一種白光led衍射光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于光學(xué)器件領(lǐng)域的一種白光LED衍射光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方法。該方法包括：S1，設(shè)置參數(shù)，所述參數(shù)包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素?cái)?shù)N；S2，根據(jù)球面波入射光口徑確定衍射光學(xué)元件尺寸L0；S3，給出像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案；S4，根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算球面波半徑r；以及S5，根據(jù)所述像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案，利用優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件的相位分布。
【專利說明】
一種白光LED衍射光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)器件領(lǐng)域，特別涉及一種白光LED光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 白光LED可應(yīng)用于各種指示、顯示、背光源、普通照明、城市景觀照明、汽車車燈和 無線光通信等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，常需要將白光LED發(fā)出的光進(jìn)行整形，以滿足不同應(yīng) 用環(huán)境的照明需求。
[0003] 目前通常利用各種反射式、折射式或者折反混合式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行整形，并獲得了 良好的結(jié)果?；谡鄯瓷涠傻姆瓷涫?、折射式或者折反混合式光學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜，其體積 大，重量重，且難以實(shí)現(xiàn)任意形狀的光束整形。在很多場合，需要白光LED產(chǎn)生特殊的照明圖 案，以滿足不同應(yīng)用環(huán)境的白光照明需求。衍射光學(xué)元件不僅具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)， 更重要的是其在實(shí)現(xiàn)光波變換上具有許多卓越的、傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)難以具備的功能，將為白 光LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一條新的技術(shù)路線。
[0004] 衍射光學(xué)元件(D0E)對不同的光波波長會(huì)產(chǎn)生不同的衍射圖案，光束整形效果難 以保持。此外，由于衍射場的采樣間隔與波長成正比，不同波長的衍射圖案的尺寸也很難保 持相等。因此D0E絕大多數(shù)工作在單色光照明條件下。白光LED具有多個(gè)波長的光組成。文獻(xiàn) [Huang K，Gao H F，Cao G ff,et al. Design of diffractive phase element for modulating the electric field at the out-0f-focus plane in a lens system. Appl. Opt. ,2012,51:5149-5153]曾提出了用于多波長光束的DOE設(shè)計(jì)算法，在不同 波長情況下得到了不同的衍射圖案。文獻(xiàn)[Kim G，Domfnguez-Caballero J A，Menon R.Design and analysis of multi-wavelength diffractive optics . Opt.Express , 2012,20:2814-2823]所提出的用于多波長光束的DOE設(shè)計(jì)算法獲得了具有相同分布，及不 同尺寸的衍射圖案，但是根據(jù)這些方法設(shè)計(jì)的D0E相位深度大，有6π以上，使得元件加工困 難。文獻(xiàn)[Chen M Z，Wang Q X，Gu H R，Tan Q F.Diffractive optical element with same diffraction pattern for multicolor light-emitting diodes.Appl.Opt.,2016, 55:159-164.]對兩色LED光進(jìn)行光束整形的DOE設(shè)計(jì)，在兩個(gè)不同顏色LED照明情況下得到 了尺寸相同、形狀相同的衍射圖案，但同樣的，該方法設(shè)計(jì)的D0E相位深度大，只進(jìn)行了一維 器件的加工與實(shí)驗(yàn)。白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的現(xiàn)實(shí)意義， 但是目前還沒有相關(guān)技術(shù)方案和產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，確有必要提供一種白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法。
[0006] -種白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：
[0007] S1，設(shè)置參數(shù)，所述參數(shù)包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素?cái)?shù)N;
[0008] S2，根據(jù)球面波入射光口徑確定衍射光學(xué)元件尺寸L〇;
[0009] S3，給出像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案；
[0010] S4,根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算球面波半徑r，對于發(fā)散球面波，r = ZL〇/(Lz-L())，對于匯聚 球面波，:r = zL〇/(Lz+L());以及
[0011] S5，根據(jù)所述像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案，利用優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元 件的相位分布，所述像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案和D0E相位分布的關(guān)系為(一維），
[0013]其中，F(xiàn)代表傅里葉變換，k是波數(shù)，UQ(XQ)是D0E的相位分布，U(x)是距離z處的輸出 面上的復(fù)振幅分布，|U(x) |2即為衍射圖案光強(qiáng)分布，X1是球面波球心所在的垂軸平面上的 坐標(biāo)。
