一种白光led衍射光学器件的设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
一种白光LED衍射光学器件的设计方法
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 衍射光学元件(D0E)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D0E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 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，Menon R.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D0E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 with same 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D0E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】
[0005] 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。
[0006] -种白光LED衍射光学元件的设计方法，其包括以下步骤：
[0007] 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;
[0008] S2，根据球面波入射光口径确定衍射光学元件尺寸L〇;
[0009] S3，给出像素数为N的所期望的衍射图案；
[0010] S4,根据上述参数计算球面波半径r，对于发散球面波，r = ZL〇/(Lz-L())，对于汇聚 球面波，:r = zL〇/(Lz+L());以及
[0011] 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D0E相位分布的关系为(一维），
[0013]其中，F代表傅里叶变换，k是波数，UQ(XQ)是D0E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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 步骤S2中，所述衍射光学元件尺寸Lo小于或等于所述球面波入射光口径。
[0019] 步骤S3中，所述衍射图案包括任意灰度分布的图案。
[0020] 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、L〇确定。
[0021] 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。
[0022] 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】
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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 1〇
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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 2〇
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033]主要元件符号说明
[0034] 白光 LED 40
[0035] 衍射图案 60
[0036] 白光LED衍射光学元件 100
[0037]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】
[0038]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。
[0039] 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：
[0040] 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;
[0041 ] S2，根据球面波入射光口径确定衍射光学元件尺寸Lo，衍射光学元件尺寸Lo小于或 等于所述球面波入射光口径；
[0042] S3,给出像素数为N的所期望的衍射图案；
[0043] S4,根据上述参数计算球面波半径r，对于发散球面波，r = ZLo/(Lz-L())，对于汇聚 球面波，:r = zLo/(Lz+L());以及
[0044] 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D0E相位分布的关系为(一维），
[0046]其中，F代表傅里叶变换，k是波数，UQ(XQ)是D0E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。
[0047]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。
[0048] 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。
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051 ]步骤S2中，所述衍射光学元件尺寸Lo小于或等于所述球面波入射光口径。
[0052]步骤S3中，所述衍射图案包括任意灰度分布的图案。
[0053] 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、L〇确定。
[0054]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。
[0055] 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
[0056] 用于室内LED无线光通信的光路示意图如图2所示。
[0057] 要求在衍射距离z = 350mm处获得最大尺寸69mm X 69mm的衍射图案，衍射图案的像 素数为 Nx=Ny= 1080。
[0058] 假设入射光口径为8.64mm X 8.64mm，则衍射光学兀件参数为：尺寸8.64mm X 8.64臟，像素数队=队=1080。
[0059] 衍射图案1如图3所示。
[0060] 由r = ZLQ/(Lz-LQ)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 〇
[0061]
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。
[0062]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 [0063] 光路示意图同图2。
[0064] 要求在衍射距离z = 350mm处获得最大尺寸69mm X 69mm的衍射图案，衍射图案的像 素数为 Nx=Ny= 1080。
[0065] 假设入射光口径为8.64mm X 8.64mm，则衍射光学兀件参数为：尺寸8.64mm X 8.64臟，像素数队=队=1080。
[0066]衍射图案1如图7所示。
[0067]由r = ZlV(Lz-L〇)计算得到发散球面波半径为50mm，即LED距离衍射光学元件 50mm 〇
[0068]
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。
[0069] 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。
【主权项】
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L〇，衍射光学元件尺寸L〇小于或等于 球面波入射光口径； 53, 给出像素数为N的所期望的衍射图案； 54, 根据上述参数计算球面波半径r，对于发散球面波，r = ZL〇/(Lz-L())，对于汇聚球面 波，r = zL〇/(Lz+L〇);以及 55, 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），其中，F代表傅里叶变换，k是波数，UQ(XQ)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。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由多种 单色LED混合而成，如RGB-LED，蓝光和黄光组合的LED;或也是利用"蓝光技术"与荧光粉配 合形成白光LED。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L z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5所述的白光LED衍射光学元件的设计方法，其特征在于，步骤S2中，所述 衍射光学元件尺寸L〇小于或等于所述球面波入射光口径。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，步骤S3中，所述 衍射图案包括任意灰度分布的图案。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、L z、L〇确定。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，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。10. 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。
【文档编号】G02B27/42GK105866946SQ201610389080
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】谭峭峰, 曲卫东
【申请人】清华大学