Ansys Zemax | 用于数字投影光学中均匀照明的蝇眼阵列

蝇眼阵列是由许多单个光学元件组装成单独的二维阵列光学元件，它用于将像面上非均匀的空间光线分布转换为均匀的辐照度分布。使用蝇眼阵列的数字投影系统通常与含有能够提供半准直入射光的抛物面反射器的大灯组件一起使用。目前，它们主要应用于LCD数字投影机灯光引擎中，对空间光调制器照明平面进行均匀照明。

上图为蝇眼阵列（此照片由In Vision提供，网址为：www.in-vision.at)。阵列中的每个光学元件可以是正方形或长方形的，每个光学元件的表面可以是球面或是有一定变形的（在垂直和水平方向上的光焦度不同）。光焦度通常只在阵列的一个表面上，第二个表面通常是平面的。

在OpticStudio中建模这种设置的最简单方法之一是使用阵列物体(array object)。提供的示例，选择了透镜阵列1(Lenslet Array 1)物体，它由矩形体阵列组成，每个矩形体的前表面为平面，后表面为用户自定义数目的重复曲面。后表面可以是平面、球面、圆锥面、多项式非球面或环形表面。这使得阵列中透镜元件表面形状的定义和优化具有了极大的灵活性。下图显示了透镜阵列1物体，它是由7 x 5个矩形透镜组成的透镜阵列，每个矩形透镜都可以看作一个球面透镜的矩形区域。

蝇眼阵列如何工作？

蝇眼阵列通常是成对使用的，与聚光镜一起在照明平面上提供均匀的辐照度。第一个蝇眼阵列常称为“物方阵列”，沿光轴方向的第二个蝇眼阵列称为“视场阵列”。现在我们只考虑物方阵列，物方阵列就像照相机上的物镜，在物镜的焦平面上形成物体（或本例中光源）的像，如下图所示。在本例中，我们将在物方阵列的焦平面上形成准直光源的像。

如果我们有准直光源，就很容易产生均匀的辐照度。如上图所示，如果将物方阵列与准直光一起使用，我们将聚光镜放置在物方阵列的焦平面上，我们将在照明平面上获得均匀的辐照度，这可以在上图的探测器查看器(Detector Viewer)中看到。不幸的是，我们没能获得点光源，这使得获得准直光很困难。由于光源有一定的体积，并不是一个点，使得带有抛物面反射器的大灯组件发出的光，就像通常在数字投影仪中看到的那样，具有一些发散度或角度。在下面的截图中，我们可以看到使用物方阵列和聚光镜发出较小发散角（约3.75度）的光源和具有多个视场角的光源的模拟结果。

在这两种情况下，我们都可以通过添加视场阵列来改善照明均匀性。如上所述，视场阵列是位于物方阵列的像平面上的第二个蝇眼阵列。视场阵列的作用是使来自光源的不同视场都能在照明平面上获得重叠的像。为了在同一平面上均匀照明，我们需要使同时被轴向光线和发散光线照射的最终像平面的全宽完全相同。我们可以看到视场阵列的添加对于下图中列出的两种情况有什么作用，即使只是进行了最小程度的优化：在这两种情况下，视场阵列与物方阵列和聚光镜共同作用，以确保发散光线和轴上光线在照明平面上重叠。

蝇眼阵列设计权衡

示例

光源是一个椭球体，以抛物面反射镜的焦点为中心。抛物面反射镜的输出结果非常不均匀：

请注意，如果可以对灯进行更详细的建模，即使使用简单的lamp模型，也可以清楚地看到问题的严重程度。通过两个透镜阵列(Lenslet Array)物体和聚光镜进行光线追迹，然后在位于数字投影仪中空间光调制器位置的探测器物体上进行分析。以下是阵列透镜数量不同时所产生的结果（在所有情况下两个阵列之间子透镜数量相同）：

案例1：6x4 的透镜阵列

案例3：11X9 的透镜阵列