[发明专利]基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法

权利要求书

1.一种基于自由曲面的均匀照明系统，其特征在于，所述基于自由曲面的均匀照明系统包括：

准直模块(120)，包括双自由曲面准直透镜阵列，所述准直模块(120)用于接收光源(110)光线，并形成准直光线；

光学积分器(130)，用于接收所述准直光线，并形成多个细光束重新混合；

准直扩束系统(140)，用于接收混合后的所述细光束，并形成均匀照明光斑。

2.根据权利要求1所述的基于自由曲面的均匀照明系统，其特征在于，所述光学积分器(130)包括多个微透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的基于自由曲面的均匀照明系统，其特征在于，所述准直扩束系统(140)包括依次设置的负透镜组(141)、凸透镜(144)和出光光阑(145)。

4.一种基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法包括：

设计准直模块(120)，所述准直模块(120)包括双自由曲面准直透镜阵列，所述准直模块(120)用于接收光源(110)光线，并形成准直光线；

设计光学积分器(130)，所述光学积分器(130)用于接收所述准直光线，并形成多个细光束重新混合；

设计准直扩束系统(140)，所述准直扩束系统(140)用于接收混合后的所述细光束，并形成均匀照明光斑。

5.根据权利要求4所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述准直模块(120)的透镜结构采用双自由曲线绕中心轴旋转而成。

6.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述设计准直模块(120)的步骤包括：

定义所述准直模块(120)的透镜材料折射率为n，空气折射率为n₀＝1；

选择的模拟光源(110)光强分布为朗伯分布：I＝I₀cosθ，θ为出光角度的限定值，且只对光源(110)角范围：0°～θ之内的光线进行准直控制。

7.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述光学积分器(130)包括多个微透镜阵列。

8.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述设计光学积分器(130)的焦距与透镜半径之间的关系是：

式中，f_e为焦距，r为透镜半径，n为透镜折射率。

9.根据权利要求5所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述准直扩束系统(140)包括依次设置的负透镜组(141)、凸透镜(144)和出光光阑(145)。

10.根据权利要求9所述的基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，其特征在于，所述准直扩束系统(140)满足以下关系：

式中，Y_i为扩束前的光斑半高，Y_o为扩束后的光斑半高，d₁为凹透镜到虚像位置的距离，d₂为凹透镜与凸透镜的距离，f₁为凹透镜的焦距，f₂为凸透镜的焦点，n_b为扩束系统放大倍率。