概述

復(fù)眼透鏡陣列是照明系統(tǒng)中非常有用的光學(xué)元件，它可以用來生成均勻的輻照度分布。本文結(jié)合數(shù)字投影儀的設(shè)計(jì)案例， 介紹了復(fù)眼空間光積分器 (Fly`s eye spatial light integrator) 的設(shè)計(jì)方法。

介紹

在數(shù)字投影儀的設(shè)計(jì)過程中，如果我們想要顯示一張靜止或動(dòng)態(tài)的圖片，我們需要圖片可以被均勻的照明并呈現(xiàn)在屏幕上。為了實(shí)現(xiàn)均勻照明畫面，我們需要將空間光調(diào)制器，例如液晶顯示器被均勻的照明。通常情況下，光源的輻照度分布通常為高斯分布，因此無法直接均勻的照明空間光調(diào)制器。我們必須對(duì)輻照度分布進(jìn)行“去高斯化”，將非均勻的分布變?yōu)榫鶆蚍植肌Ｆ渲幸粋€(gè)方法是使用一組復(fù)眼透鏡陣列空間光積分器。在這篇文章中，我們將具體展示如何使用它實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

復(fù)眼透鏡陣列

復(fù)眼透鏡陣列是由多個(gè)獨(dú)立的光學(xué)元件組成的二維陣列，其中也可以將多個(gè)光學(xué)元件制成一個(gè)整體。它可以將照明平面上非均勻的輻照度分布轉(zhuǎn)換為均勻分布。在數(shù)字投影系統(tǒng)中，復(fù)眼透鏡經(jīng)常用于連接從燈泡及其拋物線型反光杯發(fā)出的半準(zhǔn)直入射光。在目前的應(yīng)用中，他們主要用于數(shù)字液晶投影儀的照明引擎中，為空間光調(diào)制器提供均勻輻照度分布的照明平面。

如上圖所示為復(fù)眼透鏡陣列，該圖片由In Vision公司提供。陣列中每個(gè)獨(dú)立的光學(xué)元件的輪廓可以是方形或矩形的，并且每個(gè)光學(xué)元件的外形可以為球面或非球面（例如X和Y方向光焦度不同的情況）。通常情況下，陣列中的光學(xué)元件只在一個(gè)表面上有光焦度，另一個(gè)表面通常為平面。

如果想要在OpticStudio中模擬該元件，最簡(jiǎn)單的方式是使用透鏡陣列1 (Lenslet Array 1) 物體（也可以使用透鏡陣列2 (Lenslet Array 2) 物體）。透鏡陣列1物體由矩形體陣列組成，每個(gè)單元的前表面為平面，后表面可由用戶自定義為曲面表面。陣列的表面可以為平面、球面、圓錐面或多項(xiàng)式表示的非球面，也可以為球面、圓錐面或多項(xiàng)式非球面系數(shù)表示的柱面。該物體類型的定義方式非常靈活，并且我們可以對(duì)陣列中每個(gè)元件的實(shí)際形狀進(jìn)行優(yōu)化。

上圖所示是使用一個(gè)透鏡陣列1物體生成的7x5矩形透鏡陣列，每個(gè)單元是球面透鏡的一部分矩形區(qū)域。我們也可以使用其他物體類型進(jìn)行建模，例如透鏡陣列2物體或六邊形透鏡陣列 (Hexagonal Lenslet Array) 物體。

在序列模式下可以使用用戶自定義表面功能對(duì)透鏡陣列進(jìn)行建模。OpticStudio提供了球面陣列、圓錐非球面陣列、偶次非球面陣列以及柱形透鏡陣列的示例。

如何實(shí)現(xiàn)均勻照明

復(fù)眼透鏡陣列通常成對(duì)出現(xiàn)，并與聚光鏡一起為照明平面提供均勻的輻照度分布。第一個(gè)復(fù)眼透鏡陣列通常稱為物鏡陣列，第二個(gè)沿光軸的復(fù)眼透鏡陣列稱為場(chǎng)鏡陣列。在本例中我們首先考慮物鏡陣列。物鏡陣列的功能與相機(jī)中的物鏡類似，它用來對(duì)物體進(jìn)行成像，或?qū)⒈纠械墓庠闯上裨谖镧R陣列的后焦面上，如下圖所示。在下圖中我們默認(rèn)光源發(fā)射平行光，經(jīng)過物鏡陣列會(huì)后匯聚在后焦面上。

如果使用平行光作為光源穿過物鏡陣列并在物鏡陣列的后焦面上放置聚光鏡，如上圖所示。我們將在照明平面處得到均勻的輻照度分布。但不幸的是，通常情況下我們很難得到平行光光源，即便是使用拋物線型反光杯的燈泡光源。由于燈泡發(fā)光的部分是一個(gè)體積而非一個(gè)點(diǎn)，因此燈泡及反光杯發(fā)出的光線存在一定的發(fā)散角。我們可以在物鏡陣列和聚光鏡前，分別設(shè)置輕微發(fā)散的（3.5°）光源以及向不同視場(chǎng)角發(fā)射光線的光源，來對(duì)比查看照明平面的輻照度分布變化。

對(duì)于發(fā)散的光源如上圖所示，平行入射的光線（藍(lán)色表示）經(jīng)過成像后在照明平面處重疊，并提供一個(gè)均勻的輻照度分布。發(fā)散光線（綠色表示）的成像位置與平行入射光的成像位置不同，因此發(fā)散光線照明的平面不與平行入射光的照明平面重疊。這種在不同的軸向位置的成像會(huì)導(dǎo)致照明平面上的不均勻性，其原因在于平行入射的光線都在照明平面處重疊，而發(fā)散光線照明的區(qū)域只有一部分與平行入射的光線重疊。

