zemax中用復(fù)眼陣列設(shè)計(jì)光學(xué)數(shù)字投影儀地均勻照明

1、<p>　　復(fù)眼陣列用于光學(xué)數(shù)字投影儀的均勻照明</p><p><b>　　導(dǎo)言</b></p><p>　　在數(shù)字投影儀的設(shè)計(jì)中，當(dāng)我們要顯示數(shù)字光源均勻輻射的一張照片或者一段視頻的時(shí)候，我們希望投射在屏幕上相應(yīng)的圖片也是均勻輻射的。為了達(dá)到投影圖像照度的均勻性，我們需要有一個(gè)空間光調(diào)制器，比如均勻照明的LCD板。由于從燈光裝配處發(fā)出的光源的發(fā)光剖面是一

2、個(gè)典型的高斯類型的發(fā)光剖面，所以空間光調(diào)制器平面不能由光源直接得到。我們必須設(shè)法使發(fā)光剖面“消高斯型”，或者在空間域把它從不均勻轉(zhuǎn)化為均勻的發(fā)光剖面，這可以通過一對復(fù)眼陣列排列的空間光線調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在我們就通過本文介紹，來看一下這些設(shè)置是怎樣工作的。</p><p><b>　　什么是復(fù)眼陣列？</b></p><p>　　復(fù)眼陣列就是一個(gè)用各獨(dú)立光學(xué)元器件的二維

3、陣列組合成一個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件，它用來完成光線在照明板上由不均勻分布到均勻分布的空間轉(zhuǎn)換。在使用復(fù)眼陣列的數(shù)字投影儀上，它們幾乎總是和具有可提供半準(zhǔn)直光的拋物面鏡的燈具裝配一起應(yīng)用。就目前來看，在照明領(lǐng)域，它們主要應(yīng)用在LCD數(shù)字投影儀燈光引擎上，用來把空間均勻光傳遞到空間光調(diào)制器光照面上。</p><p>　　復(fù)眼陣列從上圖中可以看出來。這幅圖是由In Vision友情提供的，詳情請查看網(wǎng)址www.in-visi

4、on.at。陣列中每一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)元件的形狀可以是長方形或矩形的，而它們的表面形狀可能是球形或有一定的變形（垂直和水平方向上具有不同的光強(qiáng)），通常光焦度只分布在陣列的一面，另一面往往是平的。</p><p>　　根據(jù)在ZEMAX軟件中模擬這些元件，或許最簡單的方法就是使用物體類型Lenslet Array1，它包含一排矩形物體，每一個(gè)矩形物體都有一個(gè)扁平的前表面和一個(gè)用戶自定義數(shù)量的重復(fù)性彎曲表面。陣列表面可以是

5、平面，球面，圓錐面或多項(xiàng)式非球面；或者說一個(gè)球形的、圓錐形的或多項(xiàng)式非球面形的復(fù)曲面。這樣，在定義、優(yōu)化陣列中透鏡元件的精確表面時(shí)就有了很好的靈活性。</p><p>　　上圖為我們展示的是一個(gè)單獨(dú)的Lenslet Array 1物體，它由矩形透鏡7 x 5陣列組成，每一個(gè)矩形透鏡其實(shí)是球形透鏡的矩形區(qū)域。在這些應(yīng)用上還有其他物體類型如：Lenslet Array 2類型和Hexagonal Lenslet Ar

6、ray類型。請注意，通過使用Tools -> Replicate Object，每個(gè)物體都可以被復(fù)制，并很容易的放在陣列里。</p><p>　　通過用戶自定義表面性能，在序列光學(xué)設(shè)計(jì)中透鏡陣列也是被支持的。我們提供了關(guān)于球面、圓錐非球面、均勻非球面和柱面透鏡陣列的很多例子。</p><p><b>　　它們是如何工作的？</b></p><

7、p>　　復(fù)眼陣列通常成對出現(xiàn)，并和在光照面上提供均勻光的聚焦鏡一起來用。第一個(gè)復(fù)眼陣列常被稱作物方陣列，沿光軸第二個(gè)陣列則被稱作視場陣列。現(xiàn)在我們只考慮物方陣列，它的作用跟照相機(jī)中的物鏡一樣，在物鏡焦平面對一個(gè)物體或像我們的情況一樣對一個(gè)光源成像，如下圖所示。在我們的情況中，我們會(huì)對準(zhǔn)直光的光源在物方陣列的焦平面上成像。</p><p>　　如果一個(gè)物方陣列用在準(zhǔn)直光束中，如上圖所示，我們在物方陣列的焦平面

8、上放置一個(gè)會(huì)聚透鏡，就可以在光照面得到均勻光照明，如圖5所示。但不幸的是，我們并不能得到理想點(diǎn)光源發(fā)出的光線，所以很難從帶有拋物面鏡的燈具裝配中得到準(zhǔn)直光束。由于燈的發(fā)光部分是一個(gè)體光源，而不是點(diǎn)光源，所以從帶有拋物面鏡的燈具裝配中發(fā)出的光線有一定的發(fā)散角。從下面兩個(gè)圖中我們可以看到只用物方陣列和一個(gè)會(huì)聚透鏡以及具有兩個(gè)方向發(fā)光角度的光源得到的結(jié)果：</p><p>　　對近軸光線的成像是為了使其在光照面交迭，并

