一種白光led衍射光學器件的設計方法
【專利摘要】本發明公開了屬于光學器件領域的一種白光LED衍射光學器件的設計方法。該方法包括：S1，設置參數，所述參數包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素數N；S2，根據球面波入射光口徑確定衍射光學元件尺寸L0；S3，給出像素數為N的所期望的衍射圖案；S4，根據上述參數計算球面波半徑r；以及S5，根據所述像素數為N的所期望的衍射圖案，利用優化算法優化設計衍射光學元件的相位分布。
【專利說明】
一種白光LED衍射光學器件的設計方法
技術領域
[0001] 本發明屬于光學器件領域，特別涉及一種白光LED光學器件的設計方法。
【背景技術】
[0002] 白光LED可應用于各種指示、顯示、背光源、普通照明、城市景觀照明、汽車車燈和 無線光通信等領域。在這些應用領域，常需要將白光LED發出的光進行整形，以滿足不同應 用環境的照明需求。
[0003] 目前通常利用各種反射式、折射式或者折反混合式光學系統進行整形，并獲得了 良好的結果。基于折反射定律的反射式、折射式或者折反混合式光學系統比較復雜，其體積 大，重量重，且難以實現任意形狀的光束整形。在很多場合，需要白光LED產生特殊的照明圖 案，以滿足不同應用環境的白光照明需求。衍射光學元件不僅具有體積小、重量輕的優點， 更重要的是其在實現光波變換上具有許多卓越的、傳統光學系統難以具備的功能，將為白 光LED照明光學系統的設計提供一條新的技術路線。
[0004] 衍射光學元件(D0E)對不同的光波波長會產生不同的衍射圖案，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絕大多數工作在單色光照明條件下。白光LED具有多個波長的光組成。文獻 [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設計算法，在不同 波長情況下得到了不同的衍射圖案。文獻[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設計算法獲得了具有相同分布，及不 同尺寸的衍射圖案，但是根據這些方法設計的D0E相位深度大，有6π以上，使得元件加工困 難。文獻[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光進行光束整形的DOE設計，在兩個不同顏色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，該方法設計的D0E相位深度大，只進行了一維 器件的加工與實驗。白光LED衍射光學元件的設計方法在實際應用中具有很大的現實意義， 但是目前還沒有相關技術方案和產品。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，確有必要提供一種白光LED衍射光學元件的設計方法。
[0006] -種白光LED衍射光學元件的設計方法，其包括以下步驟：
[0007] S1，設置參數，所述參數包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素數N;
[0008] S2，根據球面波入射光口徑確定衍射光學元件尺寸L〇;
[0009] S3，給出像素數為N的所期望的衍射圖案；
[0010] S4,根據上述參數計算球面波半徑r，對于發散球面波，r = ZL〇/(Lz-L())，對于匯聚 球面波，:r = zL〇/(Lz+L());以及
[0011] S5，根據所述像素數為N的所期望的衍射圖案，利用優化算法優化設計衍射光學元 件的相位分布，所述像素數為N的所期望的衍射圖案和D0E相位分布的關系為(一維），
[0013]其中，F代表傅里葉變換，k是波數，UQ(XQ)是D0E的相位分布，U(x)是距離z處的輸出 面上的復振幅分布，|U(x) |2即為衍射圖案光強分布，X1是球面波球心所在的垂軸平面上的 坐標。
[0014] 所述白光LED衍射光學元件為二元光學元件、全息光學元件、微納光學元件或空間 光調制器，以實現光場相位和/或振幅的調制。
[0015] 所述白光LED由多種單色LED混合而成，如RGB-LED，藍光和黃光組合的LED等、或是 利用"藍光技術"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、所述衍射圖案像素數N是大 于1的整數。
[0018] 步驟S2中，所述衍射光學元件尺寸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，所述優化算法可以是GS、YG等迭代優化算法，也可以是模擬退火、遺傳 算法等搜索優化算法。
[0022] 本發明的有益效果是該方法設計的白光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，解決利用衍射光學元件進行光束整形時衍射圖 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、娛樂等領域。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法設計的球面波照射 下的白光LED衍射光學元件示意圖。
[0024] 圖2為本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法設計的白光LED衍射 光學元件用于室內白光LED無線光通信的光路示意圖。
[0025] 圖3為本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法中期望的衍射圖案 1〇
[0026] 圖4為本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法所優化的相位分布 圖。
[0027] 圖5為根據本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法所得到的紅、 綠、藍三種LED衍射圖案的仿真結果。
[0028] 圖6為根據本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法所得到的白光 LED衍射圖案的仿真結果。
[0029] 圖7為本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法中期望的衍射圖案 2〇
[0030] 圖8為本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法所優化的相位分布 圖。
[0031] 圖9為根據本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法所得到的紅、 綠、藍三種LED衍射圖案的仿真結果。
[0032] 圖10為根據本發明實施例提供的白光LED衍射光學元件的設計方法所得到的白光 LED衍射圖案的仿真結果。
[0033]主要元件符號說明
[0034] 白光 LED 40
[0035] 衍射圖案 60
[0036] 白光LED衍射光學元件 100
[0037]如下【具體實施方式】將結合上述附圖進一步說明本發明。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的闡述，參照附圖。應理解，這些實施例 僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容 后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附 權利要求書所限定的范圍。
