Zemax中用复眼阵列设计光学数字投影仪地均匀照明.docx

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Zemax中用复眼阵列设计光学数字投影仪地均匀照明

复眼阵列用于光学数字投影仪的均匀照明

导言

在数字投影仪的设计中，当我们要显示数字光源均匀辐射的一张照片或者一段视频的时候，我们希望投射在屏幕上相应的图片也是均匀辐射的。

为了达到投影图像照度的均匀性，我们需要有一个空间光调制器，比如均匀照明的LCD板。

由于从灯光装配处发出的光源的发光剖面是一个典型的高斯类型的发光剖面，所以空间光调制器平面不能由光源直接得到。

我们必须设法使发光剖面“消高斯型”，或者在空间域把它从不均匀转化为均匀的发光剖面，这可以通过一对复眼阵列排列的空间光线调制器来实现，现在我们就通过本文介绍，来看一下这些设置是怎样工作的。

什么是复眼阵列？

复眼阵列就是一个用各独立光学元器件的二维阵列组合成一个单独的光学元件，它用来完成光线在照明板上由不均匀分布到均匀分布的空间转换。

在使用复眼阵列的数字投影仪上，它们几乎总是和具有可提供半准直光的抛物面镜的灯具装配一起应用。

就目前来看，在照明领域，它们主要应用在LCD数字投影仪灯光引擎上，用来把空间均匀光传递到空间光调制器光照面上。

复眼阵列从上图中可以看出来。

这幅图是由InVision友情提供的，详情请查看网址www.in-vision.at。

阵列中每一个独立的光学元件的形状可以是长方形或矩形的，而它们的表面形状可能是球形或有一定的变形（垂直和水平方向上具有不同的光强），通常光焦度只分布在阵列的一面，另一面往往是平的。

根据在ZEMAX软件中模拟这些元件，或许最简单的方法就是使用物体类型LensletArray1，它包含一排矩形物体，每一个矩形物体都有一个扁平的前表面和一个用户自定义数量的重复性弯曲表面。

