虹科半导体照明

基于面光源的自由曲面光学设计技术

目录

光学设计的背景

技术发展趋势:随着光学透镜加工能力、半导体光源技术、计算科学及人功能技术的快速发展,光学设计的自由度不断提高,光学器件往多功能、高密度、小体积的方向发展,原有光学解决逻辑即将迎来新的技术变革。

智能化程度程度越来越高,光学应用场景发生变迁,由人眼照明往机器视觉、能量传输及智能光学发展,因此对光束传输通道精准分配的需求越来越高。

当前非成像光学设计的研究情况

全球对非成像光学设计进行了广泛的研究,但依旧没找到一种针对LED面光源的可行解决方案,近十年发展缓慢。

现有研究方法: 

试错法:流程简单,容易上手,依托商业软件(在行业里,常用的光学设计软件有CODE V、 ASAP、Tracepro、LightTools等,国内还是空白)进行设计,很容易获得较接近的解决方案;但是受限于商业软件的解决方案,无细分领域精确求解,长久会失去源头创造力。

直接法:给定设计需求,在几何光学框架下对光学表面离散点进行迭代运算的数学方法;数学模型有待进一步优化,现有算力、算法无法对现有数学模型进行高效求解。

数值优化法:给定设计需求,建立优化评价函数,并指定优化变量,在现有最优化理论下,进行函数的最优求解,获取最佳优化变量;算法耗时太大,现有算力、算法无法对现有仿真算法进行高效优化。

我们的思考

面对行业形势和基于自身发展考虑,我们提出了几点思考:

  • 如何在增加光学设计自由度的同时,确保对自由度的驾驭及强耦合非线性复杂方程组的求解?
  • 如何借助计算科学、算力、算法的快速发展,获取一套解决实际扩展光源的光学解决方案?
  • 如何基于非成像光学作为研究载体,推动数学数值求解、微积分、曲面论等领域的发展?
  • 如何在产业上平衡光学设计、制造、成本三要素,实现最佳光学解决方案?

我们的研究

我们开发了基于面光源的自由曲面光学设计技术,目的是基于光的特性、传播规律,以及与物质相互耦合关系,实现对光的精准驾驭。

我们针对宏观光学应用领域,利用几何光学理论,解决光束的传输及分配问题,关注光能量的传输效率,极致追求光束的精准分配及驾驭,实现相关应用领域的最佳光解决方案。

我们引入相空间,建立了特征变量少、精准的面光源模型及其传播方程,跳出现有方程求解思路,结合能量守恒定律,采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了自由曲面离散点的数值迭代求解,在精度、及智能优化方面比蒙特卡洛光线追迹算有很大提升。

我们当前的能力

当前我们已经具备基于全光谱面光源的2个以上复杂自由曲面序列光线追迹的曲面求解能力;具备高速试错智能仿真算法,它的建立,使得我们可以脱离现有PW方法进行光学透镜组的初始结构求解,大大提升了光学透镜的设计效率及精度。

我们引入相空间,建立了特征变量少、精准的面光源模型及其传播方程,跳出现有方程求解思路,结合能量守恒定律,采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了自由曲面离散点的数值迭代求解,在精度、及智能优化方面比蒙特卡洛光线追迹算有很大提升。

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