基于液體透鏡的復(fù)眼透鏡陣列的照明特性研究

郭昊成 黃宇欣 郭方正

摘要：復(fù)眼透鏡是由多個(gè)小透鏡集成排列而成，將兩個(gè)復(fù)眼陣列平行排列可使透過其的光線分布更加均勻。其關(guān)鍵在于提高其光照的均勻性。本文基于復(fù)眼透鏡陣列均勻照明的原理，模擬分析了復(fù)眼透鏡和復(fù)眼透鏡子眼由焦距可變液體透鏡對照明效果的影響。經(jīng)仿真得出基于液體透鏡的復(fù)眼陣列可做到照度可控，可增強(qiáng)其使用靈活性和應(yīng)用范圍

關(guān)鍵詞：復(fù)眼透鏡;均勻照明;液體透鏡

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）29-0210-02

復(fù)眼透鏡目前使用非常廣泛，在均勻照明領(lǐng)域也有使用，通過復(fù)眼陣列可使光線均勻分布。液體透鏡技術(shù)目前使用也較為廣泛，通過改變液體兩端電壓可以改變其表面形狀，從而改變焦距。該技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，在許多需要變焦調(diào)焦的場景下都可使用，例如手機(jī)鏡頭等。利用液體透鏡的特點(diǎn)可以提高照明亮度。液體透鏡可利用曲率半徑可控的特點(diǎn)最大化的仿真生物的復(fù)眼功能，這是基于普通焦距固定的透鏡的復(fù)眼做不到的。本文采用Solidworks和Lighttools軟件來仿真模擬整個(gè)照明系統(tǒng)。利用均勻照明原理設(shè)計(jì)復(fù)眼陣列，在此基礎(chǔ)上利用液體透鏡取代傳統(tǒng)透鏡，仿真實(shí)現(xiàn)基于液體透鏡的復(fù)眼陣列，從改變照度和光線離散程度的角度出發(fā)，進(jìn)一步提高復(fù)眼透鏡陣列照明的性能。

1 仿真設(shè)計(jì)

復(fù)眼透鏡應(yīng)用于均勻光照系統(tǒng)需要兩個(gè)復(fù)眼陣列平行排列，如圖1，兩個(gè)復(fù)眼陣列中各個(gè)小眼透鏡焦點(diǎn)平行，光軸也平行。在第二個(gè)復(fù)眼陣列后方放置一個(gè)調(diào)焦透鏡，從而形成均勻照明系統(tǒng)。

復(fù)眼透鏡應(yīng)用于均勻光照的原理：光線射入第一個(gè)復(fù)眼陣列后，通過各個(gè)小眼使光線聚焦在第二個(gè)陣列上，第一個(gè)復(fù)眼陣列將光線細(xì)分為多個(gè)小光線。因?yàn)榈谝粋€(gè)復(fù)眼陣列將光束細(xì)分，且每個(gè)細(xì)小光束互相疊加，使光線更加均勻，極大地提高了光能量的利用率。光束繼續(xù)經(jīng)過第二個(gè)復(fù)眼陣列后聚集在屏幕上，從而使光斑能量可以均勻分布，同時(shí)，光源內(nèi)的光線又互相疊加，所以得到一個(gè)均勻分布的光斑。

其中準(zhǔn)直輸入光線為輸入光線保持為平行光線。光積分陣列為復(fù)眼透鏡陣列，調(diào)焦透鏡為一固定焦距透鏡，傳統(tǒng)復(fù)眼均勻光照系統(tǒng)通過調(diào)整調(diào)焦透鏡位置來改變照明面積，本文做定焦討論。

2 光照度特性分析

采用Lighttools光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來模擬均勻照明系統(tǒng)。均勻照明系統(tǒng)由光源、準(zhǔn)直器、液體透鏡復(fù)眼透鏡陣列、調(diào)焦透鏡、屏幕組成。仿真時(shí)采用透鏡陣列是5行9列的復(fù)眼透鏡。光源為點(diǎn)光源，功率100瓦特，點(diǎn)光源出射的光通過準(zhǔn)直器后平行入射到復(fù)眼透鏡陣列上，復(fù)眼透鏡模擬的均勻照明系統(tǒng)的模型圖如圖2所。

如圖2所示，點(diǎn)光源發(fā)出光線先后，經(jīng)過準(zhǔn)直器成為平行光線，經(jīng)過厚度為2mm的復(fù)眼陣列1和復(fù)眼陣列2，調(diào)焦透鏡，最后由屏幕接收形成圖像。

通過圖3，圖4分析，復(fù)眼透鏡小眼曲率半徑減小后，光線更加集中。在聚光鏡焦距不變的情況下，照明面積明顯縮小。這是因?yàn)闇p小復(fù)眼陣列小眼曲率半徑時(shí)，復(fù)眼透鏡上的小透鏡將光束細(xì)分，增大了入射到屏幕上光束的發(fā)散角。此時(shí)，傳統(tǒng)復(fù)眼均勻照明系統(tǒng)需改變復(fù)眼陣列排布和小眼數(shù)量來改變照明效果。本項(xiàng)目將液體透鏡集成于復(fù)眼陣列以代替?zhèn)鹘y(tǒng)透鏡，通過改變液體透鏡兩端電壓可隨時(shí)改變照明系統(tǒng)的照度和光照面積。

通過控制液體透鏡外加驅(qū)動(dòng)電壓，使得液體界面曲率發(fā)生變化，從改變了整體復(fù)眼的聚焦能力，圖4是采用5x9的液體透鏡復(fù)眼透鏡陣列仿真得到的照明效果。在確保其他條件不變的情況下，更改復(fù)眼透鏡陣列的每個(gè)小眼的曲率半徑。從圖5可以看出，隨著復(fù)眼子眼單元曲率半徑的增大，光照度逐漸增強(qiáng)，光照半徑也逐漸增大，其照明效果的變化規(guī)律也如圖5所示。說明可變焦子眼單元可以對于復(fù)眼系統(tǒng)的光照均勻性進(jìn)行精確控制，對照明系統(tǒng)的性能提升效果明顯，可以明顯看到有復(fù)眼的透鏡陣列提供的輻照度分布均勻性更好，復(fù)眼透鏡通常用于提高光源在照明平面的均勻性。所使用到的兩個(gè)透鏡陣列分別稱為物鏡陣列和場鏡陣列，它們和聚光鏡一起組成均勻照明系統(tǒng)。物鏡陣列將光源成像在場鏡陣列處。場鏡陣列和聚光鏡一起將所有視場角的光線重疊在照明平面處，并得到均勻的輻照度分布。在改變復(fù)眼子眼的衄率半徑大小后，屏幕上接收照度和平均照度都隨之增加。

3 結(jié)論

本文提出了理論上實(shí)現(xiàn)基于可變焦液體透鏡子眼的復(fù)眼系統(tǒng)，研究了復(fù)眼陣列上小眼曲率對于光照均勻性的控制變化規(guī)律。通過Lighttools軟件模擬的仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)的復(fù)眼均勻光照系統(tǒng)改變均勻照明的面積和亮度只能通過改變調(diào)焦透鏡的位置和光源強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，過程較麻煩且會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得不緊湊。本項(xiàng)目用液體透鏡取代傳統(tǒng)透鏡集成于復(fù)眼陣列上?？呻S時(shí)實(shí)現(xiàn)對均勻光照系統(tǒng)光照面積和光照強(qiáng)度的改變。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

作者簡介：郭昊成（1998-），男，新疆哈密人，本科，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù);郭方正（1998-），男，江蘇南京人，本科，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù);黃宇欣（2000-），男，湖南常德人，本科，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。