Ansys Zemax | 用于数字投影光学中均匀照明的蝇眼阵列

在数字投影仪设计中，达到数字光源与投影图像在辐照度分布上的匹配是设计的基石。为此，投影仪设计通常包括均匀照明的空间光调制器，通常是一个LCD面板。理论上，实现这一目标看起来容易，但在实践中，LCD面板上的光源光束往往呈现高斯分布模式，即不均匀。为解决此难题，我们必须实现一种“去高斯化”操作，即在空间上将不均匀的光束分布转换为均匀分布，确保投影仪整体性能优化。其中，蝇眼光积分器阵列成为这样一种关键性解决方案。

蝇眼阵列定义与分析

蝇眼阵列是一种由许多单个光学元件组成，通过二维阵列布局，将来自光源的非均匀空间光线分布转换为均匀辐照度分布的设备。它常被整合到数字投影系统的照明模块中，与具有半准直出射光能力的大灯组件的抛物面反射器一起使用。目前，这种组件主要应用于LCD数字投影机的灯光引擎之中，特别是对于空间光调制器的照明平面进行均匀照明。

如下图所示，一幅典型的蝇眼阵列照片由In Vision提供([网址](www.invision.at))。阵列中的每个光学元件都可能以正方形或长方形的形式存在，每个元件的表面可以是球面的，或根据特定需求呈现出一定的变形，在垂直和水平方向上光焦度有所不同。通常，其中一个侧表面具有特定的曲率，而另一个表面通常是平面的。

OpticStudio中的建模优势

在使用OpticStudio进行设计时，构建配备葱眼阵列系统的最便捷方法之一是阵列物体(array object)的应用。以透镜阵列1(\(Lenslet Array 1\))为例，它由矩形体阵列构成，其中每个矩形体的前表面设计为平面，而后表面基于用户定义的几何配置，可选用不同类型的曲面（包括但不限于平面、球面、圆锥面、多项式非球面或环形表面）。这种设置提供了极高的灵活性，允许用户在模型中定制透镜阵列中每个元件的表面形状，并优化其性能。




此外，OpticStudio还提供了用于矩形透镜阵列、透镜阵列2(\(Lenslet Array 2\))以及六边形透镜阵列的专用对象，详细的信息可通过访问辅助文档来获取。

工作原理与应用

蝇眼阵列在照明系统中的工作方式非常直观。它们通常以成对形式应用，与聚光镜一同使用，在该成对中，第一个阵列称为“物方阵列”，而第二个阵列沿光轴方向处于“视场阵列”位置。物方阵列的工作类似于传统相机上的物镜，在其焦平面上形成光源的像。

若光源能够形成准直的目标光线分布，在物方阵列的帮助下，再将聚光镜放置在该焦平面上可谓易于实现均匀的辐照度分布。然而，现实情况是光源无法达到点光源的状态，使得高斯分布的光线难以形成聚焦效果，从而在照明平面上呈现出非均匀性。

为解决这一问题，设计中利用了两个不同的物高，通过聚光镜传输到照明平面上的不同视场角。尽管如此，仍可能在不同镜头元素之间产生图像的不重合，导致照明不均匀。这一现象与光线发散角度、光轴位置关系紧密。

为克服左侧光线和发散光线在照明平面上的不完整重合问题，引入了视场阵列——位于物方阵列焦平面后的第二个阵列。视场阵列的设计目标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，从而实现整个平面的均匀照明。通过最小程度的优化，即使先固定7x5与11x9阵列，亦能显著提高照明均匀性。

设计优化与考虑因素

在设计中选择阵列中通道的数量时，需要注意通道数目的增加能够带来更均匀的照明效果。但是，子透镜之间细小的边缘会分散光线，过多的子透镜会导致这种分散现象加剧。通道数量的奇偶性也是一个需要考虑的要素。奇数通道通常可以使中心通道保持处于中心位置，而偶数数量的透镜常导致中心部分照度下降。

焦距同样对阵列设计有着关键影响，决定着两个阵列之间的间距。而每个通道的孔径和物方阵列的焦距则影响视场阵列理论上能传输的视场大小。两个阵列的通道孔径、焦距和间距合成决定最终照明平面的大小。设置单个子透镜时，它的工作是将通道的物方阵列孔径按照一定的放大率成像在照明平面上。

除了空间光调制器的均匀照明，LCD和LCoS结构中的光源都需要在相机安装前进行极化。这通常通过整合在视场阵列平面侧的偏振转换组件（PCS）实现，提供显著的刚性和支撑，同时作为PCS阵列菱形的公共支座。

应用示例与结果分析

一个典型的使用葱眼照明系统的数字投影仪示例文件可以在特定路径（如{Zemax}\Samples\NonSequential\Miscellaneous\Digital_projector_flys_eye_homogenizer.zmx）中找到。模拟的对象包括光源为椭球形，基于抛物面反射镜的焦点。

通过OpticStudio进行光线追踪，结果显示带有不同数量（如6x4、7x5、11x9等）葱眼透镜阵列的系统性能差异。通过探测器查看器（Detector Viewer）分析结果表明，增加葱眼阵列的通道数，尤其是11x9的配置，能显著改善照明均匀性。

借助OpticStudio，用户可以方便地调整透镜的数量、曲率半径和非球面系数等参数，从而进一步优化均匀性。优化过程通过操作NSDD中的pixel = 4数据项实现，详细信息请参考OpticStudio的帮助文档。