师小波 李浩宇 陈慧宁 王巧梭 周雪辉

半球-半旋转抛物面反光镜研究

师小波 李浩宇 陈慧宁 王巧梭 周雪辉

本文提出了一种新的均匀照明系统，它由一个半球—半旋转抛物面反光镜和复眼透镜阵列组成。通过光学工程软件Light Tools对其进行仿真模拟，得到输出照度图和坎德拉图。为后续设计提供支持。

在微投影仪照明系统设计中，为了提高光能利用率，通常需要利用光学器件如反光镜对出射光线进行光束整形。本文提出了半球—半旋转抛物面反光镜和复眼透镜阵列组成的微投影仪照明系统，并用Light Tools对其进行仿真模拟。

原理

图1　半球—半旋转抛物面反光镜与复眼透镜阵列组合

在传统的微投影仪照明系统中常用的反光镜有椭球反光镜、抛物线反光镜、双椭球面反光镜。通过对上述反光镜的性质及工作原理的分析，论文提出了一种新型反光镜——半球-半旋转抛物面反光镜，并与复眼透镜阵列组合，从而提高照明系统的光能利用率，改善光斑的均匀性。其工作原理是利用旋转抛物面的性质，光线从焦点射出经半旋转抛物面反射后变为平行光线，再经过复眼透镜折射，从而得到大小满足要求、均匀性较好的光斑。为了提高照明系统的光能利用率，在旋转抛物面反光镜的正下方安放一个半球型的反光镜，半球反光镜的球心与半旋转抛物面反光镜的焦点重合。通过对仿真结果的分析得到，在满足光能利用率和均匀性的前提下，该半球-半旋转抛物面反光镜能够适用于1.3～1.7cm的光调制器。

其原理如图1所示。

仿真

将光源放置在半旋转抛物面反光镜的焦点处，选取半球反光镜时要与半旋转抛物面相匹配，在理论上可以使光线全部反射。从光源发出的光线一部分被抛物面直接反射，一部分先由半球面反射再由抛物面反射。这样从半球-半旋转抛物面反光镜出射的光线均为平行光线。将复眼透镜阵列组合放置在光线的出射端，该阵列组合为两排复眼透镜。复眼透镜的尺寸要与半球-半旋转抛物面反光镜的尺寸相匹配，保证出射光线全部照射在复眼透镜上。这样的设计既能保证照明系统的一倍成像，又能降低光学器件的制作难度和加工成本。

在各种参数（如光源弧长、发光体的空间位置、角度）均与传统反光镜相同的情况下，利用光线追迹软件Light Tools对半球-半抛物面反光镜和复眼透镜阵列进行仿真模拟，得出照度图和坎德拉图。

图2　一维照度图

图3　三维照度图

图4　一维坎德拉图

照度图输出为图2和图3所示。坎德拉图为图4和图5所示。

通过对上述方案进行理论设计和仿真模拟可以得出，该方案基本达到了微投影仪照明系统的设计要求。

文中所提方案有以下特点：首先利用光线的反射原理采集光线，这样既可以缩短光学器件的尺寸，更容易实现系统的微型化；又可以减少光能损失。其次，采用半球—半旋转抛物面反光镜与复眼透镜阵列组合，保证了该系统具有较高的均匀性与光能利用率。与传统的椭球反光镜、抛物线反光镜、双椭球面反光镜相比，该系统的光能利用率显著提高。

结语

本文设计了一种新型微投影仪照明系统技术方案——半球-半旋转抛物面反光镜与复眼透镜阵列相组合的方案，利用光线追迹软件Light Tools对模型进行了仿真分析，得到了照明系统的一维和三维照度图以及一维和三维坎德拉图。通过与传统反光镜相比较，半球-半旋转抛物面反光镜与复眼透镜阵列相组合的方案的光能利用率和均匀度均有较大的提升。为后续研究提供了技术支持。另外，文中将光源视为理想光源，忽略了光源的实际大小，这也是后续研究需要解决的问题。

图5　三维坎德拉图

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.003