半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡研究

師小波 李浩宇 陳慧寧 王巧梭 周雪輝

半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡研究

師小波 李浩宇 陳慧寧 王巧梭 周雪輝

本文提出了一種新的均勻照明系統(tǒng)，它由一個半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡和復眼透鏡陣列組成。通過光學工程軟件Light Tools對其進行仿真模擬，得到輸出照度圖和坎德拉圖。為后續(xù)設(shè)計提供支持。

在微投影儀照明系統(tǒng)設(shè)計中，為了提高光能利用率，通常需要利用光學器件如反光鏡對出射光線進行光束整形。本文提出了半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡和復眼透鏡陣列組成的微投影儀照明系統(tǒng)，并用Light Tools對其進行仿真模擬。

原理

圖1　半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復眼透鏡陣列組合

在傳統(tǒng)的微投影儀照明系統(tǒng)中常用的反光鏡有橢球反光鏡、拋物線反光鏡、雙橢球面反光鏡。通過對上述反光鏡的性質(zhì)及工作原理的分析，論文提出了一種新型反光鏡——半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡，并與復眼透鏡陣列組合，從而提高照明系統(tǒng)的光能利用率，改善光斑的均勻性。其工作原理是利用旋轉(zhuǎn)拋物面的性質(zhì)，光線從焦點射出經(jīng)半旋轉(zhuǎn)拋物面反射后變?yōu)槠叫泄饩€，再經(jīng)過復眼透鏡折射，從而得到大小滿足要求、均勻性較好的光斑。為了提高照明系統(tǒng)的光能利用率，在旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的正下方安放一個半球型的反光鏡，半球反光鏡的球心與半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的焦點重合。通過對仿真結(jié)果的分析得到，在滿足光能利用率和均勻性的前提下，該半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡能夠適用于1.3～1.7cm的光調(diào)制器。

其原理如圖1所示。

仿真

將光源放置在半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的焦點處，選取半球反光鏡時要與半旋轉(zhuǎn)拋物面相匹配，在理論上可以使光線全部反射。從光源發(fā)出的光線一部分被拋物面直接反射，一部分先由半球面反射再由拋物面反射。這樣從半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡出射的光線均為平行光線。將復眼透鏡陣列組合放置在光線的出射端，該陣列組合為兩排復眼透鏡。復眼透鏡的尺寸要與半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的尺寸相匹配，保證出射光線全部照射在復眼透鏡上。這樣的設(shè)計既能保證照明系統(tǒng)的一倍成像，又能降低光學器件的制作難度和加工成本。

在各種參數(shù)（如光源弧長、發(fā)光體的空間位置、角度）均與傳統(tǒng)反光鏡相同的情況下，利用光線追跡軟件Light Tools對半球-半拋物面反光鏡和復眼透鏡陣列進行仿真模擬，得出照度圖和坎德拉圖。

圖2　一維照度圖

圖3　三維照度圖

圖4　一維坎德拉圖

照度圖輸出為圖2和圖3所示?？驳吕瓐D為圖4和圖5所示。

通過對上述方案進行理論設(shè)計和仿真模擬可以得出，該方案基本達到了微投影儀照明系統(tǒng)的設(shè)計要求。

文中所提方案有以下特點：首先利用光線的反射原理采集光線，這樣既可以縮短光學器件的尺寸，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化；又可以減少光能損失。其次，采用半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復眼透鏡陣列組合，保證了該系統(tǒng)具有較高的均勻性與光能利用率。與傳統(tǒng)的橢球反光鏡、拋物線反光鏡、雙橢球面反光鏡相比，該系統(tǒng)的光能利用率顯著提高。

結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型微投影儀照明系統(tǒng)技術(shù)方案——半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復眼透鏡陣列相組合的方案，利用光線追跡軟件Light Tools對模型進行了仿真分析，得到了照明系統(tǒng)的一維和三維照度圖以及一維和三維坎德拉圖。通過與傳統(tǒng)反光鏡相比較，半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復眼透鏡陣列相組合的方案的光能利用率和均勻度均有較大的提升。為后續(xù)研究提供了技術(shù)支持。另外，文中將光源視為理想光源，忽略了光源的實際大小，這也是后續(xù)研究需要解決的問題。

圖5　三維坎德拉圖

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.003