微透镜阵列元件浅谈复眼透镜阵列的原理和应用

复眼透镜是什么？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，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。

复眼透镜简介

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：与光轴平行的光束通过透镜后聚焦在第二块透镜的中心处，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排复眼透镜对就的小透镜重叠成像于照明面上。由于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垂泪不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的垂轴不均匀性获得补偿，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会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。

2. 复眼透镜对LD阵列光束的分割

对复眼透镜单光束光源均匀化机制的分析表明,复眼透镜光束均匀化的一个重要的前提是将光束进行分割和叠加。虽然LD阵列的光束也是由一个个子光束组成的,但是如果以此进行光束分割,直接将各子光束叠加仍然不能得到均匀的强度分布。因为LD的每个子光束之间的光分布是相似的(快轴方向为高斯分布,慢轴方向为超高斯分布),叠加后光分布与单光束的光分布仍然是相似的,并不能实现均匀化的目的。因此在采用复眼透镜的LD阵列光束均匀化的过程中,需要使用复眼透镜对LD阵列中的子光束进行分割,破坏这种相似性。一个解决办法就是让复眼透镜离开LD阵列足够的距离l使单个LD的光束能够覆盖多个复眼透镜的子孔径,从而每个发光点的光束被数个子透镜孔径所分割并在积分透镜后焦面叠加。由于LD阵列中单个发光点的光束是相干的,对单个发光点的分割叠加还不能得到均匀化的目的。但是LD阵列是由许多非相干的发光点组成的,每个发光点分割叠加后的非均匀光斑在积分透镜的后焦面重合,其内部不均匀性将会通过叠加得到减小甚至消除。

因此,复眼透镜对LD阵列光束均匀化的机制为:对LD阵列中每个发光点的子光束分别进行分割叠加,破坏LD阵列中各个子光束之间光分布的相似性;将LD阵列中所有子光束分割叠加后的光斑再进行非相干叠加实现均匀化的目的。