CN105866946B - 一种白光led衍射光学器件的设计方法 - Google Patents

一种白光led衍射光学器件的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于光学器件领域的一种白光LED衍射光学器件的设计方法。该方法包括：S1，设置参数，所述参数包括衍射距离z、衍射图案尺寸Lz、以及衍射图案像素数N；S2，根据球面波入射光口径确定衍射光学元件尺寸L0；S3，给出像素数为N的所期望的衍射图案；S4，根据上述参数计算球面波半径r；以及S5，根据所述像素数为N的所期望的衍射图案，利用优化算法优化设计衍射光学元件的相位分布。

Description

一种白光LED衍射光学器件的设计方法
技术领域
本发明属于光学器件领域，特别涉及一种白光LED光学器件的设计方法。
背景技术
白光LED可应用于各种指示、显示、背光源、普通照明、城市景观照明、汽车车灯和无线光通信等领域。在这些应用领域，常需要将白光LED发出的光进行整形，以满足不同应用环境的照明需求。
目前通常利用各种反射式、折射式或者折反混合式光学系统进行整形，并获得了良好的结果。基于折反射定律的反射式、折射式或者折反混合式光学系统比较复杂，其体积大，重量重，且难以实现任意形状的光束整形。在很多场合，需要白光LED产生特殊的照明图案，以满足不同应用环境的白光照明需求。衍射光学元件不仅具有体积小、重量轻的优点，更重要的是其在实现光波变换上具有许多卓越的、传统光学系统难以具备的功能，将为白光LED照明光学系统的设计提供一条新的技术路线。
衍射光学元件(DOE)对不同的光波波长会产生不同的衍射图案，光束整形效果难以保持。此外，由于衍射场的采样间隔与波长成正比，不同波长的衍射图案的尺寸也很难保持相等。因此DOE绝大多数工作在单色光照明条件下。白光LED具有多个波长的光组成。文献[Huang K，Gao H F，Cao G W，et al.Design of diffractive phase element formodulating the electric field at the out-of-focus plane in a lenssystem.Appl.Opt.,2012,51:5149-5153]曾提出了用于多波长光束的DOE设计算法，在不同波长情况下得到了不同的衍射图案。文献[Kim G,Domfnguez-Caballero J A,MenonR.Design and analysis of multi-wavelength diffractive optics.Opt.Express,2012,20:2814-2823]所提出的用于多波长光束的DOE设计算法获得了具有相同分布，及不同尺寸的衍射图案，但是根据这些方法设计的DOE相位深度大，有6π以上，使得元件加工困难。文献[Chen M Z,Wang Q X,Gu H R,Tan Q F.Diffractive optical element withsame diffraction pattern for multicolor light-emitting diodes.Appl.Opt.,2016,55:159-164.]对两色LED光进行光束整形的DOE设计，在两个不同颜色LED照明情况下得到了尺寸相同、形状相同的衍射图案，但同样的，该方法设计的DOE相位深度大，只进行了一维器件的加工与实验。白光LED衍射光学元件的设计方法在实际应用中具有很大的现实意义，但是目前还没有相关技术方案和产品。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种白光LED衍射光学元件的设计方法。
一种白光LED衍射光学元件的设计方法，其包括以下步骤：
S1，设置参数，所述参数包括衍射距离z、衍射图案尺寸Lz、以及衍射图案像素数N；
S2，根据球面波入射光口径确定衍射光学元件尺寸L0；
S3，给出像素数为N的所期望的衍射图案；
S4，根据上述参数计算球面波半径r，对于发散球面波，r＝zL0/(Lz-L0)，对于汇聚球面波，r＝zL0/(Lz+L0)；以及
S5，根据所述像素数为N的所期望的衍射图案，利用优化算法优化设计衍射光学元件的相位分布，所述像素数为N的所期望的衍射图案和DOE相位分布的关系为(一维)，
其中，F代表傅里叶变换，k是波数，U0(x0)是DOE的相位分布，U(x)是距离z处的输出面上的复振幅分布，|U(x)|2即为衍射图案光强分布，x1是球面波球心所在的垂轴平面上的坐标。
所述白光LED衍射光学元件为二元光学元件、全息光学元件、微纳光学元件或空间光调制器，以实现光场相位和/或振幅的调制。
所述白光LED由多种单色LED混合而成，如RGB-LED，蓝光和黄光组合的LED等、或是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光LED、或者是其他类型的白光LED。
所述球面波入射光还包括任意宽波段的光源，以及任意LED组合的光源。
步骤S1中，所述衍射距离z>0、所述衍射图案尺寸Lz>0、所述衍射图案像素数N是大于1的整数。
步骤S2中，所述衍射光学元件尺寸L0小于或等于所述球面波入射光口径。
步骤S3中，所述衍射图案包括任意灰度分布的图案。
S4中，所述球面波半径r是大于0的任意值，所述球面波半径r需由z、Lz、L0确定。
所述S5中，所述优化算法可以是GS、YG等迭代优化算法，也可以是模拟退火、遗传算法等搜索优化算法。
本发明的有益效果是该方法设计的白光LED衍射元件可将不同波长的入射光束整形成具有相同位置、相同尺寸的衍射图案，解决利用衍射光学元件进行光束整形时衍射图案大小随波长变化而改变的问题。该白光LED衍射元件可用于显示、普通照明、城市景观照明、汽车车灯、无线光通信、游戏、娱乐等领域。
