1 合肥工业大学特种显示与成像技术安徽省技术创新中心，特种显示技术国家工程实验室，光电技术研究院，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
3 安徽芯瑞达科技股份有限公司，安徽 合肥 230601
提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法，根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息，建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵，通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布，最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为、混光距离为且目标面光斑半径为为例进行设计。仿真结果表明，所设计的透镜阵列应用于光源数为的Mini-LED背光时，目标面照度均匀性达到，对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升和。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度，无需大量的后续优化工作，为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。
光学设计 背光模组 双自由曲面透镜 目标面照度分布 迭代优化算法
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 中国科学院深海科学与工程研究所，海南 三亚 572000
为了解决现有含有扩展光源的照明系统能量利用率低、透镜体积大、照度不均匀等问题，根据非成像光学边缘光线理论，提出了一种适用于扩展光源的双自由曲面设计方法。利用扩展光源的左右边缘光线经过透镜折射后形成的角度差值来控制目标面的照度分布，根据设计目标参数，计算内外自由曲面离散点，拟合内外自由曲面的轮廓曲线，得到旋转对称的双自由曲面透镜。在透镜高度与光源直径之比仅为2的情况下，利用此方法，经过数值计算以及光学仿真，设计了高能量利用率、高均匀性的双自由曲面透镜。近场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.52%，照度均匀度为95.81%；远场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.12%，照度均匀度为93.45%。研究结果表明，所提设计方法将对含有扩展光源的照明系统设计具有指导意义。
光学设计 扩展光源 非成像光学 双自由曲面透镜 均匀照明 光学学报
2022, 42(15): 1522001
1 华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心， 物理与光电学院， 广东 广州510640
2 广东省宽禁带半导体芯片及应用工程技术研究中心，中山市华南理工大学现代产业技术研究院， 广东 中山 528437
提出了一体化LED汽车前照灯光学系统设计方法，并设计出同时用于前照车灯远、近光配光的非对称双自由曲面透镜。采用变焦距椭球面反射器、非对称双自由曲面透镜对光源发出的光线进行配光，可使近光的照明宽度达到16 m。仿真结果表明，该前照灯的远光和近光各点所要求的照度值和光型均满足国标，并且光斑的色温稳定。所设计的光学系统体积为传统前照灯光学系统的一半，符合紧凑化车灯设计要求。
一体化汽车前照灯 非成像光学 非对称双自由曲面透镜 照度值 色温 integrated headlamp non-imaging optics asymmetric double freeform surface lens illuminance value colour temperature
江南大学 理学院 江苏省轻工光电工程技术研究中心, 江苏 无锡 214122
为了获得LED扩展光源大角度均匀照明, 采用双自由曲面, 设计了大角度紧凑型透镜。利用角度扩大函数使内自由曲面对光线发散 , 根据矢量Snell定律确定点源透镜的外自由曲面。采用交叠法优化双自由曲面扩展光源透镜模型, 通过BreedPSO算法进一步优化。对于h/d=2.5的紧凑型系统, 均匀度和光效分别为88.12%和84.54%, 照明均匀度明显提高。照明系统横向安装位移误差在［0, 0.3mm］内, 均匀度及光效分别在85%及84%以上, 纵向安装位移误差在［-0.04mm, 0.05mm］, 均匀度及光效均在82%以上。
光学设计 扩展光源 优化设计 双自由曲面 粒子群算法 optical design extended source optimization method double freeform-surface PSO algorithm
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410012
2 广东省半导体产业技术研究院, 广东 广州 510651
基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律等相关理论，提出了一种双自由曲面半导体发光二极管(LED)准直透镜的光学设计方法，并给出了构建准直透镜模型详细的算法设计。自由曲面是一种关于中心轴旋转对称的曲面，该曲面的二维轮廓在非均匀有理B样条曲线的方法理论基础上，采用ProE软件搭建而成。通过蒙特卡罗光线追迹模拟发现，相比传统的单自由曲面准直透镜，双自由曲面准直透镜不仅提高了照度均匀性，而且在能量利用率上也有显著的提高。研究结果表明，采用双自由曲面将大大提升准直透镜的设计空间，改善LED透镜的光学性能。
光学设计 双自由曲面 算法设计 蒙特卡罗光线追迹 准直透镜
1 五邑大学应用物理与材料学院， 广东 江门 529020
2 五邑大学数学与计算科学学院， 广东 江门 529020
3 华南农业大学电子工程学院， 广东 广州 510642
针对光线在大角度偏转时菲涅耳损耗大、光强均匀性差等问题，提出了基于最优双偏转能量映射和贝塞尔曲线多参数优化的双自由曲面透镜设计算法，并利用该算法设计了基于板上芯片型（COB）发光二极管（LED）的双自由曲面透镜，该透镜可应用于可见光通信系统的光学发射端。以大面积发光面的COB LED作为光源，通过控制自由曲面透镜内外两个表面上的入射光线偏转角的比例关系（即偏转系数），可降低菲涅耳损耗。构建了出光角分别为180°和260°的大角度均匀光强分布的双自由曲面透镜，其光强均匀度分别为0.92和0.90，其光能利用率分别为89.4%和85.9%。将单自由曲面透镜和双自由曲面透镜的光学性能作对比，结果表明，单自由曲面透镜可实现出光角范围为120°~180°、光强均匀度超过0.85以及光能利用率超过85%的光分布，双自由曲面透镜在达到同样的光强均匀度和光能利用率时，可实现出光角范围为100°~260°之间的均匀光强分布。因此，利用双自由曲面透镜能够实现更大范围出光角的均匀光强分布，从而满足可见光通信系统的光学发射端的光分布要求。
光学设计 可见光通信 双自由曲面透镜 菲涅耳损耗 均匀光强 光学学报
2016, 36(10): 1022002
1 华侨大学 信息科学与工程学院 光传输与变换福建省重点实验室, 福建 厦门 361021
2 福建泉州世光照明科技有限公司, 福建 泉州 362302
针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题, 基于边缘光线理论和网格划分法, 设计了内曲面为椭圆型, 外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散, 外曲面对出射光线方向进行控制, 实现大角度均匀照明, 并减少全反射损失, 提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真, 并利用反馈优化法对外曲面进行优化, 提高近场的照度均匀性.研究表明: 在相同近场距离条件下, 出光角度为143°、151.8°时, 单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40, 出光效率为92.0%和80%, 而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85, 出光效率为98.8%和95.0%, 照明效果明显改善.
双自由曲面透镜 大角度 均匀照明 出光效率 LED LED Double freeform-surface lens Large view angle Uniform illumination Light efficiency
