微透鏡陣列元件淺談復眼透鏡陣列的原理和應(yīng)用

復眼透鏡是什么？復眼透鏡陣列要實現(xiàn)均勻照明需兩列復眼透鏡陣列平行排列，列復眼位透鏡陣列元件中的各個小單元透鏡的焦點與第二列的復眼透鏡陣列中對應(yīng)的小單元透鏡的中心重合，兩列復眼透鏡的光軸互相平行，在第二列復眼透鏡后放置聚光鏡，聚光鏡的焦平面放照明屏就形成了均勻照明系統(tǒng)。對復眼透鏡有了一定了解后，就來一起看看復眼透鏡陣列的原理。

復眼透鏡簡介

復眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，將雙排復眼透鏡陣列應(yīng)用于照明系統(tǒng)可以獲得高的光能利用率和大面積的均勻照明。復眼透鏡在微顯示器及投影顯示領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。利用雙排復眼透鏡陣列實現(xiàn)均勻照明的關(guān)鍵在于提高其均勻性和照明亮度。

復眼透鏡陣列實現(xiàn)均勻照明的原理

復眼透鏡陣列實現(xiàn)均勻照明的原理是：與光軸平行的光束通過透鏡后聚焦在第二塊透鏡的中心處，排復眼透鏡交光源形成多個光源像進行照明，第二排復眼透鏡的每個小透鏡將排復眼透鏡對就的小透鏡重疊成像于照明面上。由于排復眼透鏡將光源的整個寬光束分為多個細光束照明，且每個細光束范圍內(nèi)的垂淚不均勻性由于處于對稱位置細光束的相互疊加，使細光束的垂軸不均勻性獲得補償，從而使整個孔徑內(nèi)的光能量得到有效均勻的利用。從第二排復眼透鏡的出射的光斑通過聚光鏡聚焦在照明屏上，這樣，照明屏上光斑的每一點均受到光源所有點所有點發(fā)出的光線照射，同時，光源上每一點發(fā)出的光束又都交會重疊到照明光斑上的同一視場范圍內(nèi)，所以得到一個均勻的方形光斑。

復眼透鏡在激光二極管陣列的應(yīng)用

1.復眼透鏡對單光束光源的均勻化機制

復眼透鏡光束均勻化主要依靠對光束的分割和疊加來實現(xiàn),在復眼透鏡光束整形中通常是針對單光束光源的,基于復眼透鏡的LD整形系統(tǒng)通常由雙排微透鏡陣列和積分透鏡組成。兩組微透鏡陣列前后平行放置且間距為子透鏡的焦距,子透鏡之間相互對準形成子透鏡對。組微透鏡陣列元件中的子透鏡將入射光束分割為子光束并聚焦到第二組微透鏡陣列上,第二組微透鏡陣列中的子透鏡和積分透鏡共同將對應(yīng)的子光束重合在積分透鏡的焦面上。由于排微透鏡陣列將光源的整個寬光束分為多個細光束,每個細光束范圍內(nèi)的微小不均勻性將在重合的過程被平滑從而獲得均勻照明。這就是微透鏡陣列光束均勻化的分割疊加機制。當入射光不是平行光時,如圖1(b)所示,不同入射角的光線通過組微透鏡陣列后將被聚焦于第二組微透鏡陣列的相應(yīng)子透鏡的不同高度處。此時第二組微透鏡通過組子透鏡的中心光線偏折為平行光軸出射,保證其他入射角的光線仍然能夠在積分透鏡的焦面上重合,從而使非準直光束仍然能夠在焦面上重合。但是如果光線的入射角過大,使光線聚焦點超出對應(yīng)子透鏡的孔徑范圍進入相鄰的子透鏡孔徑,其光束將偏離重合區(qū)域而形成旁瓣,降低了光源的能量利用率。對于具有一定發(fā)散角的光源來講,子透鏡的數(shù)值孔徑需要足夠大才能接收到來自光源的所有光線。

2. 復眼透鏡對LD陣列光束的分割

對復眼透鏡單光束光源均勻化機制的分析表明,復眼透鏡光束均勻化的一個重要的前提是將光束進行分割和疊加。雖然LD陣列的光束也是由一個個子光束組成的,但是如果以此進行光束分割,直接將各子光束疊加仍然不能得到均勻的強度分布。因為LD的每個子光束之間的光分布是相似的(快軸方向為高斯分布,慢軸方向為超高斯分布),疊加后光分布與單光束的光分布仍然是相似的,并不能實現(xiàn)均勻化的目的。因此在采用復眼透鏡的LD陣列光束均勻化的過程中,需要使用復眼透鏡對LD陣列中的子光束進行分割,破壞這種相似性。一個解決辦法就是讓復眼透鏡離開LD陣列足夠的距離l使單個LD的光束能夠覆蓋多個復眼透鏡的子孔徑,從而每個發(fā)光點的光束被數(shù)個子透鏡孔徑所分割并在積分透鏡后焦面疊加。由于LD陣列中單個發(fā)光點的光束是相干的,對單個發(fā)光點的分割疊加還不能得到均勻化的目的。但是LD陣列是由許多非相干的發(fā)光點組成的,每個發(fā)光點分割疊加后的非均勻光斑在積分透鏡的后焦面重合,其內(nèi)部不均勻性將會通過疊加得到減小甚至消除。

因此,復眼透鏡對LD陣列光束均勻化的機制為:對LD陣列中每個發(fā)光點的子光束分別進行分割疊加,破壞LD陣列中各個子光束之間光分布的相似性;將LD陣列中所有子光束分割疊加后的光斑再進行非相干疊加實現(xiàn)均勻化的目的。