光学基础 光学积分器-通光管及透镜阵列

 

引用：光学积分器-通光管及透镜阵列

 

通光管
1 矩形通光管
        通光管又称匀光棒，分空心与实心，空心一般内层镀高反膜，实心的一般使用石英玻璃或者K9玻璃。匀光原理是光在光棒里面多次反射，每次反射都会形成虚拟光源像，多次反射形成二维的虚拟光源矩阵，从而使得光更加的均匀。为了使光在通光管内更多的反射，需要通光管截面小，并且入射角度大。当然，在通光管截面相对比较小，入射角度也不是很大的情况下，增加长度也可以增加均匀度。但是，长度并不能无限增加，一方面照明系统的结构尺寸限制了通光管的长度，另一方面随着长度的增加，均匀性呈现震荡上升，到达一定程度后继续增加长度对于均匀度的提升不明显，反而降低亮度。
      一般来说，3-5次或者对角线长度的1.5倍就可以使出射光有足够的均匀度。

 

2 方锥形通光管
        除了矩形通光管还有方锥形通光管，这种通光管一般是空心的，与矩形通光管不同的是，按照光展量不变原理

 

，它能改变出射角度。

 

 

 

          一般来说，使用通光管的照明系统的光路会比透镜阵列长很多，其优点是制造简单，不需要精确对准位置。

 透镜阵列
        透镜阵列积分器又被称为蝇眼积分器，通常一个透镜阵列积分器包含两个透镜阵列，它们可以相同，也可以不同。由于制造与对准的方便，通常使用相同的两个透镜阵列。
       通常透镜阵列要搭配平行光使用。第一个透镜阵列的每一个子透镜会将光源成像到第二个透镜阵列的对应子透镜上，即产生了很多光源的虚像；第二个透镜阵列中的子透镜的作用类似场镜，它们辅助一个透镜阵列的子透镜将光源的虚像再次成像到光阀(如DMD、LCD面板)上。为了完美的搭配，每个子透镜的焦距必须相等，利用第一个透镜阵列分割光源，第二个透镜阵列对光源重新成像。

 

 

 

        通道数目（即子透镜数量）越多，光照面上的照明就越均匀。然而，透镜组间的边缘并不是无限平滑的，所以光线就会被这些边缘散射出来，透镜组越多，散射的就会越厉害。
        通道数目的奇偶性也是需要选择的。奇数的通道意味着中央通道总是在中心，它每一侧的通道都包在中央通道上，这也就是空间均匀性的由来。偶数个透镜组则会使中央的光强有所降低。
        一般来说，要在数字投影仪的光照面获得均匀照明，大约需要最少7个，最多11个通道，这是为确保从光源到光照面来模拟均匀照明系统的大概数字，而模拟照明系统就是为了准确决定你的复眼阵列需要几个通道。
         透镜组的焦距决定了两个阵列的空间大小，每一个通道的孔径和物方阵列的焦距决定了视场阵列可以转换的视场大小，通道孔径、焦距以及两个阵列的空间大小决定了在光照面横向和纵向的大小。考虑视场阵列的一种方法就是：一个单独的透镜组的作用是对这一通道的物方阵列的孔径在光照面上成像，像的放大率是确定的。

参考资料：
1 复眼透镜实现均匀照明
2 Zemax中用复眼阵列设计光学数字投影仪的均匀照明
3 数位光处理投影系统之光学设计与光机模拟