簡(jiǎn)介

在數(shù)字投影儀設(shè)計(jì)中，我們希望確保數(shù)字光源與投影圖像在輻照度分布相匹配。因此，這一約束要求投影儀設(shè)計(jì)包含均勻照明的空間光調(diào)制器——通常以LCD面板的形式呈現(xiàn)。理論上聽起來很容易，但實(shí)際上，此面板上的光源光束通常是高斯分布的（即不均勻的）。因此，需要一種裝置來“去高斯化”，或在空間上將不均勻的光束分布轉(zhuǎn)換成均勻的光束分布。具有這種能力的設(shè)備之一就是一對(duì)蠅眼光積分器陣列。在本文中，我們將研究這些設(shè)備及其最佳設(shè)置。

什么是蠅眼陣列？

蠅眼陣列是由許多單個(gè)光學(xué)元件組裝成單獨(dú)的二維陣列光學(xué)元件，它用于將像面上非均勻的空間光線分布轉(zhuǎn)換為均勻的輻照度分布。使用蠅眼陣列的數(shù)字投影系統(tǒng)通常與含有能夠提供半準(zhǔn)直入射光的拋物面反射器的大燈組件一起使用。目前，它們主要應(yīng)用于LCD數(shù)字投影機(jī)燈光引擎中，對(duì)空間光調(diào)制器照明平面進(jìn)行均勻照明。

陣列中的每個(gè)光學(xué)元件可以是正方形或長(zhǎng)方形的，每個(gè)光學(xué)元件的表面可以是球面或是有一定變形的（在垂直和水平方向上的光焦度不同）。光焦度通常只在陣列的一個(gè)表面上，第二個(gè)表面通常是平面的。

在OpticStudio中建模這種設(shè)置的最簡(jiǎn)單方法之一是使用陣列物體(array object)。提供的示例，選擇了透鏡陣列1(Lenslet Array 1)物體，它由矩形體陣列組成，每個(gè)矩形體的前表面為平面，后表面為用戶自定義數(shù)目的重復(fù)曲面。后表面可以是平面、球面、圓錐面、多項(xiàng)式非球面或環(huán)形表面。這使得陣列中透鏡元件表面形狀的定義和優(yōu)化具有了極大的靈活性。下圖顯示了透鏡陣列1物體，它是由7 x 5個(gè)矩形透鏡組成的透鏡陣列，每個(gè)矩形透鏡都可以看作一個(gè)球面透鏡的矩形區(qū)域。

其它可以用于該應(yīng)用程序的物體包括透鏡陣列2物體和六邊形透鏡陣列(Hexagonal Lenslet Array)物體。您可以通過點(diǎn)擊：設(shè)置(Setup)選項(xiàng)卡>編輯器組(Editors Group)(設(shè)置選項(xiàng)卡)>非序列元件編輯器(Non-Sequential Component Editor)>非序列幾何物體(Non-Sequential Geometry Objects)打開幫助文檔，了解更多關(guān)于這些陣列及其規(guī)格的信息。

通過用戶自定義表面(User-Defined Surface)功能，在序列模式下進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)也支持透鏡陣列的使用。

蠅眼陣列如何工作？

蠅眼陣列通常是成對(duì)使用的，與聚光鏡一起在照明平面上提供均勻的輻照度。第一個(gè)蠅眼陣列常稱為“物方陣列”，沿光軸方向的第二個(gè)蠅眼陣列稱為“視場(chǎng)陣列”。現(xiàn)在我們只考慮物方陣列，物方陣列就像照相機(jī)上的物鏡，在物鏡的焦平面上形成物體（或本例中光源）的像，如下圖所示。在本例中，我們將在物方陣列的焦平面上形成準(zhǔn)直光源的像。

如果我們有準(zhǔn)直光源，就很容易產(chǎn)生均勻的輻照度。如上圖所示，如果將物方陣列與準(zhǔn)直光一起使用，我們將聚光鏡放置在物方陣列的焦平面上，我們將在照明平面上獲得均勻的輻照度，這可以在上圖的探測(cè)器查看器(Detector Viewer)中看到。不幸的是，我們沒能獲得點(diǎn)光源，這使得獲得準(zhǔn)直光很困難。

由于光源有一定的體積，并不是一個(gè)點(diǎn)，使得帶有拋物面反射器的大燈組件發(fā)出的光，就像通常在數(shù)字投影儀中看到的那樣，具有一些發(fā)散度或角度。在下面的截圖中，我們可以看到使用物方陣列和聚光鏡發(fā)出較小發(fā)散角（約3.75度）的光源和具有多個(gè)視場(chǎng)角的光源的模擬結(jié)果。

名義上，軸向光線成像重疊在照明平面能夠提供均勻照明。實(shí)際上，發(fā)散的光線（如上圖中的綠色光線所示）被成像到不同的位置，因此在照明平面上不會(huì)與準(zhǔn)直光線重疊。這導(dǎo)致了照明平面上的非均勻性，因?yàn)楫?dāng)軸向光線的全部光束重疊時(shí)，只有一半的發(fā)散光線照亮了與軸向光線相同的平面位置。

