[发明专利]一种白光LED衍射光学器件的设计方法

说明书

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 for modulating the electric field at the out-of-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 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L_z、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/(L_z-L₀)，对于汇聚球面波，r＝zL₀/(L_z+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。