附图说明
图1为本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法设计的球面波照射下的白光LED衍射光学元件示意图。
图2为本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法设计的白光LED衍射光学元件用于室内白光LED无线光通信的光路示意图。
图3为本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法中期望的衍射图案1。
图4为本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法所优化的相位分布图。
图5为根据本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法所得到的红、绿、蓝三种LED衍射图案的仿真结果。
图6为根据本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法所得到的白光LED衍射图案的仿真结果。
图7为本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法中期望的衍射图案2。
图8为本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法所优化的相位分布图。
图9为根据本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法所得到的红、绿、蓝三种LED衍射图案的仿真结果。
图10为根据本发明实施例提供的白光LED衍射光学元件的设计方法所得到的白光LED衍射图案的仿真结果。
主要元件符号说明
白光LED 40
衍射图案 60
白光LED衍射光学元件 100
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种白光LED衍射光学元件100的设计方法，其包括以下步骤：
S1，设置参数，所述参数包括衍射距离z、衍射图案尺寸Lz、以及衍射图案像素数N；
S2，根据球面波入射光口径确定衍射光学元件尺寸L0，衍射光学元件尺寸L0小于或等于所述球面波入射光口径；
S3，给出像素数为N的所期望的衍射图案；
S4，根据上述参数计算球面波半径r，对于发散球面波，r＝zL0/(Lz-L0)，对于汇聚球面波，r＝zL0/(Lz+L0)；以及
S5，根据所述像素数为N的所期望的衍射图案，利用优化算法优化设计衍射光学元件的相位分布，所述像素数为N的所期望的衍射图案和DOE相位分布的关系为(一维)，
其中，F代表傅里叶变换，k是波数，U0(x0)是DOE的相位分布，U(x)是距离z处的输出面上的复振幅分布，|U(x)|2即为衍射图案光强分布，x1是球面波球心所在的垂轴平面上的坐标。
所述白光LED衍射光学元件为二元光学元件、全息光学元件、微纳光学元件或空间光调制器，以实现光场相位和/或振幅的调制。
所述白光LED由多种单色LED混合而成，如RGB-LED，蓝光和黄光组合的LED等、或是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光LED、或者是其他类型的白光LED。
所述球面波入射光还包括任意宽波段的光源，以及任意LED组合的光源。
步骤S1中，所述衍射距离z>0、所述衍射图案尺寸Lz>0、所述衍射图案像素数N是大于1的整数。
步骤S2中，所述衍射光学元件尺寸L0小于或等于所述球面波入射光口径。
步骤S3中，所述衍射图案包括任意灰度分布的图案。
S4中，所述球面波半径r是大于0的任意值，所述球面波半径r需由z、Lz、L0确定。
所述S5中，所述优化算法可以是GS、YG等迭代优化算法，也可以是模拟退火、遗传算法等搜索优化算法。
实施例1：用于室内白光LED无线光通信的衍射光学元件的设计方法
用于室内LED无线光通信的光路示意图如图2所示。
要求在衍射距离z＝350mm处获得最大尺寸69mm×69mm的衍射图案，衍射图案的像素数为Nx＝Ny＝1080。
假设入射光口径为8.64mm×8.64mm，则衍射光学元件参数为：尺寸8.64mm×8.64mm，像素数Nx＝Ny＝1080。
衍射图案1如图3所示。
由r＝zL0/(Lz-L0)计算得到发散球面波半径为50mm，即LED距离衍射光学元件距离为50mm。
基于式利用GS优化算法所设计得到的相位分布如图4所示，红、绿、蓝三种LED衍射图案的仿真结果如图5所示，白光LED衍射图案的仿真结果如图6所示。
实施例2：用于形成任意整形图案的白光LED光束整形的衍射光学元件的设计方法
光路示意图同图2。
要求在衍射距离z＝350mm处获得最大尺寸69mm×69mm的衍射图案，衍射图案的像素数为Nx＝Ny＝1080。
假设入射光口径为8.64mm×8.64mm，则衍射光学元件参数为：尺寸8.64mm×8.64mm，像素数Nx＝Ny＝1080。
衍射图案1如图7所示。
由r＝zL0/(Lz-L0)计算得到发散球面波半径为50mm，即LED距离衍射光学元件50mm。
基于式利用GS优化算法所设计得到的相位分布如图8所示，红、绿、蓝三种LED衍射图案的仿真结果如图9所示，白光LED衍射图案的仿真结果如图10所示。
本发明的有益效果是该方法可将不同波长的入射光束整形成具有相同位置、相同尺寸的衍射图案，解决利用衍射光学元件进行光束整形时衍射图案大小随波长变化而改变的问题。该光束整形器件可用于显示、普通照明、城市景观照明、汽车车灯、无线光通信、游戏、娱乐等领域。