在上面的第二個(gè)系統(tǒng)中，兩個(gè)視場(chǎng)角在聚光鏡上得到不同的物高，因此可以通過聚光鏡將不同的物高成像在照明平面上。如果所有視場(chǎng)的像沒能重疊在照明平面上，將會(huì)獲得不均勻的照明圖案，如探測(cè)器查看器中所顯示的。

在這兩種情況下，我們都可以通過添加視場(chǎng)陣列來改善照明均勻性。如上所述，視場(chǎng)陣列是位于物方陣列的像平面上的第二個(gè)蠅眼陣列。視場(chǎng)陣列的作用是使來自光源的不同視場(chǎng)都能在照明平面上獲得重疊的像。為了在同一平面上均勻照明，我們需要使同時(shí)被軸向光線和發(fā)散光線照射的最終像平面的全寬完全相同。

我們可以看到視場(chǎng)陣列的添加對(duì)于下圖中列出的兩種情況有什么作用，即使只是進(jìn)行了最小程度的優(yōu)化：在這兩種情況下，視場(chǎng)陣列與物方陣列和聚光鏡共同作用，以確保發(fā)散光線和軸上光線在照明平面上重疊。

蠅眼陣列設(shè)計(jì)權(quán)衡

在設(shè)置設(shè)計(jì)時(shí)，用戶需要決定陣列的垂直和水平方向上通道的數(shù)量。通道數(shù)目越大，照明平面上的照明越均勻。然而，子透鏡之間的邊緣并不是無限銳利的，因此光線會(huì)被這些邊緣散射出光束。子透鏡越多，這種散射就越嚴(yán)重。

通道數(shù)目的奇偶性是另一種選擇。使用奇數(shù)通道意味著中心通道總是在中心上，兩邊的通道被光學(xué)折疊到中心通道上。這就是空間均勻性的來源。偶數(shù)數(shù)量子透鏡也會(huì)導(dǎo)致中心強(qiáng)度下降。

作為概括，大約七個(gè)通道是實(shí)現(xiàn)數(shù)字投影儀照明平面的均勻輻照度所需的最小數(shù)量。類似地，11是最大值，但這些都不是嚴(yán)格的界限。因此，請(qǐng)確定照明系統(tǒng)從光源到照明平面的模型，以確定您的蠅眼陣列需要多少通道。

子透鏡的焦距決定了兩個(gè)陣列之間的間距。每個(gè)通道的孔徑和物方陣列的焦距決定了視場(chǎng)陣列可以傳輸?shù)囊晥?chǎng)大小。兩個(gè)陣列的通道孔徑、焦距和間距決定照明平面水平和垂直方向的大小。考慮視場(chǎng)陣列的一種方法是，單個(gè)子透鏡的工作是將通道的物方陣列的孔徑以一定的放大率成像到照明平面。

在LCD和LCoS數(shù)字投影儀的燈光引擎中，光源在到達(dá)照明平面之前必須被極化，因此常常使用偏振轉(zhuǎn)換組件(PCS)來進(jìn)行極化。PCS陣列通常與視場(chǎng)陣列的平面?zhèn)日辰樱瑸镻CS陣列的菱形提供公共支座和剛性支撐。

示例

下面是在數(shù)字投影儀中使用蠅眼照明系統(tǒng)的簡(jiǎn)單示例。這個(gè)示例文件可以在 {Zemax}SamplesNon-SequentialMiscellaneousDigital_projector_flys_eye_homogenizer.zmx 中找到。

光源是一個(gè)橢球體，以拋物面反射鏡的焦點(diǎn)為中心。拋物面反射鏡的輸出結(jié)果非常不均勻：

請(qǐng)注意，如果可以對(duì)燈進(jìn)行更詳細(xì)的建模，即使使用簡(jiǎn)單的lamp模型，也可以清楚地看到問題的嚴(yán)重程度。通過兩個(gè)透鏡陣列(Lenslet Array)物體和聚光鏡進(jìn)行光線追跡，然后在位于數(shù)字投影儀中空間光調(diào)制器位置的探測(cè)器物體上進(jìn)行分析。以下是陣列透鏡數(shù)量不同時(shí)所產(chǎn)生的結(jié)果（在所有情況下兩個(gè)陣列之間子透鏡數(shù)量相同）：

案例1：6x4 的透鏡陣列

案例2：7x5 的透鏡陣列

案例3：11X9 的透鏡陣列

易于看出11x9案例的均勻性最好。OpticStudio可以方便地改變透鏡的數(shù)量、曲率半徑、非球面系數(shù)等。也可以使用NSDD優(yōu)化操作數(shù)中的pixel = -4數(shù)據(jù)項(xiàng)來優(yōu)化均勻性。詳情請(qǐng)參閱OpticStudio幫助文件(Help Files)。

如果我們?cè)O(shè)置探測(cè)器查看器顯示發(fā)光強(qiáng)度（即功率作為角度的函數(shù)），也可以看到陣列對(duì)光的角譜的影響：

AnsysZemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 產(chǎn)品概述

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審核編輯：劉清