1.本发明涉及照明领域，尤其涉及采用复眼透镜产生照度均匀的矩形光斑的照明光学系统。
背景技术：
2.在很多场合都需要均匀照明。在自动识别图像中，如果照明光不均匀，会导致识别效果较差，识别的准确率下降。在光敏固化工艺和集成电路光刻等工艺中，如果照明光不均匀，会导致产品的质量下降，合格率下降。
3.使用复眼照明系统可以实现均匀照明，复眼照明系统常使用光源、两块复眼透镜以及一个聚焦透镜，准直后的光线入射第一块复眼透镜，通过第一块复眼透镜中的子透镜聚焦在第二块复眼透镜上，光线再经过聚焦透镜照射在目标面上，各个子透镜形成的光场区域相互重叠，当子透镜孔径较小的时候，前述准直后的局部均匀的光线被子透镜分散到整个目标面上。
4.云竹溪、杨波、潘帅等人在《光学仪器》2020年第42卷第3期中公开了一种使用复眼透镜的匀光方法，实现了大面积均匀矩形的照明光斑，具体方法如下：点光源发出的光线经过凸透镜准直，再按顺序依次经过两块复眼透镜，在目标面上形成均匀的光斑，在这个方案中两块复眼透镜之间的距离受到严格的限制。
5.公开号为cn112462528a名称为“分区匀光照明光学系统、包括其的投射系统及电子设备”的中国专利申请中，使用微透镜阵列接收vcsel分区光源发射出的光束，再使用透镜成像，该专利申请用于垂直腔面发射激光器（vcsel），需要将光源分成多个分区，对分区的方向和间隔有严格的要求。
6.在现有的复眼照明系统中，光学系统较为复杂，体积较大，系统的装配要求较高，开发一种结构简单的均匀照明光学系统成为亟需解决的问题。
技术实现要素：
7.鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种采用复眼透镜的均匀照明光学系统，包括点光源、抛物面反射镜、复眼透镜、目标面；所述的点光源位于抛物面反射镜的焦点上；所述的抛物面反射镜将点光源发射的光线准直；准直后的光线经过复眼透镜；每条光线只经过一块复眼透镜；所述的目标面垂直于抛物面反射镜的对称轴；所述的复眼透镜含有多个子透镜；所述的子透镜为消球差透镜，光线经过的子透镜的平直表面和低阶非球面，所有子透镜的平直表面都在同一平面内，所述的平面垂直于抛物面反射镜的对称轴；在所述的平面内，子透镜都有矩形投影；准直后的光线从子透镜的平直表面进入子透镜；所有子透镜的外形和材料都是相同的，所有的子透镜的光轴都平行于抛物面反射
镜的对称轴；子透镜将光线聚焦后，光线继续传播，到达目标面；多个子透镜在目标面上形成的光场区域互相重叠，在目标面上所有子透镜的光场重叠区域形成照度均匀的矩形光斑；所述的子透镜矩形投影的长宽比与目标面上的矩形光斑的长宽比一致。
8.所述的低阶非球面满足下列表达式：，其中：是子透镜曲面的矢高，是低阶非球面顶点的曲率，是矢径，的取值范围是负1到负5之间。
9.本发明的有益效果是：(1)本技术公开的照明光学系统较为简单，每条光线只需要经过一块复眼透镜，就完成了匀光和投射到目标面的任务，成本较低，体积较小，容易装配，易于生产及加工；(2)消除子透镜的球差，目标面上矩形光斑辐照度均匀性好，光能利用率高，所有子透镜的外形和材料都是相同的，不仅便于加工，还降低了成本。（3）准直后的光线从子透镜的平直表面进入子透镜，进入子透镜时光线的入射角一致，降低了子透镜表面镀膜的难度，降低了成本，如果光线在表面各点的入射角不一致，各点的反射率不一样，很难做到所有点都消除反射光，杂散光较多，本技术也减小了杂散光，提高了光能利用率。
附图说明
10.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
11.图1是本发明的实施例中的均匀照明光学系统的示意图。
12.图2是本发明的实施例中的复眼透镜与目标面的示意图。
13.图3是本发明的实施例的单个子透镜光路示意图。
14.图4是本发明的实施例的点光源的辐射特性。
15.图5是本发明的实施例光线球差示意图。
16.图6是本发明的实施例的单个子透镜示意图。
17.图7是本发明的实施例的目标面上辐照度分布。
18.图8是实施例的目标面上x方向的辐照度分布。
19.图9是实施例的目标面上y方向的辐照度分布。
20.图10是实施例的子透镜坐标系。
21.图中：1.点光源，2. 抛物面反射镜，3.复眼透镜，31.子透镜，311.平直表面，312.低阶非球面，4.目标面，41.矩形光斑，5.光线。
具体实施方式
22.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
23.在本发明的描述中，需要理解的是：术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.下文提供了不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
25.图1和图2是本发明的实施例中的一种采用复眼透镜的均匀照明光学系统示意图，图中的照明光学系统包括点光源、抛物面反射镜、复眼透镜、目标面；水平方向为z坐标，向右为正方向，竖直方向为y坐标，向上为正方向，抛物面反射镜左下方顶点为坐标原点，点光源位于抛物面反射镜的焦点上，抛物面反射镜将点光源发射的光线准直；准直后的光线经过复眼透镜，每条光线只经过一块复眼透镜；目标面垂直于抛物面反射镜的对称轴。
