[我分享]匀光元件那些事儿
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bengua8
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电梯直达
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发表于 2018-7-5 09:32
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承蒙站长大大信任，让我跟大家讲讲微透镜系统。其实我也是略知一二，并不是很懂，研究生期间毕设做的是匀光这块儿的，微透镜阵列一直想用，但是难度太大，这个方案还没来得及做就毕业了，站长大大让我开个帖子讲一讲，所以我想把我现有的跟大家分享分享，欢迎大家沟通交流，如有错误请大家指出来并改正。首先，我调研的微透镜阵列主要用于需要匀光的系统中，比较典型的应用是投影系统。 最早期的匀光元件是积分棒（也叫匀光棒），因为刚开始投影系统里用到的光源是短弧灯，先用碗装反射镜对光线进行聚焦，同时匹配积分棒的数值孔径（早期积分棒都是圆棒），后边是透镜组。后来市面上有了各种单色LED灯，于是就有了微透镜阵列组，用来匀色匀光，还可以缩小系统体积，被广泛应用，其原理和积分棒有差别。现在也有自由曲面透镜，个人能力有限，没能调研这块儿。下面给出三种优缺点一览表。
积分棒原理就是光线在其内部发生全反射，积分棒的工作原理与光纤类似。光线在积分棒中发生全内反射，符合全内反射定律。采用镜像法分析，即光线在积分棒内发生多次全内反射到达出射截面，反射一次相当于一个镜像虚拟光源的照明，最终积分棒末端面是均匀的光斑面，后边接准直和成像系统，可将末端面成像形成均匀照明面。入射到积分棒内的光线角度必须满足全内反射条件，在其内部反射次数大概在6-8次即可，并非次数越多均匀性越高，可查阅相关文献求证。刚开始是圆形棒，经调研，能满足镜像排布的截面形状的积分棒均匀性较高，具体可按照光源情况设计，比如我当时用的4个不同颜色的LED灯，所以经仿真方棒是最优选择，但是不知道用的灯和截面面型有没有一定的联系，没调研到相关文献，也没能自己给出理论推导。大家后期可以探究一下。
微透镜阵列原理和积分棒不同，积分棒用的是全内反射，而微透镜阵列原理是透镜成像。一般情况下复眼透镜阵列分两排，每一排都由一系列小透镜阵列而成，第二排复眼透镜（LA2）位于第一排复眼透镜（LA1）的焦平面处，准直光线进入第一排复眼透镜后聚焦到第二排复眼透镜上，类似于光的多缝干涉实验中由光源衍生出的许多子光源，而这些子光源再次被后排的复眼透镜成像，最后由后继照明透镜（L2）成像到接收端面上，接收端面实现均匀照明。复眼照明的实质是整个光源被细分成许多小光源，再由许多小光源所形成的光斑叠加，从而使复眼照明能够获得均匀的照明。因为各个子透镜有数值孔径的限制，故大发散角光束进入复眼透镜匀化系统前必须经过准直。具体计算公式，大家可以去网上搜索相关文献。
下面是几个使用到积分棒和微透镜阵列的系统图示，大家可以看一下。
上图 短弧灯为光源
注：不管什么系统，光源设置极为关键，直接决定你设计的系统是正确的还是错误的，还有决定了你的仿真结果与实验结果的一致性。一定要保证光源的准确性，才能保证结果的准确性。每一个回车 那块儿就是一张图片 我不知道怎么直接插入 我了解的这方面知识就这么多了，欢迎大家修正补充。
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沙发
发表于 2018-7-5 10:42
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楼主，你好，我前段时间正好接触了一下匀光，我接触的是激光的匀光，激光都是高斯分布，中间亮，边缘弱，有些情况下我们需要把激光均匀化，也就是变成平顶光，目前只有国外厂家能做，用的原理应该是衍射原件，具体的我不是很清楚，这一块我一直没弄明白。另外我的前上司告诉我可以用菲涅尔透镜实现激光的匀化。 不知道楼主对这方面有没有研究，可以分享下，万分感谢
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板凳
发表于 2018-7-5 12:08
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楼主，你好。前段时间接触投影仪，在照明系统部分，不懂怎样仿真和优化复眼透镜，能教下吗？谢谢http://www.optzmx.com/forum.php?mod=viewthread&tid=8581
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bengua8
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地板
楼主|
发表于 2018-7-6 08:44
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小渣渣 发表于 2018-7-5 10:42
楼主，你好，我前段时间正好接触了一下匀光，我接触的是激光的匀光，激光都是高斯分布，中间亮，边缘弱，有 ...
我之前做的匀光系统就用到的是积分棒＋菲涅尔透镜组（两片菲涅尔透镜 个人认为菲涅尔透镜组排列方式为 平面-锯齿-锯齿-平面 这样效果比较好 仿真可以先用序列模式 然后转到非序列模式 才能保证真实性 非序列模式里菲涅尔头透镜设置如果不会 可以在论坛里搜索 之前有人发过视频教程），出来的光斑确实不错。不过我用的是不同颜色LED 混出均匀白光 均匀性很好
激光的话 你说的那个跟这个差不多 都称为光束整形 将激光光束平顶化 你可以参考一下 北京理工大学张学彬的博士论文 他里面好像提到过平顶度 看的时候兴许会发现一些灵感 里面的仿真设计可能会有小错误 要有自己的看法
只能帮你到这儿了 祝好
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楼主|
发表于 2018-7-6 08:47
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liang153 发表于 2018-7-5 12:08
楼主，你好。前段时间接触投影仪，在照明系统部分，不懂怎样仿真和优化复眼透镜，能教下吗？谢谢http://www ...
你那个不是已经解决了吗 我之前看到过你这个贴 他们说设置一个出口就ok了 这个就是解决方案 至于优化 混合序列不太容易优化 我也不知道序列里有没有复眼透镜 你可以在zemax自带例子里找一找 我记得之前看到过仿真好的例子 实在不行 就直接都放到非序列里 非序列优化也不是很好用 但是最起码是可以优化的
后继系统 我觉得 是不是可以单独拿出来先优化 优化好 再放回一个系统里
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发表于 2018-7-6 10:46
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bengua8 发表于 2018-7-6 08:44
我之前做的匀光系统就用到的是积分棒＋菲涅尔透镜组（两片菲涅尔透镜 个人认为菲涅尔透镜组排列方式为 ...
好的，我去搜索一下看看，谢谢
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liang153
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发表于 2018-7-6 12:09
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bengua8 发表于 2018-7-6 08:47
你那个不是已经解决了吗 我之前看到过你这个贴 他们说设置一个出口就ok了 这个就是解决方案 至于优化 ...
好的，谢谢楼主
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发表于 2021-7-7 21:27
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您好！请问从积分棒出射的光源的发散角可计算吗
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十一月的萧邦
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H2O2-77 发表于 2021-7-7 21:27
您好！请问从积分棒出射的光源的发散角可计算吗
可以利用光学扩展量守恒做简单计算 。
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发表于 2021-7-9 08:31
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激光的匀光，激光都是高斯分布，中间亮，边缘弱，需要把高斯光变成平顶光，有哪些方式？
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