光学设计之复眼照明系统原理

今天我们为大家带来的是关于复眼照明系统的相关知识，复眼照明系统在投影仪中比较常见，其核心元件是由单个小透镜按照一定规律阵列得到的微透镜阵列，即复眼透镜。

下图为该系统的照明原理

复眼照明系统的结构

该系统由准直系统（由光源加抛物面反光杯构成）、两组复眼透镜、聚光镜构成，所有元件都在同一光轴上。该系统将光源置于抛物面反光杯的焦点处，将第二组复眼透镜置于构成第一组复眼透镜的单个小透镜的焦距处，即第二组复眼透镜位于第一组复眼透镜的焦平面上。聚光镜置于第二组复眼透镜后方，将图像显示芯片置于聚光镜的焦平面处。 复眼照明系统也是利用成像光学的原理实现均匀矩形光斑照明。其基本的光路原理如下：从光源岀射的光经过抛物面反光杯后能够产生准直光束，该光束经过第一组复眼透镜后被其中的每一个小透镜分为多个细光束，然后分别会聚到第二组复眼透镜中的每一个小透镜的中心。

第二组复眼透镜中的每一个小透镜将第一组复眼透镜重叠成像于无限远处，聚光镜将第二组复眼透镜成像于图像显示芯片上，从而实现对图像显示芯片的均匀照明。 由此可见，复眼照明系统同样利用成像光学的原理实现对目标面的均匀照明。由于光源发出的光被分为很多细光束，每个细光束的均匀度都比整个光束的均匀度高，并且都在接收面成一个像，所有光束的像互相叠加消除了各个细光束之间的不均匀性，同时对称位置的光束相互补偿进一步提高了光斑的均匀度。矩形光斑的长宽比与单个小透镜的长宽比相关。 此外，要针对不同的投影系统选择合适的复眼透镜参数，包括：复眼透镜的孔径、每一个小透镜的焦距和数值孔径、复眼透镜的行列数。其中，复眼透镜行列数的选择很重要，数目过少会影响光斑的均匀性，数目过多会增加加工难度。

需要说明的是，复眼照明系统同样不适合应用在小型化的投影照明系统中，主要是因为：复眼照明系统对光线的入射角有严格的限制，导致其无法收集大角度的入射光线。 为了提升光学效率，通常增大系统孔径，这样会导致系统结构变大。车载HUD 投影仪通常需要安装在汽车仪表盘上，要求整体结构小巧，对于照明系统中光源到LCD 显示芯片的距离也要求尽量短。 由于传统照明系统光学元件多，体积大，系统长度较长，因此不适合应用到车载HUD 投影仪中，所以需要根据非成像光学理论，从LED 自由曲面配光设计入手进行研究，减少光学元件的使用数量，设计出更适合应用在小型投影仪中的照明系统。

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编辑：黄飞