[0039] 請參閱圖1，本發明實施例提供一種白光LED衍射光學元件100的設計方法，其包括 以下步驟：
[0040] S1，設置參數，所述參數包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素數N;
[0041 ] S2，根據球面波入射光口徑確定衍射光學元件尺寸Lo，衍射光學元件尺寸Lo小于或 等于所述球面波入射光口徑；
[0042] S3,給出像素數為N的所期望的衍射圖案；
[0043] S4,根據上述參數計算球面波半徑r，對于發散球面波，r = ZLo/(Lz-L())，對于匯聚 球面波，:r = zLo/(Lz+L());以及
[0044] S5，根據所述像素數為N的所期望的衍射圖案，利用優化算法優化設計衍射光學元 件的相位分布，所述像素數為N的所期望的衍射圖案和D0E相位分布的關系為(一維），
[0046]其中，F代表傅里葉變換，k是波數，UQ(XQ)是D0E的相位分布，U(x)是距離z處的輸出 面上的復振幅分布，|U(X) |2即為衍射圖案光強分布，X1是球面波球心所在的垂軸平面上的 坐標。
[0047]所述白光LED衍射光學元件為二元光學元件、全息光學元件、微納光學元件或空間 光調制器，以實現光場相位和/或振幅的調制。
[0048] 所述白光LED由多種單色LED混合而成，如RGB-LED，藍光和黃光組合的LED等、或是 利用"藍光技術"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、所述衍射圖案像素數N是大 于1的整數。
[0051 ]步驟S2中，所述衍射光學元件尺寸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，所述優化算法可以是GS、YG等迭代優化算法，也可以是模擬退火、遺傳 算法等搜索優化算法。
[0055] 實施例1:用于室內白光LED無線光通信的衍射光學元件的設計方法
[0056] 用于室內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 素數為 Nx=Ny= 1080。
[0058] 假設入射光口徑為8.64mm X 8.64mm，則衍射光學兀件參數為：尺寸8.64mm X 8.64臟，像素數隊=隊=1080。
[0059] 衍射圖案1如圖3所示。
[0060] 由r = ZLQ/(Lz-LQ)計算得到發散球面波半徑為50mm，即LED距離衍射光學元件距離 為50mm 〇
[0061]
利用GS優化算法所設計得到的相位分布如圖4所示，紅、綠、藍三種LED衍射圖案的仿真結果 如圖5所示，白光LED衍射圖案的仿真結果如圖6所示。
[0062]實施例2:用于形成任意整形圖案的白光LED光束整形的衍射光學元件的設計方法 [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 素數為 Nx=Ny= 1080。
[0065] 假設入射光口徑為8.64mm X 8.64mm，則衍射光學兀件參數為：尺寸8.64mm X 8.64臟，像素數隊=隊=1080。
[0066]衍射圖案1如圖7所示。
[0067]由r = ZlV(Lz-L〇)計算得到發散球面波半徑為50mm，即LED距離衍射光學元件 50mm 〇
[0068]
利用 GS 優化算法所設計得到的相位分布如圖8所示，紅、綠、藍三種LED衍射圖案的仿真結果如圖9 所示，白光LED衍射圖案的仿真結果如圖10所示。
[0069] 本發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，解決利用衍射光學元件進行光束整形時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、娛樂等領域。
【主權項】
1. 一種白光LED衍射光學元件的設計方法，其包括以下步驟： S1，設置參數，所述參數包括衍射距離z、衍射圖案尺寸Lz、以及衍射圖案像素數N; S2，根據球面波入射光口徑確定衍射光學元件尺寸L〇，衍射光學元件尺寸L〇小于或等于 球面波入射光口徑； 53, 給出像素數為N的所期望的衍射圖案； 54, 根據上述參數計算球面波半徑r，對于發散球面波，r = ZL〇/(Lz-L())，對于匯聚球面 波，r = zL〇/(Lz+L〇);以及 55, 根據所述像素數為N的所期望的衍射圖案，利用優化算法優化設計衍射光學元件的 相位分布，所述像素數為N的所期望的衍射圖案和衍射光學元件相位分布的關系為(一維），其中，F代表傅里葉變換，k是波數，UQ(XQ)是DOE的相位分布，U(x)是距離z處的輸出面上 的復振幅分布，|U(x) |2即為衍射圖案光強分布，X1是球面波球心所在的垂軸平面上的坐標。2. 如權利要求1所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，其特征在于，所述白光LED衍 射光學元件為二元光學元件、全息光學元件、微納光學元件或空間光調制器，以實現光場相 位和/或振幅的調制。3. 如權利要求2所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，其特征在于，白光LED由多種 單色LED混合而成，如RGB-LED，藍光和黃光組合的LED;或也是利用"藍光技術"與熒光粉配 合形成白光LED。4. 如權利要求1所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，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. 如權利要求1所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，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、所述衍射圖案像素數N是大于1的整數。6. 如權利要求5所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，其特征在于，步驟S2中，所述 衍射光學元件尺寸L〇小于或等于所述球面波入射光口徑。7. 如權利要求1所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，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. 如權利要求1所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，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. 如權利要求1所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，其特征在于，所述S5中，所述 優化算法是GS、YG迭代優化算法、或是模擬退火、遺傳算法搜索優化算法。10. 如權利要求1所述的白光LED衍射光學元件的設計方法，其特征在于，由該方法所設 計的衍射光學元件應用于白光照明、景觀照明、汽車車燈、無線光通信、游戲、娛樂領域。
【文檔編號】G02B27/42GK105866946SQ201610389080
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】譚峭峰, 曲衛東
【申請人】清華大學