微透镜阵列用于投影系统的光源匀化

投影技术随着科技发展也在不断地进步。DLP（Digital Light Processing）技术作为目前较为主流的一种投影技术，给我们带来了更加清晰、逼真的视觉体验。DLP技术因为其较长的使用寿命、较高的色彩分辨率，较小的画面拖影等特点，在日常的家用领域有着更高的性价比。数字微镜器件（Digital Micromirror Devices,DMD）就是DLP投影技术的核心部件。

目前，投影机的大趋势就是小型化、便携化，因此，通过改良照明系统的光路设计以及其中元器件的效率使得设备效果更好、结构更紧密就成为了一个比较关键的技术要求。如果可以将微透镜阵列用于投影系统的光源匀化,就可以有效提高投影仪的效率

对投影仪的效率来说，照明系统的均匀性的提高非常重要。微透镜阵列作为一种比较成熟的光学元件，可以以较小的尺寸实现耐高温、光源匀化的效果。用双面微透镜阵列对投影系统进行照明匀化是其中一种可能的方案。

通过使用双面微透镜阵列和两个球面镜的光路结构，可以在较小的光程内，实现光源匀化的效果。利用双面微透镜阵列来控制入射光线的发散角度，减少损耗；两个球面镜可以实现校正照明系统中可能出现的像差。使用微透镜阵列进行匀化，应该注意光源的准直性，光束的发散角越小，理论上微透镜阵列的匀化效果越好。

本文简单介绍了双面微透镜阵列在投影领域的应用。在投影仪的照明系统中，光源的光束在经过双面微透镜之后，完成的光束会被分割成为多个子光束，每个子光束的均匀性会有提高，实现光源匀化的功能。

微透镜阵列用于投影系统的光源匀化简单光路示意图

当光源的光束入射角比较大时，光束不能在双面微透镜阵列上正确成像，会向四周发散出射，形成杂散光斑，会降低整个系统的光学利用率。为了避免出现这种状况，可以通过减小光束的入射角度，或者对双面微透镜阵列的数值孔径和焦距进行调整。

公式中，As为光斑面积，θ为光束入射角，如果通过增大数值孔径来提高系统的光学利用率，，可能会减小最终成像光斑的尺寸，为了保证尺寸，需要对焦距进行一定变化，这在光路的设计中要进行取舍，优化设计。

不同入射角度光斑效果：（a）大角度，（b）小角度

上式描述了输出角γ和光源的出射角θ之间的函数关系，β和β’分别为相对于本地曲面的法线逆时针测量的入射和折射光线角度。利用斯涅耳订了可以从上式中消除β’，解出β为：

可以得出在折射表面的入射光线角度和光源出射角θ之间的关系，n和n’分别是双面微透镜阵列两侧的折射率。优化入射光线就是增大β角，减小γ角。

上图中，白色。方框光斑内为经过此双面微透镜阵列系统之后的光束在 DMD的有效面积，图（ａ）为优化前15°的光束入射角，会在有效区域外形成灰色的杂散光，损失约为20.326%；图（b）为优化后12°的光束入射角，在有效区域外形成灰色的杂散光得到有效的抑制，从一面微透镜阵列入射的光束可以有效的入射到另一面的微透镜上，损失仅为10.16%，整个系统的光学利用率得到了有效提高。

投影系统作为有效口径较大、空间尺寸小的照明系统，需要快速的将光源光斑减小到要求的尺寸，且应该尽可能减小系统中的像差。光路中间利用两个球面透镜来代替傅里叶透镜，这样更容易在短距离内矫正像差，调节起来也更加容易.

用双面微透镜阵列对投影系统进行照明匀化，校正前后光斑（a）初始光斑，（b）校正后光斑

上文简单介绍了双面微透镜阵列在投影领域的应用，在DMD投影方案中引入上述光学系统，可以更加灵活的控制照明系统中的像差，提高有效光斑的面积，提高整个系统的利用率和匀化率。

文章内容来源：

李丹, et al. "基于微透镜阵列的 DMD 芯片投影系统照明优化." Acta Optica Sinica 33.1 (2013): 122002-1.