[0014] 所述白光LED衍射光學(xué)元件為二元光學(xué)元件、全息光學(xué)元件、微納光學(xué)元件或空間 光調(diào)制器，以實(shí)現(xiàn)光場相位和/或振幅的調(diào)制。
[0015] 所述白光LED由多種單色LED混合而成，如RGB-LED，藍(lán)光和黃光組合的LED等、或是 利用"藍(lán)光技術(shù)"與熒光粉配合形成白光LED、或者是其他類型的白光LED。
[0016] 所述球面波入射光還包括任意寬波段的光源，以及任意LED組合的光源。
[0017] 步驟S1中，所述衍射距離z>0、所述衍射圖案尺寸Lz>0、所述衍射圖案像素?cái)?shù)N是大 于1的整數(shù)。
[0018] 步驟S2中，所述衍射光學(xué)元件尺寸Lo小于或等于所述球面波入射光口徑。
[0019] 步驟S3中，所述衍射圖案包括任意灰度分布的圖案。
[0020] S4中，所述球面波半徑r是大于0的任意值，所述球面波半徑r需由z、Lz、L〇確定。
[0021] 所述S5中，所述優(yōu)化算法可以是GS、YG等迭代優(yōu)化算法，也可以是模擬退火、遺傳 算法等搜索優(yōu)化算法。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是該方法設(shè)計(jì)的白光LED衍射元件可將不同波長的入射光束整 形成具有相同位置、相同尺寸的衍射圖案，解決利用衍射光學(xué)元件進(jìn)行光束整形時(shí)衍射圖 案大小隨波長變化而改變的問題。該白光LED衍射元件可用于顯示、普通照明、城市景觀照 明、汽車車燈、無線光通信、游戲、娛樂等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的球面波照射 下的白光LED衍射光學(xué)元件示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的白光LED衍射 光學(xué)元件用于室內(nèi)白光LED無線光通信的光路示意圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法中期望的衍射圖案 1〇
[0026] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法所優(yōu)化的相位分布 圖。
[0027] 圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法所得到的紅、 綠、藍(lán)三種LED衍射圖案的仿真結(jié)果。
[0028] 圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法所得到的白光 LED衍射圖案的仿真結(jié)果。
[0029] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法中期望的衍射圖案 2〇
[0030] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法所優(yōu)化的相位分布 圖。
[0031] 圖9為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法所得到的紅、 綠、藍(lán)三種LED衍射圖案的仿真結(jié)果。
[0032] 圖10為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法所得到的白光 LED衍射圖案的仿真結(jié)果。
[0033]主要元件符號(hào)說明
[0034] 白光 LED 40
[0035] 衍射圖案 60
[0036] 白光LED衍射光學(xué)元件 100
[0037]如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，參照附圖。應(yīng)理解，這些實(shí)施例 僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容 后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附 權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0039] 請參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供一種白光LED衍射光學(xué)元件100的設(shè)計(jì)方法，其包括 以下步驟：
[0040] S1，設(shè)置參數(shù)，所述參數(shù)包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素?cái)?shù)N;
[0041 ] S2，根據(jù)球面波入射光口徑確定衍射光學(xué)元件尺寸Lo，衍射光學(xué)元件尺寸Lo小于或 等于所述球面波入射光口徑；
[0042] S3,給出像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案；
[0043] S4,根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算球面波半徑r，對于發(fā)散球面波，r = ZLo/(Lz-L())，對于匯聚 球面波，:r = zLo/(Lz+L());以及
[0044] S5，根據(jù)所述像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案，利用優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元 件的相位分布，所述像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案和D0E相位分布的關(guān)系為(一維），
[0046]其中，F(xiàn)代表傅里葉變換，k是波數(shù)，UQ(XQ)是D0E的相位分布，U(x)是距離z處的輸出 面上的復(fù)振幅分布，|U(X) |2即為衍射圖案光強(qiáng)分布，X1是球面波球心所在的垂軸平面上的 坐標(biāo)。
[0047]所述白光LED衍射光學(xué)元件為二元光學(xué)元件、全息光學(xué)元件、微納光學(xué)元件或空間 光調(diào)制器，以實(shí)現(xiàn)光場相位和/或振幅的調(diào)制。
[0048] 所述白光LED由多種單色LED混合而成，如RGB-LED，藍(lán)光和黃光組合的LED等、或是 利用"藍(lán)光技術(shù)"與熒光粉配合形成白光LED、或者是其他類型的白光LED。
[0049] 所述球面波入射光還包括任意寬波段的光源，以及任意LED組合的光源。
[0050] 步驟S1中，所述衍射距離z>0、所述衍射圖案尺寸Lz>0、所述衍射圖案像素?cái)?shù)N是大 于1的整數(shù)。
[0051 ]步驟S2中，所述衍射光學(xué)元件尺寸Lo小于或等于所述球面波入射光口徑。
[0052]步驟S3中，所述衍射圖案包括任意灰度分布的圖案。
[0053] S4中，所述球面波半徑r是大于0的任意值，所述球面波半徑r需由z、Lz、L〇確定。