對(duì)于具有一定視場(chǎng)角的光源如上圖所示，兩個(gè)視場(chǎng)角最終在聚光鏡上的成像高度不同，因此聚光鏡在照明平面上的成像高度也不同。如果各視場(chǎng)方向上的光線在照明平面上不重疊，則我們將得到一個(gè)非均勻的輻照度分布。

在上述兩種情況中，我們可以通過添加第二塊復(fù)眼透鏡陣列（場(chǎng)鏡陣列）來提高照明平面的均勻性。該場(chǎng)鏡陣列位于物鏡陣列的像面位置。場(chǎng)鏡陣列的功能是將光源發(fā)出的不同視場(chǎng)角的光線在照明平面上重疊到一起。因此我們需要使發(fā)散光線和平行入射光線在照明平面上的輻照度分布的寬度一致。我們可以從下圖中看到，在上述兩種情況中引入場(chǎng)鏡陣列后，照明平面上的輻照度分布的均勻性得到了優(yōu)化。發(fā)散的光線經(jīng)過場(chǎng)鏡陣列和聚光鏡后在照明平面上重疊在一起。

制約參數(shù)

其中一項(xiàng)制約參數(shù)是我們需要確定在陣列的水平和豎直方向上需要分別設(shè)置多少個(gè)元件。設(shè)置的元件數(shù)量越多，照明平面的輻照度分布均勻性越好。然而兩個(gè)元件之間邊緣不會(huì)無限銳利，因此造成光線在邊緣處發(fā)生散射效應(yīng)。所以元件數(shù)量越多，邊緣處的散射效應(yīng)越強(qiáng)。

選擇偶數(shù)或奇數(shù)個(gè)元件也是其中一項(xiàng)制約參數(shù)。使用奇數(shù)個(gè)元件意味著中心元件總是位于中心處，并且其他元件的位置都是沿中心對(duì)稱的。這也是得到空間均一性的原因。偶數(shù)個(gè)元件將導(dǎo)致中心處的強(qiáng)度分布下降。

綜上所述，在數(shù)字投影儀的照明平面上，如果想得到均勻的輻照度分布大約需要7個(gè)元件（最多為11個(gè)）。由于這只是一般的估計(jì)，您需要對(duì)光源到照明平面進(jìn)行精確的建模，根據(jù)您具體的系統(tǒng)來決定實(shí)際需要的元件數(shù)量。

透鏡陣列的焦距決定了兩組陣列之間的間距。物鏡陣列中每個(gè)元件的孔徑和焦距決定了可以透過場(chǎng)鏡陣列的光線的視場(chǎng)角。元件的孔徑和焦距以及兩個(gè)透鏡陣列之間的間距決定了照明平面在水平以及豎直方向上的尺寸。其中一種理解場(chǎng)鏡陣列作用的方式是，場(chǎng)鏡陣列中每個(gè)元件將物鏡陣列以特定的放大率成像在照明平面上。

在LCD和LCOS數(shù)字投影儀的光學(xué)引擎中，光線入射到照明平面時(shí)必須為偏振光，因此系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)用到偏振轉(zhuǎn)換組件或PCS。通常情況下，廠商會(huì)將PCS陣列膠合在場(chǎng)鏡陣列的平面上，為PCS陣列提供一個(gè)通用的安裝位置及剛性支撐。

系統(tǒng)示例

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的用于數(shù)字投影儀系統(tǒng)中的復(fù)眼透鏡陣列照明系統(tǒng)。該示例文件位于Zemax根目錄下\Samples\Non-sequential\Miscellaneous\Digital_projector_flys_eye_homogenizer.zmx

其中光源是一個(gè)位于拋物鏡焦點(diǎn)處的發(fā)光橢球體。從下圖中可以看出，光源經(jīng)過拋物鏡后的輻照度分布非常不均勻：

需要注意的是，如果光源可以更細(xì)致的建模，那么即便是在簡(jiǎn)單的燈泡模型中也可以清晰的看到均勻性的程度。光線追跡經(jīng)過兩個(gè)透鏡陣列物體和聚光鏡后入射到與照明平面位置相同的探測(cè)器上。下圖顯示了透鏡陣列中不同元件數(shù)對(duì)照明平面輻照度分布均勻性的影響：

情況1：6x4透鏡陣列

情況2：7x5透鏡陣列

情況3：11x9透鏡陣列

可以看到11x9的透鏡陣列提供的輻照度分布均勻性最好。OpticStudio可以方便快捷的改變透鏡陣列的數(shù)量、曲率半徑以及非球面系數(shù)等。因此我們也可以對(duì)優(yōu)化操作數(shù)NSDD的-4數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化以得到更好的均勻性。更多信息請(qǐng)查看OpticStudio的用戶手冊(cè)。 如果我們將探測(cè)器查看器 (Detector Viewer) 的數(shù)據(jù)以輻亮度 (Radiant Intensity) 進(jìn)行顯示（角度空間），我們可以清楚的看到光線從透鏡陣列出射后的角度分布：

小結(jié)

復(fù)眼透鏡通常用于提高光源在照明平面的均勻性。所使用到的兩個(gè)透鏡陣列分別稱為物鏡陣列和場(chǎng)鏡陣列，它們和聚光鏡一起組成均勻照明系統(tǒng)。物鏡陣列將光源成像在場(chǎng)鏡陣列處。場(chǎng)鏡陣列和聚光鏡一起將所有視場(chǎng)角的光線重疊在照明平面處，并得到均勻的輻照度分布。通常情況下，復(fù)眼透鏡陣列在每個(gè)方向上有七個(gè)元件。每個(gè)元件都將非均勻的光源成像在照明平面上，所有元件對(duì)光源所成的像在照明平面處重疊以得到均勻的輻照度分布。