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
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，微纳制造实验室，天津 300072
介绍了玻璃光学元件精密模压成形技术的原理、玻璃材料、模具制造、模具表面镀膜、结合有限元仿真的模压工艺优化和模压成形设备等核心技术的研究进展，并讨论了当前存在的问题。通过探讨玻璃模压成形技术在自由曲面、微结构、衍射结构表面和晶圆阵列等光学元件中的应用现状，对玻璃元件精密模压成形技术的发展趋势和挑战进行了展望。
光学设计 光学玻璃 非球面透镜 自由曲面透镜 超精密加工 玻璃精密模压 微结构制造
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 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分，其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量，因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究，重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系，在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上，对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解，结合偏微分方程法和划分网格法，设计了自由曲面透镜，该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）照明系统。仿真分析结果表明：系统照度均匀性达到91.96%，若不计偏振影响，照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点，满足增强现实眼镜的需求。
增强现实技术 照明系统 准直系统 自由曲面透镜 augmented reality technology illumination system collimating system free-form lens
1 南通大学 理学院 物理系, 江苏 南通 226019
2 南通大学 化学化工学院 化学系, 江苏 南通 226019
针对LED扩展光源, 采用双向反馈网格法设计了自由曲面透镜。划分光源和目标面的能量网格, 通过对每一条迭代曲线建立反馈系数, 对网格点进行修正并建立新的映射关系, 设计了两个目标面中心无光照度的自由曲面透镜。将设计的自由曲面透镜用蒙特卡罗方法对不同尺寸的LED扩展光源进行了模拟仿真。结果表明, 对于尺寸在4mm×4mm以下的LED扩展光源, 所设计的自由曲面透镜在照明区域内的均匀度和光能利用率均能达到90.5％以上, 适用于道路照明等场合。
LED扩展光源 自由曲面透镜 迭代 反馈系数 均匀度 LED extended light source freeform lens iteration feedback coefficient uniformity
西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710121
针对水下无线光通信系统对准困难以及光斑均匀性较差的问题，基于自由曲面设计理论设计了一种能产生矩形光斑的光学天线。仿真结果表明，当透镜与目标面的距离为10 m时，该自由曲面透镜能产生均匀度达到87.3%的矩形光斑，光能利用率为93.4%。将该自由曲面透镜应用于水下发射天线，当接收机灵敏度为-30 dBm、接收孔径为50 mm时，浑浊海水的最大通信距离为2.3 m，纯水、清澈海水的最大通信距离大于10 m。用三组自由曲面透镜组成的360°全覆盖全向光学发射天线产生的光斑边缘均匀度相比单一发射天线由17.4%提高到35.2%，提高了水下光通信链路的稳定性，为解决水下无线光通信中的对准问题提供了新思路。
光通信 矩形光斑 自由曲面透镜 光学天线 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0106008
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
红外与激光工程
2021, 50(10): 20210063
1 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
2 北京盛想科技有限公司 北京 100085
为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求, 基于白光LED光源为朗伯光源的特性, 运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形, 分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构, 进行了加工工艺和原理理论分析, 并通过了实验验证。结果表明, 实验得到的圆形均匀光斑, 其总光线利用率高达96%, 有效面积光线利用率为88.4%; 得到的矩形均匀光斑, 总光线利用率为91%, 有效面积光线利用率为78.7%, 光束均匀度均在60%以上;通过自由曲面透镜方法进行白光LED光束整形效果极佳。该整形方法为白光LED光源的进一步广泛应用提供了重要的指导。
光学设计 白光发光二极管 光束整形 二次配光 自由曲面透镜 微透镜阵列 optical fabrication white light-emiitting diode beam shaping secondary light distribution free-form lens microlens array