[0054]所述S5中，所述優(yōu)化算法可以是GS、YG等迭代優(yōu)化算法，也可以是模擬退火、遺傳 算法等搜索優(yōu)化算法。
[0055] 實(shí)施例1:用于室內(nèi)白光LED無線光通信的衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法
[0056] 用于室內(nèi)LED無線光通信的光路示意圖如圖2所示。
[0057] 要求在衍射距離z = 350mm處獲得最大尺寸69mm X 69mm的衍射圖案，衍射圖案的像 素?cái)?shù)為 Nx=Ny= 1080。
[0058] 假設(shè)入射光口徑為8.64mm X 8.64mm，則衍射光學(xué)兀件參數(shù)為：尺寸8.64mm X 8.64臟，像素?cái)?shù)隊(duì)=隊(duì)=1080。
[0059] 衍射圖案1如圖3所示。
[0060] 由r = ZLQ/(Lz-LQ)計(jì)算得到發(fā)散球面波半徑為50mm，即LED距離衍射光學(xué)元件距離 為50mm 〇
[0061]
利用GS優(yōu)化算法所設(shè)計(jì)得到的相位分布如圖4所示，紅、綠、藍(lán)三種LED衍射圖案的仿真結(jié)果 如圖5所示，白光LED衍射圖案的仿真結(jié)果如圖6所示。
[0062]實(shí)施例2:用于形成任意整形圖案的白光LED光束整形的衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法 [0063] 光路示意圖同圖2。
[0064] 要求在衍射距離z = 350mm處獲得最大尺寸69mm X 69mm的衍射圖案，衍射圖案的像 素?cái)?shù)為 Nx=Ny= 1080。
[0065] 假設(shè)入射光口徑為8.64mm X 8.64mm，則衍射光學(xué)兀件參數(shù)為：尺寸8.64mm X 8.64臟，像素?cái)?shù)隊(duì)=隊(duì)=1080。
[0066]衍射圖案1如圖7所示。
[0067]由r = ZlV(Lz-L〇)計(jì)算得到發(fā)散球面波半徑為50mm，即LED距離衍射光學(xué)元件 50mm 〇
[0068]
利用 GS 優(yōu)化算法所設(shè)計(jì)得到的相位分布如圖8所示，紅、綠、藍(lán)三種LED衍射圖案的仿真結(jié)果如圖9 所示，白光LED衍射圖案的仿真結(jié)果如圖10所示。
[0069] 本發(fā)明的有益效果是該方法可將不同波長的入射光束整形成具有相同位置、相同 尺寸的衍射圖案，解決利用衍射光學(xué)元件進(jìn)行光束整形時(shí)衍射圖案大小隨波長變化而改變 的問題。該光束整形器件可用于顯示、普通照明、城市景觀照明、汽車車燈、無線光通信、游 戲、娛樂等領(lǐng)域。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟： S1，設(shè)置參數(shù)，所述參數(shù)包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素?cái)?shù)N; S2，根據(jù)球面波入射光口徑確定衍射光學(xué)元件尺寸L〇，衍射光學(xué)元件尺寸L〇小于或等于 球面波入射光口徑； 53, 給出像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案； 54, 根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算球面波半徑r，對于發(fā)散球面波，r = ZL〇/(Lz-L())，對于匯聚球面 波，r = zL〇/(Lz+L〇);以及 55, 根據(jù)所述像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案，利用優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件的 相位分布，所述像素?cái)?shù)為N的所期望的衍射圖案和衍射光學(xué)元件相位分布的關(guān)系為(一維），其中，F(xiàn)代表傅里葉變換，k是波數(shù)，UQ(XQ)是DOE的相位分布，U(x)是距離z處的輸出面上 的復(fù)振幅分布，|U(x) |2即為衍射圖案光強(qiáng)分布，X1是球面波球心所在的垂軸平面上的坐標(biāo)。2. 如權(quán)利要求1所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述白光LED衍 射光學(xué)元件為二元光學(xué)元件、全息光學(xué)元件、微納光學(xué)元件或空間光調(diào)制器，以實(shí)現(xiàn)光場相 位和/或振幅的調(diào)制。3. 如權(quán)利要求2所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，白光LED由多種 單色LED混合而成，如RGB-LED，藍(lán)光和黃光組合的LED;或也是利用"藍(lán)光技術(shù)"與熒光粉配 合形成白光LED。4. 如權(quán)利要求1所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述球面波入 射光還包括任意寬波段的光源，以及任意LED組合的光源。5. 如權(quán)利要求1所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S1中，所述 衍射距離z大于零、所述衍射圖案尺寸L z大于零、所述衍射圖案像素?cái)?shù)N是大于1的整數(shù)。6. 如權(quán)利要求5所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S2中，所述 衍射光學(xué)元件尺寸L〇小于或等于所述球面波入射光口徑。7. 如權(quán)利要求1所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S3中，所述 衍射圖案包括任意灰度分布的圖案。8. 如權(quán)利要求1所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述S4中，所述 球面波半徑r是大于0的任意值，所述球面波半徑r需由z、L z、L〇確定。9. 如權(quán)利要求1所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述S5中，所述 優(yōu)化算法是GS、YG迭代優(yōu)化算法、或是模擬退火、遺傳算法搜索優(yōu)化算法。10. 如權(quán)利要求1所述的白光LED衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，由該方法所設(shè) 計(jì)的衍射光學(xué)元件應(yīng)用于白光照明、景觀照明、汽車車燈、無線光通信、游戲、娛樂領(lǐng)域。
【文檔編號(hào)】G02B27/42GK105866946SQ201610389080
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】譚峭峰, 曲衛(wèi)東
【申請人】清華大學(xué)