阵列表面可以是平面，球面，圆锥面或多项式非球面；或者说一个球形的、圆锥形的或多项式非球面形的复曲面。

这样，在定义、优化阵列中透镜元件的精确表面时就有了很好的灵活性。

上图为我们展示的是一个单独的LensletArray1物体，它由矩形透镜7x5阵列组成，每一个矩形透镜其实是球形透镜的矩形区域。

在这些应用上还有其他物体类型如：

LensletArray2类型和HexagonalLensletArray类型。

请注意，通过使用Tools->ReplicateObject，每个物体都可以被复制，并很容易的放在阵列里。

通过用户自定义表面性能，在序列光学设计中透镜阵列也是被支持的。

我们提供了关于球面、圆锥非球面、均匀非球面和柱面透镜阵列的很多例子。

它们是如何工作的？

复眼阵列通常成对出现，并和在光照面上提供均匀光的聚焦镜一起来用。

第一个复眼阵列常被称作物方阵列，沿光轴第二个阵列则被称作视场阵列。

现在我们只考虑物方阵列，它的作用跟照相机中的物镜一样，在物镜焦平面对一个物体或像我们的情况一样对一个光源成像，如下图所示。

在我们的情况中，我们会对准直光的光源在物方阵列的焦平面上成像。

如果一个物方阵列用在准直光束中，如上图所示，我们在物方阵列的焦平面上放置一个会聚透镜，就可以在光照面得到均匀光照明，如图5所示。

但不幸的是，我们并不能得到理想点光源发出的光线，所以很难从带有抛物面镜的灯具装配中得到准直光束。

由于灯的发光部分是一个体光源，而不是点光源，所以从带有抛物面镜的灯具装配中发出的光线有一定的发散角。

从下面两个图中我们可以看到只用物方阵列和一个会聚透镜以及具有两个方向发光角度的光源得到的结果：

对近轴光线的成像是为了使其在光照面交迭，并提供均匀照明。

在上面的左图中，我们用绿色的光线来表示发散光线，对它们成像在不同的位置，从而不会和光照面的准直光束相互交迭。

成像在不同的轴向位置会引起光照面的不均匀照明，这是因为近轴光线的全部光束会相互交迭，只有一半的发散光线与轴上光线（上图中用蓝色表示）照到相同的平面上。

正如上图所示，两个张角使得在会聚透镜处得到了不同的物高，从而会聚透镜也会对不同的物高在光照面成像。

如果来自所有视场的像在光照面并不交迭，我们将得到一个非均匀的光照面。

增加一个复眼阵列——视场阵列后，这两种情况下的照明均匀度都可以得到提高。

这个视场阵列是第二个复眼阵列，它就放在物方阵列的像平面上，作用是使从光源发出的不同视场在光照面上进行交迭。

为了在相同的平面上得到统一，我们需要使被轴向光线和发散光线同时照明的光照面的全宽完全相同。

从下面的图表中可以看出增加的视场阵列为我们的这两种情况所做的贡献。

在发散光线和视场光线中，复眼透镜的视场阵列都被用作一个视场透镜，并与聚焦镜一起来保持照度，这样光线才能依然在光照面上交迭。

复眼阵列均衡设计

均衡设计的内容之一就是在阵列中的垂直方向和水平方向上应该有多少通道。

通道的数量越多，光照面上的照明就越均匀。

然而，透镜组间的边缘并不是无限平滑的，所以光线就会被这些边缘散射出来，透镜组越多，散射的就会越厉害。

通道数目的奇偶性也是需要选择的。

奇数的通道意味着中央通道总是在中心，它每一侧的通道都包在中央通道上，这也就是空间均匀性的由来。

偶数个透镜组则会使中央的光强有所降低。

一般来说，要在数字投影仪的光照面获得均匀照明，大约需要最少7个，最多11个通道，这是为确保从光源到光照面来模拟均匀照明系统的大概数字，而模拟照明系统就是为了准确决定你的复眼阵列需要几个通道。

透镜组的焦距决定了两个阵列的空间大小，每一个通道的孔径和物方阵列的焦距决定了视场阵列可以转换的视场大小，通道孔径、焦距以及两个阵列的空间大小决定了在光照面横向和纵向的大小。

考虑视场阵列的一种方法就是：

一个单独的透镜组的作用是对这一通道的物方阵列的孔径在光照面上成像，像的放大率是确定的。

在LCD和LCoS数字投影仪灯光引擎中，光源必须先被极化才能达到光照面，所以经常会用到极化转换装配或PCS。

PCS阵列常被接合到视场阵列平的一面来为PCS多边形阵列提供一个共同的装配和坚强的支柱。

例子

下图是数字投影仪中用到的复眼照明系统的一个简单的例子：

其光源是一个椭圆体，集中在抛物面镜的焦点处。

由抛物面镜产生的输出光线是非常不均匀的：

请注意，如果灯可以被更详细地模拟出来，即使使用的是非常简单的灯模型，问题也是可以很清楚的看出来。

接下来光线就会追迹穿过两个LensletArray物体和聚焦镜，然后被数字投影仪中空间光调制器所在处的物体探测器所分析处理。

下图为我们展示了两个阵列中不同数量的透镜组带来的结果（任何情况下，两个阵列都有相同数量的透镜组）：

例1：

一个6x4阵列的透镜组：

例2：

一个7x5阵列的透镜组:

例3：

一个11x9阵列的透镜组:

我们可以轻易地看出，在11x9的例子中得到了最好的均匀度，通过ZEMAX软件，我们可以方便的改变透镜组的数量和它们的曲率半径以及非球面系数等参数。

从NSDD优化操作数中选择pixel=-4这一数据项目可以实现对均匀度的最优化，详细信息请参考ZEMAX软件手册。

如果我们把探测显示器设置为可以显示发光强度（例如，角函数的强度），则光线角度在阵列中的影响可以清除的看到：

总结

复眼阵列总是成对使用使光照面上的光源达到空间的均匀化。

这两个阵列分别被称为物方阵列和视场阵列，常和一个聚焦镜一起使用。

物方阵列把光源成像在视场阵列，视场阵列和聚焦镜对所有视场中光线重新成像，这样它们在光照面上就可以相互交迭，产生均匀发光。

一个典型的复眼阵列在每个方向上有7~11个通道，每一个通道在光照面都是光学交迭的，这样才能从非均匀光源得到均匀光线。