谈谈复眼透镜阵列的原理及其应用

一、复眼透镜阵列是什么？

复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，将双排复眼透镜阵列应用于照明系统可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。复眼透镜在微显示器及投影显示领域有广阔的应用前景。利用双排复眼透镜阵列实现均匀照明的关键在于提高其均匀性和照明亮度。

复眼透镜阵列要实现均匀照明需两列复眼透镜阵列平行排列，第一列复眼位透镜阵列元件中的各个小单元透镜的焦点与第二列的复眼透镜阵列中对应的小单元透镜的中心重合，两列复眼透镜的光轴互相平行，在第二列复眼透镜后放置聚光镜，聚光镜的焦平面放照明屏就形成了均匀照明系统。对复眼透镜有了一定了解后，就来一起看看复眼透镜阵列的原理。

二、复眼透镜阵列实现均匀照明的原理

复眼透镜阵列实现均匀照明的原理是：复眼透镜阵列实现均匀照明的原理是：与光轴平行的光束通过第一块透镜后聚焦在第二块透镜的中心处，第一排复眼透镜交光源形成多个光源像进行照明，第二排复眼透镜的每个小透镜将第一排复眼透镜对应的小透镜重叠成像于照明面上。由于第一排复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从第二排复眼透镜的出射的光斑通过聚光镜聚焦在照明屏上，这样，照明屏上光斑的每一点均受到光源所有点发出的光线照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交汇重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的方形光斑。

复眼透镜的均匀照明原理图

三、复眼透镜在激光二极管阵列的应用

1.复眼透镜对单光束光源的均匀化机制

复眼透镜光束均匀化主要依靠对光束的分割和叠加来实现，在复眼透镜光束整形中通常是针对单光束光源的，基于复眼透镜的LD整形系统通常由双排微透镜阵列和积分透镜组成。两组微透镜阵列前后平行放置且间距为子透镜的焦距，子透镜之间相互对准形成子透镜对。组微透镜阵列元件中的子透镜将入射光束分割为子光束并聚焦到第二组微透镜阵列上，第二组微透镜阵列中的子透镜和积分透镜共同将对应的子光束重合在积分透镜的焦面上。由于排微透镜阵列将光源的整个宽光束分为多个细光束，每个细光束范围内的微小不均匀性将在重合的过程被平滑从而获得均匀照明。这就是微透镜阵列光束均匀化的分割叠加机制。当入射光不是平行光时，如图1(b)所示，不同入射角的光线通过组微透镜阵列后将被聚焦于第二组微透镜阵列的相应子透镜的不同高度处。此时第二组微透镜通过组子透镜的中心光线偏折为平行光轴出射，保证其他入射角的光线仍然能够在积分透镜的焦面上重合，从而使非准直光束仍然能够在焦面上重合。但是如果光线的入射角过大，使光线聚焦点超出对应子透镜的孔径范围进入相邻的子透镜孔径，其光束将偏离重合区域而形成旁瓣，降低了光源的能量利用率。对于具有一定发散角的光源来讲，子透镜的数值孔径需要足够大才能接收到来自光源的所有光线。

图1.复眼透镜光束整形系统示意图