Claims (9)

1.一种白光LED衍射光学元件的设计方法，其包括以下步骤：
S1，设置参数，所述参数包括衍射距离z、衍射图案尺寸Lz、以及衍射图案像素数N；
S2，根据球面波入射光口径确定衍射光学元件尺寸L0，衍射光学元件尺寸L0小于或等于球面波入射光口径；
S3，给出像素数为N的所期望的衍射图案；
S4，根据上述参数计算球面波半径r，对于发散球面波，r＝zL0/(Lz-L0)，对于汇聚球面波，r＝zL0/(Lz+L0)；以及
S5，根据所述像素数为N的所期望的衍射图案，利用优化算法优化设计衍射光学元件的相位分布，所述像素数为N的所期望的衍射图案和衍射光学元件相位分布的关系为(一维)，
<mrow> <mi>U</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>ikx</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>+</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>F</mi> <mo>{</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>ikx</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>r</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>F</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>ikx</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>+</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>}</mo> <mo>,</mo> </mrow> ，
其中，F代表傅里叶变换，k是波数，U0(x0)是衍射光学元件的相位分布，U(x)是距离z处的输出面上的复振幅分布，|U(x)|2即为衍射图案光强分布，x1是球面波球心所在的垂轴平面上的坐标。
2.如权利要求1所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述白光LED衍射光学元件为二元光学元件、全息光学元件、微纳光学元件或空间光调制器，以实现光场相位和/或振幅的调制。
3.如权利要求2所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，白光LED是由多种单色LED混合而成或者是利用“蓝光技术”与荧光粉配合而成。
4.如权利要求1所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述球面波入射光还包括任意宽波段的光源，以及任意LED组合的光源。
5.如权利要求1所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述衍射距离z大于零、所述衍射图案尺寸Lz大于零、所述衍射图案像素数N是大于1的整数。
6.如权利要求1所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，步骤S3中，所述衍射图案包括任意灰度分布的图案。
7.如权利要求1所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述S4中，所述球面波半径r是大于0的任意值，所述球面波半径r需由z、Lz、L0确定。
8.如权利要求1所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述S5中，所述优化算法是GS、YG迭代优化算法、或是模拟退火、遗传算法搜索优化算法。
9.如权利要求1所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，由该方法所设计的衍射光学元件应用于白光照明、景观照明、汽车车灯、无线光通信、游戏、娱乐领域。
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