一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法

本发明属于照明光学系统设计领域，特别涉及一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法。

背景技术：

1、照明系统是激光目标模拟器的关键，高能量利用率和高均匀度的照明系统可以使模拟器的投影系统也具有优异的投影效果和较高的能量利用率，从而减少散热压力。因此，高能量利用率和均匀度的照明系统是激光目标模拟器光学系统设计中的一个关键问题。

2、为了增加接收范围，需要使用非成像光学器件对激光光束进行有效扩束准直，这也会导致系统的总尺寸增大。因此，如何在均匀度、能量利用率和系统尺寸之间取得平衡是照明系统设计中一个具有挑战性的任务。

技术实现思路

1、为了解决现有激光目标模拟器的照明光学系统能量利用率低和均匀度差的问题，本发明提供一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，通过dmd参数来确定蝇眼透镜阵列(fela)的最佳尺寸，以提高系统的能量利用率；采用tir棱镜组，以缩减后截距，减小系统尺寸，同时通过全反射定律和snell定律计算tir棱镜组的最优参数，并通过仿真分析确定照明光束进入tir棱镜组的最佳入射角，即tir棱镜组的最佳偏转角度，提高能量利用率；基于scheimpflug原理计算出了dmd的最佳偏转角度，解决由tir棱镜组的插入造成的像面变形问题，提高了系统的均匀度。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，所述照明光学系统主要由激光光源、准直扩束透镜组、蝇眼透镜阵列单元、中继透镜组、tir棱镜组和dmd组成；激光光源射出的照明光束经过准直扩束透镜组，使照明光束完全覆盖显示芯片，然后通过复眼透镜阵列进行匀光后出射至中继透镜组，经中继透镜组会聚光束并使其成形后垂直入射至tir棱镜组，在tir棱镜组发生全反射后均匀照射到dmd上，并从投影系统中导出dmd离态光束，dmd用于模拟场景目标；

4、所述优化设计方法包括以下步骤：

5、s1、通过dmd参数确定蝇眼透镜阵列的最佳尺寸；

6、s2、通过全反射定律和snell定律计算tir棱镜组的最优参数，并通过仿真分析tir棱镜组的最佳偏转角度；

7、s3、基于scheimpflug原理计算dmd的最佳偏转角度。

8、进一步地，所述蝇眼透镜阵列采用大小相等的两排蝇眼透镜阵列，第一排蝇眼透镜阵列将照明光束细分成细光束，第二排蝇眼透镜阵列对细光束重新成像后出射至中继透镜组前表面。

9、进一步地，所述步骤s1包括：

10、蝇眼透镜阵列是由若干蝇眼透镜单元以阵列形式排列组成的，根据蝇眼透镜的工作原理，蝇眼透镜阵列的参数包括中继镜组焦距f2、照明面尺寸h、蝇眼透镜焦距f1和蝇眼透镜单元尺寸d1，上述参数之间的关系式如下：

11、

12、式中，照明面尺寸h为dmd靶面尺寸；中继系统焦距f2通过照明光学系统f数和中继透镜组的通光孔径得出；蝇眼透镜阵列与dmd芯片的长宽比例保持一致，根据dmd芯片的尺寸确定蝇眼透镜阵列的单元数目、阵列形式及蝇眼透镜单元尺寸；

13、确定了蝇眼透镜单元数目后，代入上式即解出蝇眼透镜焦距f1；

14、进而根据下式求得蝇眼透镜阵列中蝇眼透镜单元的曲率半径r：

15、

16、式中，n为蝇眼透镜材料的折射率。

17、进一步地，所述tir棱镜组由三角棱镜g1和三角棱镜g2组合而成，三角棱镜g1包括s1面、s2面和s3面，三角棱镜g2包括s4面、s5面以及与s2面平行设置的倾斜面。

18、进一步地，所述步骤s2包括：

19、s21.确定tir棱镜组要满足的设计条件；

20、s22.tir棱镜组的关键角度计算；

21、s23.通过lighttools仿真获得tir棱镜组的最佳偏转角度。

22、进一步地，所述步骤s21中，tir棱镜组要满足三个设计条件：

23、1)照明系统的光束进入tir棱镜组，在三角棱镜g1的s2面发生全反射后均匀照射到dmd上；

24、2)当dmd反射的光束通过tir棱镜组时，离态光束被充分反射远离投影系统，而通态光束则垂直进入投影系统；

25、3)三角棱镜的各面长度以及整体厚度要大于照明光束的大小。

26、进一步地，所述步骤s22包括：

27、tir棱镜组采用的玻璃材料是成都光明的h-k9l型玻璃，其折射率为1.5168，通过全反射定理，采用以下公式求得光束在三角棱镜g1的s2面的反射角∠c的值：