9、提供均勻照明。在上面的左圖中，我們用綠色的光線來表示發(fā)散光線，對它們成像在不同的位置，從而不會(huì)和光照面的準(zhǔn)直光束相互交迭。成像在不同的軸向位置會(huì)引起光照面的不均勻照明，這是因?yàn)榻S光線的全部光束會(huì)相互交迭，只有一半的發(fā)散光線與軸上光線（上圖中用藍(lán)色表示）照到相同的平面上。</p><p>　　正如上圖所示，兩個(gè)張角使得在會(huì)聚透鏡處得到了不同的物高，從而會(huì)聚透鏡也會(huì)對不同的物高在光照面成像。如果來自所有視場的像在光

10、照面并不交迭，我們將得到一個(gè)非均勻的光照面。</p><p>　　增加一個(gè)復(fù)眼陣列——視場陣列后，這兩種情況下的照明均勻度都可以得到提高。這個(gè)視場陣列是第二個(gè)復(fù)眼陣列，它就放在物方陣列的像平面上，作用是使從光源發(fā)出的不同視場在光照面上進(jìn)行交迭。為了在相同的平面上得到統(tǒng)一，我們需要使被軸向光線和發(fā)散光線同時(shí)照明的光照面的全寬完全相同。從下面的圖表中可以看出增加的視場陣列為我們的這兩種情況所做的貢獻(xiàn)。在發(fā)散光線和視場

11、光線中，復(fù)眼透鏡的視場陣列都被用作一個(gè)視場透鏡，并與聚焦鏡一起來保持照度，這樣光線才能依然在光照面上交迭。</p><p><b>　　復(fù)眼陣列均衡設(shè)計(jì)</b></p><p>　　均衡設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一就是在陣列中的垂直方向和水平方向上應(yīng)該有多少通道。通道的數(shù)量越多，光照面上的照明就越均勻。然而，透鏡組間的邊緣并不是無限平滑的，所以光線就會(huì)被這些邊緣散射出來，透鏡組越多

12、，散射的就會(huì)越厲害。</p><p>　　通道數(shù)目的奇偶性也是需要選擇的。奇數(shù)的通道意味著中央通道總是在中心，它每一側(cè)的通道都包在中央通道上，這也就是空間均勻性的由來。偶數(shù)個(gè)透鏡組則會(huì)使中央的光強(qiáng)有所降低。</p><p>　　一般來說，要在數(shù)字投影儀的光照面獲得均勻照明，大約需要最少7個(gè)，最多11個(gè)通道，這是為確保從光源到光照面來模擬均勻照明系統(tǒng)的大概數(shù)字，而模擬照明系統(tǒng)就是為了準(zhǔn)確決定

13、你的復(fù)眼陣列需要幾個(gè)通道。</p><p>　　透鏡組的焦距決定了兩個(gè)陣列的空間大小，每一個(gè)通道的孔徑和物方陣列的焦距決定了視場陣列可以轉(zhuǎn)換的視場大小，通道孔徑、焦距以及兩個(gè)陣列的空間大小決定了在光照面橫向和縱向的大小?？紤]視場陣列的一種方法就是：一個(gè)單獨(dú)的透鏡組的作用是對這一通道的物方陣列的孔徑在光照面上成像，像的放大率是確定的。</p><p>　　在LCD和LCoS數(shù)字投影儀燈光引擎

14、中，光源必須先被極化才能達(dá)到光照面，所以經(jīng)常會(huì)用到極化轉(zhuǎn)換裝配或PCS。PCS陣列常被接合到視場陣列平的一面來為PCS多邊形陣列提供一個(gè)共同的裝配和堅(jiān)強(qiáng)的支柱。</p><p><b>　　例子</b></p><p>　　下圖是數(shù)字投影儀中用到的復(fù)眼照明系統(tǒng)的一個(gè)簡單的例子：</p><p>　　其光源是一個(gè)橢圓體，集中在拋物面鏡的焦點(diǎn)處。由

15、拋物面鏡產(chǎn)生的輸出光線是非常不均勻的：</p><p>　　請注意，如果燈可以被更詳細(xì)地模擬出來，即使使用的是非常簡單的燈模型，問題也是可以很清楚的看出來。接下來光線就會(huì)追跡穿過兩個(gè)Lenslet Array物體和聚焦鏡，然后被數(shù)字投影儀中空間光調(diào)制器所在處的物體探測器所分析處理。下圖為我們展示了兩個(gè)陣列中不同數(shù)量的透鏡組帶來的結(jié)果（任何情況下，兩個(gè)陣列都有相同數(shù)量的透鏡組）：</p><p&

16、gt;　　例1：一個(gè)6x4陣列的透鏡組：</p><p>　　例2：一個(gè)7x5陣列的透鏡組:</p><p>　　例3：一個(gè)11x9陣列的透鏡組:</p><p>　　我們可以輕易地看出，在11x9的例子中得到了最好的均勻度，通過ZEMAX軟件，我們可以方便的改變透鏡組的數(shù)量和它們的曲率半徑以及非球面系數(shù)等參數(shù)。從NSDD優(yōu)化操作數(shù)中選擇pixel = -4這一數(shù)據(jù)

17、項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)對均勻度的最優(yōu)化，詳細(xì)信息請參考ZEMAX軟件手冊。</p><p>　　如果我們把探測顯示器設(shè)置為可以顯示發(fā)光強(qiáng)度（例如，角函數(shù)的強(qiáng)度），則光線角度在陣列中的影響可以清除的看到：</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　復(fù)眼陣列總是成對使用使光照面上的光源達(dá)到空間的均勻化。這兩個(gè)陣列分別被稱為物方陣列和視場陣