基于液体透镜的复眼透镜阵列的照明特性研究

郭昊成 黄宇欣 郭方正

摘要：复眼透镜是由多个小透镜集成排列而成，将两个复眼阵列平行排列可使透过其的光线分布更加均匀。其关键在于提高其光照的均匀性。本文基于复眼透镜阵列均匀照明的原理，模拟分析了复眼透镜和复眼透镜子眼由焦距可变液体透镜对照明效果的影响。经仿真得出基于液体透镜的复眼阵列可做到照度可控，可增强其使用灵活性和应用范围

关键词：复眼透镜;均匀照明;液体透镜

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）29-0210-02

复眼透镜目前使用非常广泛，在均匀照明领域也有使用，通过复眼阵列可使光线均匀分布。液体透镜技术目前使用也较为广泛，通过改变液体两端电压可以改变其表面形状，从而改变焦距。该技术应用范围十分广泛，在许多需要变焦调焦的场景下都可使用，例如手机镜头等。利用液体透镜的特点可以提高照明亮度。液体透镜可利用曲率半径可控的特点最大化的仿真生物的复眼功能，这是基于普通焦距固定的透镜的复眼做不到的。本文采用Solidworks和Lighttools软件来仿真模拟整个照明系统。利用均匀照明原理设计复眼阵列，在此基础上利用液体透镜取代传统透镜，仿真实现基于液体透镜的复眼阵列，从改变照度和光线离散程度的角度出发，进一步提高复眼透镜阵列照明的性能。

1 仿真设计

复眼透镜应用于均匀光照系统需要两个复眼阵列平行排列，如图1，两个复眼阵列中各个小眼透镜焦点平行，光轴也平行。在第二个复眼阵列后方放置一个调焦透镜，从而形成均匀照明系统。

复眼透镜应用于均匀光照的原理：光线射入第一个复眼阵列后，通过各个小眼使光线聚焦在第二个阵列上，第一个复眼阵列将光线细分为多个小光线。因为第一个复眼阵列将光束细分，且每个细小光束互相叠加，使光线更加均匀，极大地提高了光能量的利用率。光束继续经过第二个复眼阵列后聚集在屏幕上，从而使光斑能量可以均匀分布，同时，光源内的光线又互相叠加，所以得到一个均匀分布的光斑。

其中准直输入光线为输入光线保持为平行光线。光积分阵列为复眼透镜阵列，调焦透镜为一固定焦距透镜，传统复眼均匀光照系统通过调整调焦透镜位置来改变照明面积，本文做定焦讨论。

2 光照度特性分析

采用Lighttools光学设计软件来模拟均匀照明系统。均匀照明系统由光源、准直器、液体透镜复眼透镜阵列、调焦透镜、屏幕组成。仿真时采用透镜阵列是5行9列的复眼透镜。光源为点光源，功率100瓦特，点光源出射的光通过准直器后平行入射到复眼透镜阵列上，复眼透镜模拟的均匀照明系统的模型图如图2所。

如图2所示，点光源发出光线先后，经过准直器成为平行光线，经过厚度为2mm的复眼阵列1和复眼阵列2，调焦透镜，最后由屏幕接收形成图像。

通过图3，图4分析，复眼透镜小眼曲率半径减小后，光线更加集中。在聚光镜焦距不变的情况下，照明面积明显缩小。这是因为减小复眼阵列小眼曲率半径时，复眼透镜上的小透镜将光束细分，增大了入射到屏幕上光束的发散角。此时，传统复眼均匀照明系统需改变复眼阵列排布和小眼数量来改变照明效果。本项目将液体透镜集成于复眼阵列以代替传统透镜，通过改变液体透镜两端电压可随时改变照明系统的照度和光照面积。

通过控制液体透镜外加驱动电压，使得液体界面曲率发生变化，从改变了整体复眼的聚焦能力，图4是采用5x9的液体透镜复眼透镜阵列仿真得到的照明效果。在确保其他条件不变的情况下，更改复眼透镜阵列的每个小眼的曲率半径。从图5可以看出，随着复眼子眼单元曲率半径的增大，光照度逐渐增强，光照半径也逐渐增大，其照明效果的变化规律也如图5所示。说明可变焦子眼单元可以对于复眼系统的光照均匀性进行精确控制，对照明系统的性能提升效果明显，可以明显看到有复眼的透镜阵列提供的辐照度分布均匀性更好，复眼透镜通常用于提高光源在照明平面的均匀性。所使用到的两个透镜阵列分别称为物镜阵列和场镜阵列，它们和聚光镜一起组成均匀照明系统。物镜阵列将光源成像在场镜阵列处。场镜阵列和聚光镜一起将所有视场角的光线重叠在照明平面处，并得到均勻的辐照度分布。在改变复眼子眼的衄率半径大小后，屏幕上接收照度和平均照度都随之增加。

3 结论

本文提出了理论上实现基于可变焦液体透镜子眼的复眼系统，研究了复眼阵列上小眼曲率对于光照均匀性的控制变化规律。通过Lighttools软件模拟的仿真结果表明，传统的复眼均匀光照系统改变均匀照明的面积和亮度只能通过改变调焦透镜的位置和光源强度来实现，过程较麻烦且会使系统结构变得不紧凑。本项目用液体透镜取代传统透镜集成于复眼阵列上。可随时实现对均匀光照系统光照面积和光照强度的改变。

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【通联编辑：唐一东】

作者简介：郭昊成（1998-），男，新疆哈密人，本科，主要研究方向为电子科学与技术;郭方正（1998-），男，江苏南京人，本科，主要研究方向为电子科学与技术;黄宇欣（2000-），男，湖南常德人，本科，主要研究方向为电子科学与技术。