置于它后面的反光碗6（球面或抛物面）进入混色筒2，照明阻光板3产生的漫反射光照亮底片4，通过物镜5使底片4的图象成像于感光材料相纸上，经过冲印后获得放大的照片。阻光板3是一块不完全透明的乳白色有机玻璃，目的是使像面照度得以均匀。
数码彩扩与之区别在于底片换成能接受视频信号的显示元件LCD。使用含有三基色的LED发光二极管代替原照明光源，用灰板软件代替阻光板，这样可以使像面照度均匀。其实，无论那种方式，都未能从根本上找出由于照明不均匀而带来像面照度不均匀的原因。
在图1照明系统中，假设从光源发出的光束在各方向是均匀的，置于它后面的反光碗反射的光线，可减少光源发出的光线损失。实际上照明用光源发出光束不可能在各方向是均匀的，不同的光源有不同的配光曲线。使用LED发光二极管作为光源，在一定大小面积内排列一定数量的LED发光二极管，可以人为地使中心排列密度降低，边缘密度提高。但单个LED发光二极管发出光束在各方向不可能是均匀的。所以光源影响也是造成像面不均匀的原因之一。另外，还有物镜与聚光系统的匹配、物镜本身有一定视场角，均会造成像面照度不均匀。
像面照度不均匀对传统彩扩有一定影响，所以使用混色筒和阻光板予以弥补。由于传统照相机有一定景深，所以像面照度不均匀在一定范围内时，扩印照片结果不显著，人们也早已认可这种结果，而数码照相机由于物镜焦距短，景深大，所以照明系统造成像面照度不均匀影响大，数码彩扩像面照度均匀性是一个急需解决的问题。
2. 数码彩扩的特点。
数码彩扩的图象显示元件是液晶LCD、LCOS，它是一种在一定外加电压作用下呈现晶体性质的物质，不同于一般的感光材料，而且只接受一个振动方向的偏振光。由于受LCD象素排列的影响对光的吸收很大。它是一种与感光材料性质完全不一样的物质，所以传统的彩色扩印中照明装置，成像物镜已不能很好胜任数码彩色扩印工作，必须依照晶体特性及液晶LCD象素排列固有特性设计一种适合它特性的光学装置。例如使用传统的照相装置，由于液晶接受来自于阻光板的漫反射光线，照明光束的入射角过大，会造成层次下降，又由于传统的彩色扩印系统虽然加了混色筒，但由于加工精度低，外型尺寸大，出射光束的均匀性只能是一般，达不到数码彩扩系统对照射到液晶面照度均匀性要求。所以现有数码彩扩中普遍应用灰板软件，采用扫描图象处理办法，使物镜成像面照度均匀。随着扫描次数增加，层次会降低，是一种以牺牲层次作为代价的方法，画面质量受影响。
3. 数码彩扩中的光学照明装置。
综上所述，数码彩扩中的光学照明系统应该解决以下三个问题。
1．高的亮度以弥补液晶LCD对光的利用率低的特点，缩短三色曝光时间。
2．提高液晶LCD处的照明均匀性，与成像物镜匹配，使像面获得均匀照明，不使用灰板图象处理软件，以提高图片的层次。
3．照明系统的出射光束应该有小的入射角与液晶LCD接受光束相匹配，保证层次不丢失。
 
图2 数码彩扩照明系统
为了解决以上三个问题，整理了一套光学装置，如图2所示。
组件4是光学积分棒，接受来自输入端聚光镜2的光线，光线进入光学积分棒4后利用全反射原理，见图3。
 图3 光学积分棒
当光线由光密介质（折射率为n1）进入光疏介质（折射率为n0），例如空气（n0=1）时，由于空气折射率低于玻璃折射率，在两种介质的分界面上有可能产生全反射现象，只要能接受以入射角为u’入射光线，就有可能光线不再由玻璃射入空气，而全部被反射，产生全反射。只要光学积分棒的入射与出射面与光学积分棒的垂直度及两端面（输入、输出）平面度控制足够好时，这种全反射现象完全可以实现多次。由于多次反射像的重叠，使输出端的出射光线变得很均匀。光学积分棒的长度L和口径D的关系如公式3-1：
   3-1
式中N为反射次数，L为光学积分棒长度，D为光学积分棒口径，u’为入射光线的折射角。
为达到图象显示元件（LCD）表面照度均匀性不低于90%目的，N至少为5次，全反射次数越多，光线的均匀性越好。从公式3-1可知，全反射次数N与光学积分棒长度L和它的口径D有关，N数增加，会使光学积分棒长度L增加，过长会使光线在光学积分棒内路径过长，使光线被介质的吸收增加，亮度降低，而且过长的光学积分棒会造成棒的加工困难和整个照明装置外型尺寸增加，以L/D之比在10～15为好。光学积分棒口径D与显示元件尺寸有关。tg u’角与入射角u有关，u越大全反射次数就多，但它又与入射端面之前的输入端聚光镜有关。
输入端聚光镜由多片透镜组成，其作用是接受来自从光源发出光线和经椭球反光碗反射光线，并会聚于光学积分棒输入端，可按照光源在椭球反光碗第二象点成像大小与光学积分棒输入端截面尺寸设计输入端聚光镜的焦距。从轴上光线来分析它是对称于光轴的，但轴外光线是相对于主光线为对称的，按常规的方法，势必造成轴外光线被挡，产生渐晕。所以输入端聚光镜应设计成象方远心系统，不存在轴外光线的拦光现象。
输出端聚光系统的作用是把光学积分棒的输出端成像与LCD上，由于输出端的面形是矩形，选择合理的长宽比经成像后与LCD长宽比一致是非常容易的，而且是必须的，这样对提高照明亮度有很大帮助。既然液晶LCD对接受小角度入射角对提高图像层次有利，所以输出端聚光镜应该设计成象方远心光路（远心照明）。为实现上述聚光要求，所以输出端聚光系统不可能是单片组成。
综合数码彩扩光学照明装置的要求，可见它不是通常的临界照明，而是远心照明系统。一般的光学设计对聚光镜注重于球差校正，这是无可非议的，而数码彩扩光学照明装置还要校正轴外象差，所以整个照明装置结构相对于一般聚光系统较为复杂。对于成像物镜，除了必须的象差校正外，必须与照明系统匹配，所以它一定是物方远心物镜。
4. 结束语。
按照文中提到对数码彩色扩印光学照明装置要求，运用上述照明系统，照明均匀性在象面处全现场范围内照明均匀性得到明显提高，不需要进行灰板图象处理，亮度高，缩短曝光时间，层次丰富，扩印效果更好。

参考文献：
1．张以漠 编著. 应用光学（修订本）. 北京机械工业出版社. 1988年
2．张登臣, 郁道银 编著. 实用光学设计方法与现代光学系统. 机械工业出版社.   1992年
3．袁旭沧 著. 光学设计. 北京科学出版社. 1983年
4．王之江 著. 实用光学技术手册. 北京机械工业出版社. 2007年