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微透镜阵列的光学利用率分析 1 光引擎系统的组成 目前，市场上采用的微显示芯片包括数字微镜器（畸变）、新华透明度（color）和硅基矩阵（lcos）。其中，dd以其高精度、高亮度和色泽闻名于市场。光引擎主要由两部分组成,即照明系统和成像系统。伴随着投影机市场的微型便携化的趋势以及光源的改革,市场对照明系统在结构和效果上也提出了更高要求,紧密型结构成为一项关键的技术要求。 本文在照明系统中采用了双排微透镜阵列和两个球面镜的结构,达到了结构紧密、照明均匀的效果。通过控制微透镜阵列入射光线角度的大小,减小了由于大角度入射造成的光能损失,并采用两个球面镜作为中继镜,在照明系统中引入成像设计的理念,校正照明系统中的球差等像差,对照明亮度及均匀性的提高起到了很大作用。 2 激发光斑的均匀性 在照明系统中,光线经过第一排微透镜阵列在第二排上成像,宽光束被分为多个细光束,每个细光束相比宽光束而言均匀性都有所提高,这些细光束作为二次光源经过后面的聚光镜叠加,补偿了其均匀性中的微小差别,得到均匀的照明光斑。图1为微透镜阵列系统结构,其中Pmla为微透镜对角线长度,D为DMD对角线长度,fmla和frl分别为微透镜阵列和relay lens的后焦距。 3 照明系统的形状分析和模拟 3.1 光直射角度对照明系统的影响 3.1.1 板照明面为复合曲面的板片 当光线入射角过大时,入射光线照射到第一排微透镜阵列后,经过折射不能成像在对应的第二排微透镜范围内,而是呈发射状出射,在目标光斑(DMD面板照明面)周围形成杂散光斑,因而降低了微透镜阵列的光学利用率,如图2所示。为了提高效率,可以通过修改自由曲面透镜的面型,减小光束入射角度,或者根据光学拓展量守恒定理适当增加数值孔径的大小。(1)式中As为光斑面积,θ为光线入射角,根据设计规格,增大数值孔径即减小F数 这样就意味着缩小了光斑面积。为保持照射到微显示器件上的有效面积,则需适当增加焦距f,但结构长度随之增加。因此,设计过程中应权衡各项参数,优化设计。 3.1.2 面透镜出射角 自由曲面透镜以广义泛函理论为设计依据,透镜为中心对称实体,它的轮廓线为一条离散点组成的自由曲线,该曲线无法用数学解析式表达。自由曲面透镜可以实现输出角γ与光源出射角θ之间给定的泛函相关性。 图3中输出角γ与光源出射角θ之间的函数关系可以表示为 式中β和β′分别为相对于本地曲面法线逆时针测量的入射和折射光线角度。采用斯涅耳定律从上述方程中消除β′,可以求解出β为 从而得到在折射表面所需的入射光线角关于光源出射角θ的方程式。上述方程中n和n′分别是光学表面入射和折射一侧的折射率。优化入射微透镜阵列的光线角度即增大β角,减小γ角。 3.1.3 dmd面板面积10%的溢出光斑 经过TracePro软件模拟,优化入射角前后的DMD投影系统在DMD面板处照明效果对比如图4所示。图4中较为明亮的白色光斑方框为大于DMD面板面积10%的溢出光斑,此光斑内为DMD的有效面积。图4(a)为优化前15°入射,由于大角度造成的折射光线偏移,在白色光斑方框两侧形成了灰色杂散光斑,能量损失为20.326%,图4(b)为优化后12°角入射,光线被有效利用,由第一排微透镜阵列分割的光束对应地成像在第二排上,能量损失仅为10.16%,效率显著提高。 3.2 成像像差分析 一般在有效口径较大、结构紧凑的照明系统中,需要快速地将光源光斑面积减小到微显示器件的有效面积。这时要求中继镜有较短的后焦,这将不可避免地引入大像差,降低微透镜阵列照明系统的光学利用率。根据成像像差理论分析,球差、彗差、像散较大则会影响弥散斑的大小和形状,造成画面边缘模糊,亮度降低;场曲和畸变则造成像面的变形,使得由微透镜阵列产生的二次光源在叠加时,像差相互叠加,造成照明的不均匀,且边缘视场最为明显。 由图5不难看出,边缘视场像差对照明系统的光学利用率影响明显,而中心视场则不明显。因此优化过程中应该放宽对中心视场的成像要求,着重注意各像差边缘视场成像质量。利用Zemax软件优化两个球面透镜的像差,为得到锐利的边缘效果,实验设计边缘视场弥散斑直径应在0.3mm以内,中心视场弥散斑直径应在0.04mm以内。 4 光学均匀性的计算 根据以上基本思路,分析了入射角度及大像差对照明系统中光学利用率的影响,提出了一组优化后的设计方案。中继镜由两个球面透镜来代替傅里叶透镜,这样更容易校正像差,也使得在短距离中可以快速降低像高而避免大像差的产生,而且相较傅里叶透镜而言,两个球面透镜的设计难度较低,像差更易调节,成本也大大减小。 将投影机的光学均匀性定义为 式中Pcorner为4个角亮度的平均值,Pcenter为中心亮度值。根据图5可以计算出该系统的均匀性为94.24%。下表为优化前后光引擎参数对比。 5 dmd照明