一种自由曲面反射镜的设计方法及单色整形投影系统与流程

本申请涉及投影成像领域，特别是涉及一种自由曲面反射镜的设计方法及单色整形投影系统。

背景技术：

1、数字光处理技术(digital lightprocessing，dlp)是一种将数字微镜器件(digital micromirrordevice，dmd)作为关键处理元件以实现数字光学处理过程的数字信息显示技术。dmd能够将接收的信号转化为可控的光信号，由若干微镜构成，每个微镜分为开态和关态，在开态时维持+12°的翻转角度，关态时维持-12°的翻转角度，通过控制微镜的角度来控制出射光角度，从而控制出射光是否进入投影光学系统。dlp技术对于光学系统的入射角、入射光线角度、出射角、出射光线角度、有效光占比、有效光色、光色均匀性、照度均匀性等都具有特定的要求，而这些特定的要求将导致整个光学系统在设计时受到较大的制约。

2、现有技术中使用了复眼匀光镜片对入射光进行匀光：其优点是可以形成均匀的矩形光斑(dmd形状为矩形)；其缺点一是需要较长的光路才能进行匀光，致使形成的产品体积大，不适用于狭窄空间的要求，二是需要额外增加光学器件才能实现光路转折，从而进一步增大产品体积，三是仅具备匀光的功能，不能独立控制光线的入射或出射角度，从而不能适配不同的dmd或投影光学系统。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种自由曲面反射镜的设计方法及单色整形投影系统，可实现照度均匀匹配，提高系统光效。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种自由曲面反射镜的设计方法，包括：

4、获取入射光线的信息数据；所述信息数据包括：入射角度和反射后的出射位置；所述入射角度是基于入射光路、自由曲面器件以及数字微镜器件的相对位置确定的；

5、基于光线反射定律和角度关系，根据所述信息数据确定出射位置在自由曲面器件处对应的曲面斜率以及自由曲面器件的面型尺寸；所述面型尺寸是基于出射位置确定的；

6、基于所述面型尺寸，采用有限元划分的方法，对所述自由曲面器件进行划分，得到网格矩阵；

7、根据所述曲面斜率和所述网格矩阵，采用变形非球面的光线路径计算方法，确定每个网格的位置信息；

8、根据各个网格的位置信息，将各个网格进行连接或者平整过度处理，得到自由曲面器件的面型；

9、基于自由曲面器件的面型确定自由曲面反射镜。

10、可选地，基于光线反射定律和角度关系，根据所述信息数据确定出射位置在自由曲面器件处对应的曲面斜率以及自由曲面器件的面型尺寸，具体包括：

11、基于光线反射定律，根据所述信息数据确定光线反射路径；

12、根据角度关系以及所述光线反射路径，确定出射位置在自由曲面器件处对应的曲面斜率；

13、确定自由曲面器件的面型尺寸；所述面型尺寸是基于出射位置确定的。

14、可选地，变形非球面的光线路径计算方法，具体包括：

15、

16、其中，z为自由曲面器件中曲面的失高；cx为x方向的曲率；x为透镜沿x方向的半口径；cy为y方向的曲率；y为透镜沿y方向的半口径；kx为x方向的二次曲面常数；ky为y方向的二次曲面常数；n为多项式的n阶项系数，n最大为10；a2n为对称系数；b2n为非对称系数。

17、可选地，所述光线反射定律包括：

18、θi＝θr；

19、其中，θi为入射角度；θr为反射角度。

20、可选地，所述角度关系中主光线角度满足关系式包括：

21、α+θi+θr＝90°；

22、其中，α为主光线的角度。

23、第二方面，本申请提供了一种单色整形投影系统，所述单色整形投影系统包括：准直模块、数字微镜器件、成像模块和采用上述所述的自由曲面反射镜的设计方法确定的自由曲面反射镜；

24、所述准直模块设置在光源的出射光路上；数字微镜器件设置在成像模块的物面上；成像模块到物面的距离与数字微镜器件到成像模块的距离相等；所述自由曲面反射镜设置在所述准直模块的出射光路上；所述数字微镜器件设置在所述自由曲面反射镜的反射光路上；所述成像模块设置在所述数字微镜器件的出射光路上；准直模块的出射光轴与数字微镜器件的出射光轴垂直；

25、所述准直模块用于对光源出射的光线进行准直处理，得到准直光线；

26、所述自由曲面反射镜用于将所述准直光线反射至所述数字微镜器件；

27、所述数字微镜器件用于将所述自由曲面反射镜反射的光线传输至所述成像模块；

28、所述成像模块用于对所述数字微镜器件传输的光线进行成像处理，得到成像结果。

29、可选地，所述准直模块包括第一准直镜片和第二准直镜片；

30、所述第一准直镜片设置在光源的出射光路上；所述第二准直镜片设置在所述第一准直镜片的出射光路上；所述第二准直镜片的出射光路上设置所述自由曲面反射镜。

31、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

32、本申请提供了一种自由曲面反射镜的设计方法及单色整形投影系统，基于自由曲面反射镜的设计，可独立控制不同位置的光线以及控制光斑尺寸，使得有效区域在被完全照亮的同时，满足有效占光比配合成像系统及物方锥角等参数，使得成像图案照度均匀；并且能够适应成像系统，配合成像系统及物方锥角、主光线角等参数，使得整个系统光效更高。由此，本申请能够实现照度均匀匹配，提高系统光效。

技术特征：

1.一种自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于，所述自由曲面反射镜的设计方法包括：

2.根据权利要求1所述的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于，基于光线反射定律和角度关系，根据所述信息数据确定出射位置在自由曲面器件处对应的曲面斜率以及自由曲面器件的面型尺寸，具体包括：

3.根据权利要求1所述的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于，变形非球面的光线路径计算方法，具体包括：

4.根据权利要求1所述的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于，所述光线反射定律包括：

5.根据权利要求4所述的自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于，所述角度关系中主光线角度满足关系式包括：

6.一种单色整形投影系统，其特征在于，所述单色整形投影系统包括：准直模块、数字微镜器件、成像模块和采用权利要求1-5中任意一项所述的自由曲面反射镜的设计方法确定的自由曲面反射镜；

7.根据权利要求6所述的单色整形投影系统，其特征在于，所述准直模块包括第一准直镜片和第二准直镜片；

技术总结本申请公开了一种自由曲面反射镜的设计方法及单色整形投影系统，涉及投影成像领域；该设计方法包括：获取入射光线的信息数据；基于光线反射定律和角度关系，根据信息数据确定出射位置在自由曲面器件处对应的曲面斜率以及自由曲面器件的面型尺寸；基于面型尺寸，采用有限元划分的方法，对自由曲面器件进行划分，得到网格矩阵；根据曲面斜率和网格矩阵，采用变形非球面的光线路径计算方法，确定每个网格的位置信息；根据各个网格的位置信息，将各个网格进行连接或者平整过度处理，得到自由曲面器件的面型；基于自由曲面器件的面型确定自由曲面反射镜。本申请能够实现照度均匀匹配，提高系统光效。技术研发人员：岳韵霞,李阳受保护的技术使用者：成都派斯光学有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4