近几十年来,微透镜阵列因其高填充系数和并行成像能力,被广泛应用于显示、成像、传输、测绘及其它领域。目前众多学者及实验室已经对微透镜阵列子透镜的孔径、折射率、排布方式和偏心等方面展开了研究。微透镜阵列加工技术的发展也十分成熟。在光束匀化领域,微透镜阵列由于其在传输效率和均匀性方面的优势,比其它元件应用的更多。常用于光束匀化的微透镜阵列系统主要分两种,分别为衍射型和折射型。其中折射型与柯拉照明系统相结合时,得到的光束匀化效果更好。因此本文根据微透镜阵列和柯拉照明的匀化理论,在一般成像系统结构基础上,研究光束匀化系统。首先,根据近轴光学方法,推导匀化系统模型。在现有成像系统中加入微透镜阵列及其它匀光元件,得到匀化系统理论模型。通过公式推导,给出光经系统后的坐标。通过分析,像面光斑的大小与积分镜焦距和子透镜孔径呈正相关,与子透镜焦距呈负相关,而像面光线的发散角大小则与子透镜孔径呈正相关,与积分镜焦距和子透镜焦距呈负相关。其次,根据一个成像系统的参数与要求,分别采用光线追迹方法和标量衍射方法对匀化系统进行仿真验证。基于光线追迹方法的仿真过程中,设计了实际镜头,并且对子透镜口径进行优化。基于标量衍射理论的数值仿真则按照理想系统参数。根据两种仿真结果,验证了系统模型的匀化效果。最后,在OTS软件中,用实际拍摄的生活场景图,对匀化系统进行仿真实验。对焦距为55mm,半视场角为6.5°,F数为1.93的实际成像系统镜头进一步优化,并完成成像仿真与匀化仿真。根据实验结果,对于任意图像光源,匀化系统均实现了良好的匀化效果,最终像面均匀性可达95%以上。与成像系统相比,成像视场下匀化系统的能量利用率可达30%以上。并且考虑到6.5°视场以外光线的影响,同时观察了 10°视场下匀化系统的能量利用率,可达69%以上。