26.在图2中，复眼透镜将光束投射到目标面上，复眼透镜含有多个子透镜，子透镜为消球差透镜，单个子透镜的光路如图3所示，光线经过的子透镜的平直表面和低阶非球面，准直后的光线从子透镜的平直表面进入子透镜，子透镜将光线聚焦后，光线继续传播，到达目标面；各个子透镜在目标面上形成的光场区域互相重叠，在目标面上所有子透镜的光场重叠区域形成照度均匀的矩形光斑。
27.在图1和图2中，所有子透镜的平直表面都在同一平面内，该平面垂直于抛物面反射镜的对称轴；所有的子透镜的光轴都平行于抛物面反射镜的对称轴；所有子透镜的外形和材料都是相同的，不仅便于加工，还降低了成本。
28.实施例中采用led作为点光源，当光源的发光部分的尺寸远小于抛物面反射镜的焦距时，可以将光源当作点光源。led的角度辐射特性如图4所示，参考图1， led光源的主方向向上，正上方的光线较强，指向左上方和右上方的光线较弱，被抛物面反射后，光束中心强，周边弱，在进入复眼透镜前光束强度分布不均匀。复眼透镜放置在抛物面反射镜的光路下游，强度分布不均匀的光束通过复眼透镜，光束均匀照射在目标面上。
29.参考图5，一束平行于光轴的光线照射到一个子透镜，被子透镜汇聚，如果子透镜没有像差，光线将汇聚在焦点f’，子透镜边缘的光线ab被子透镜折射后为cf’；如果透镜存在球差，子透镜将边缘光线ab折射到f0’
，f0’
在像方焦点f’左侧，cf0’
与光轴的夹角比理想值（cf’与光轴的夹角）大，将导致目标面光斑边缘光线的辐照度下降，目标面上的光斑照度中心强、边缘弱；子透镜的孔径越大，边缘光线角度偏离的越多，光斑越不均匀。
30.所有子透镜的平直表面都在同一平面内，所述的平面垂直于抛物面反射镜的对称轴；在所述的平面内，子透镜都有矩形投影；参考图6，efgh是子透镜的平直表面，efgh所在的平面垂直于子透镜光轴，子透镜光轴平行于抛物面反射镜的对称轴，efgh所在的平面垂直于抛物面反射镜的对称轴，在该平面内所有的子透镜都有矩形投影，图6中的子透镜在该平面的投影就是矩形efgh。
31.参考图1和图2，本发明的实施例中抛物面反射镜的对称轴沿水平方向，目标面的光斑长为8m、宽为3m，目标面与复眼透镜的水平距离为25m。子透镜的矩形投影的长宽比与目标面上的矩形光斑的长宽比一致，目标面上的矩形光斑的长宽比是8:3，图6中的子透镜的矩形投影efgh的长宽比（fg:gh）也为8:3；子透镜长为0.8mm，宽为0.3mm，子透镜厚度为
3mm，焦距为2.5mm。图7是实施例的目标面上辐照度分布，颜色越深表示照度越高；图8是目标面上x方向的辐照度分布，图8是沿着图7矩形光斑中心的水平线给出各点的辐照度，矩形光斑的中心点的x坐标为0，光斑的长度为8米；图9是目标面上y方向的辐照度分布，图9是沿着图7矩形光斑中心的竖直线给出各点的辐照度，矩形光斑的中心点的y坐标为0，光斑的宽度为3米；图8和图9中纵坐标表示辐照度，在图7、图8、图9中辐照度单位是watts/cm2。
32.在图10的坐标系中，子透镜的低阶非球面满足下列表达式：，其中：是子透镜曲面的矢高，表示低阶非球面的点的坐标；是低阶非球面顶点的曲率，图10中低阶非球面顶点在坐标原点；是矢径，表示低阶非球面的点到轴的距离；是圆锥系数，的取值范围是负1到负5之间，越大，对影响越大，面型越偏离球面。
33.在实施例中，使用光学设计软件计算和，先建立单个子透镜和目标面的光学模型，将和设置为变量，在软件中指定消除球差，优化得到完全消除球差的透镜参数和，然后建立包含点光源、抛物面反射镜、复眼透镜和目标面的完整的光学模型，将所有子透镜的参数设置为前述优化得到的和，根据光斑内部的照度均匀性要求，手动和/或让软件自动修改值，然后仿真计算光斑的均匀度，如果光斑的均匀度不能满足要求，再次调整值，直到光斑内的照度均匀性满足要求。
34.zemax是常用的光学设计软件，在实施例中，使用zemax中的序列模式，按照图3建立单个子透镜和目标面的光学模型，得到完全消除球差的透镜参数和，此时图5中光线汇聚在f’点，然后使用zemax中的非序列模式，按照图1和图2建立包含点光源、抛物面反射镜、复眼透镜和目标面的完整的光学模型，将所有子透镜的参数设置为前述优化得到的和，此时目标面上光斑内部照度不均匀，由于客户要求光斑中感兴趣的区域的照度均匀性好于0.9（照度最小值除以照度最大值），需要手动和/或让软件自动修改值。在实施例中的最终值为-1.82，是-0.825 mm-1
，是从0到0.427mm，通过上式计算出。本领域的技术人员使用其他的光学仿真软件也能得到透镜参数和。
35.通常led光源的功率有限，如果要求目标面上光斑的照度的数值较大，单个led光源不能满足目标面照度的数值要求，按照本技术公布的方案构建多个照明光学系统，每个照明光学系统都在目标面上形成照度均匀的光斑，多个照明光学系统形成的光斑互相重合，在重合的区域，照度就能够达到较大的数值，并且是均匀的。
36.按照本技术公布的方案构建多个照明光学系统，多个照明光学系统共用一块复眼透镜和/或一个抛物面反射镜和/或一个点光源，多个照明光学系统形成的光斑互相重合，在重合的区域，照度仍然是均匀的，这是将多个本技术公开的照明光学系统进行简单的叠加。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。