28、

29、式中，nh-k9l为三角棱镜g1的s2面材料的折射率；

30、根据snell定律可求得θ1的值：

31、

32、式中，θ1为三角棱镜g1的s2面反射光到s3面的入射角；θdmd为dmd的偏转角的2倍；nair为空气折射率；

33、再通过几何关系，计算得到tir棱镜组的所有角度：

34、

35、由于照明光束的直径要大于dmd芯片大小，因此根据dmd芯片大小设计三角棱镜g1和三角棱镜g2各个面的长度。

36、进一步地，所述步骤s3包括：

37、照明光学系统和投影系统之间的光轴夹角用公式表示为：

38、

39、在所述照明光学系统中，物面为光源，像面为dmd；

40、dmd的最佳偏转角度用公式表示为：

41、

42、式中，是是入射照明光束的光轴与投影系统的夹角；β光学系统的放大倍数，β＝ddmd/d0，d0为激光器的有效发射孔径。

43、本发明具有以下优点：

44、本发明提供一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，通过dmd参数来确定蝇眼透镜阵列(fela)的最佳尺寸，以提高系统的能量利用率；

45、采用tir棱镜组，以缩减后截距，减小系统尺寸，使系统整体结构紧凑；同时通过全反射定律和snell定律计算tir棱镜组的最优参数，并通过仿真分析确定照明光束进入tir棱镜组的最佳入射角，即tir棱镜组的最佳偏转角度，提高能量利用率，在保证能量利用率变化不大的前提下提高了均匀度；

46、基于scheimpflug原理计算出了dmd的最佳偏转角度，解决由tir棱镜组的插入造成的像面变形问题，进一步提高了系统的均匀度。

47、本发明确定激光目标模拟器中照明系统均匀度和能量利用率之间的最佳关系，在减小系统尺寸的同时提高了系统的均匀度和能量利用率，为目标模拟器的设计或目标场景仿真提供了研究思路。

技术特征：

1.一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述照明光学系统主要由激光光源、准直扩束透镜组、蝇眼透镜阵列单元、中继透镜组、tir棱镜组和dmd组成；激光光源射出的照明光束经过准直扩束透镜组，使照明光束完全覆盖显示芯片，然后通过复眼透镜阵列进行匀光后出射至中继透镜组，经中继透镜组会聚光束并使其成形后垂直入射至tir棱镜组，在tir棱镜组发生全反射后均匀照射到dmd上，并从投影系统中导出dmd离态光束，dmd用于模拟场景目标；

2.如权利要求1所述的一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述蝇眼透镜阵列采用大小相等的两排蝇眼透镜阵列，第一排蝇眼透镜阵列将照明光束细分成细光束，第二排蝇眼透镜阵列对细光束重新成像后出射至中继透镜组前表面。

3.如权利要求1所述的一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤s1包括：

4.如权利要求1所述的一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述tir棱镜组由三角棱镜g1和三角棱镜g2组合而成，三角棱镜g1包括s1面、s2面和s3面，三角棱镜g2包括s4面、s5面以及与s2面平行设置的倾斜面。

5.如权利要求4所述的一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤s2包括：

6.如权利要求5所述的一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤s21中，tir棱镜组要满足三个设计条件：

7.如权利要求5所述的一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤s22包括：

8.如权利要求1所述的一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

技术总结
本发明公开了一种高能量利用率和高均匀度的照明光学系统优化设计方法，照明光学系统主要由激光光源、准直扩束透镜组、蝇眼透镜阵列单元、中继透镜组、TIR棱镜组和DMD组成；优化设计方法包括以下步骤：通过DMD参数确定蝇眼透镜阵列的最佳尺寸；通过全反射定律和Snell定律计算TIR棱镜组的最优参数，并通过仿真分析TIR棱镜组的最佳偏转角度；基于Scheimpflug原理计算DMD的最佳偏转角度。本发明确定激光目标模拟器中照明系统均匀度和能量利用率之间的最佳关系，在减小系统尺寸的同时提高了系统的均匀度和能量利用率，为目标模拟器的设计或目标场景仿真提供了研究思路。

技术研发人员：王凌云,邵会博,穆思达,王一丹,郑茹,何洋
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/30