用led光源與衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的交通信號(hào)燈光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電通訊領(lǐng)域，尤其涉及一種用LED光源與衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的交通信號(hào)燈光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈光場(chǎng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，是針對(duì)發(fā)光光源(如鹵素?zé)舻?的特點(diǎn)，通過(guò)使用折射光學(xué)元件，如透鏡、反射鏡、微透鏡陣列、鏡頭、散光片，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光光場(chǎng)的二次調(diào)制，實(shí)現(xiàn)所需要光場(chǎng)的輸出。該傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式是通過(guò)折射、遮擋、成像的方法，對(duì)入射光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，設(shè)計(jì)方法的光學(xué)元件復(fù)雜、數(shù)量較多，光利用效率非常低下，且功能單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的照明光場(chǎng)，例如對(duì)于嶄新應(yīng)用領(lǐng)域的大傾斜角度交通信號(hào)燈、光強(qiáng)分布非對(duì)稱矯正、100米以上遠(yuǎn)距離交通信號(hào)燈等應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)傳統(tǒng)照明光場(chǎng)設(shè)計(jì)方式，其光學(xué)器件尺寸大、成本很高，對(duì)應(yīng)用環(huán)境要求很高，光學(xué)器件表面的細(xì)微灰塵都會(huì)造成異形光場(chǎng)的嚴(yán)重缺陷，上述因素為該產(chǎn)品的使用造成了很多不利的因素，嚴(yán)重的限制了產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)代技術(shù)中，隨著市場(chǎng)、配件產(chǎn)品以及相應(yīng)光電設(shè)備、系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，配件應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)光電產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)光電產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求也越來(lái)越高，其中根據(jù)具體應(yīng)用需求所設(shè)計(jì)特殊圖案的交通信號(hào)燈照明光場(chǎng)的應(yīng)用市場(chǎng)迅猛發(fā)展，如高清晰度交通信號(hào)燈產(chǎn)品、特殊圖案交通信號(hào)燈產(chǎn)品等，這些領(lǐng)域產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)主動(dòng)照明光場(chǎng)都提出了復(fù)雜、苛刻的要求，傳統(tǒng)的照明光學(xué)系統(tǒng)其光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，尺寸很大，成本很高，且調(diào)節(jié)復(fù)雜，需要多片透鏡的移動(dòng)、聯(lián)調(diào)，而且光場(chǎng)控制方式簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多變的光場(chǎng)分布，已無(wú)法滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需求，基于衍射光學(xué)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)為實(shí)現(xiàn)特種照明光場(chǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，衍射光學(xué)元件是近期才逐漸成熟的新型光學(xué)元件，其設(shè)計(jì)原理與傳統(tǒng)的折射光學(xué)具備本質(zhì)區(qū)別，是基于光場(chǎng)的波前相位特性進(jìn)行光場(chǎng)調(diào)制設(shè)計(jì)，屬于波長(zhǎng)級(jí)別的納米微光學(xué)器件，在1毫米尺寸的光場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)億萬(wàn)量級(jí)的光場(chǎng)控制單元，對(duì)輸入光場(chǎng)進(jìn)行豐富、靈活的調(diào)節(jié)，幾乎可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜的輸出光場(chǎng)的要求，其尺寸小、功能強(qiáng)大、光強(qiáng)利用效率極高，是未來(lái)交通信號(hào)燈領(lǐng)域的重要應(yīng)用技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，提供了一種可以有效的利用光場(chǎng)能量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)徹底消除信號(hào)燈的光強(qiáng)分布標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)GB 14887-2011)規(guī)定之外的區(qū)域的無(wú)效的光場(chǎng)分布，消除信號(hào)燈光污染的用LED光源與衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的交通信號(hào)燈光學(xué)系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種用LED光源與衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的交通信號(hào)燈光學(xué)系統(tǒng)，包括一 LED照射光源和一個(gè)以上衍射光學(xué)元件，LED光場(chǎng)照射衍射光學(xué)元件后，LED照射光源的光場(chǎng)經(jīng)過(guò)該衍射光學(xué)元件的光學(xué)調(diào)制，該信號(hào)燈圖案形狀的光場(chǎng)沿著特定的角度區(qū)域傳播，對(duì)于不同形狀的信號(hào)燈圖案的光場(chǎng)分布，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整衍射光學(xué)元件的光場(chǎng)波前相位調(diào)制、微觀形貌和整體尺寸，或者通過(guò)多個(gè)衍射光學(xué)元件的拼接來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0006]優(yōu)選地，假設(shè)衍射光學(xué)元件的形狀為A1，該衍射光學(xué)元件是針對(duì)LED照射光源的光場(chǎng)的參數(shù)以及人眼觀察物體的光學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效果是LED照射光源的光場(chǎng)照射衍射光學(xué)元件后，其出射光場(chǎng)的區(qū)域，人眼觀察到的效果是看到了形狀為SA1的發(fā)光體；對(duì)于不同形狀的信號(hào)燈圖案的光場(chǎng)分布，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整衍射光學(xué)元件A1，或者通過(guò)多個(gè)衍射光學(xué)元件的拼接A1-AN的D0E實(shí)現(xiàn)SA1-SAN的圖案，即以A為基本單元拼接出信號(hào)燈的形狀SA，使用Led光照射衍射光學(xué)元件后，衍射光學(xué)元件的出射光場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，人眼觀察到的圖案就是被A所拼接的信號(hào)燈圖案SA。
[0007]優(yōu)選地，所述LED照射光源的光場(chǎng)為未經(jīng)過(guò)幾何光學(xué)處理的LED芯片的光場(chǎng)，或者是經(jīng)過(guò)后續(xù)幾何光學(xué)處理的LED光場(chǎng)。
[0008]優(yōu)選地，所述衍射光學(xué)元件，是基于交通信號(hào)燈圖案光場(chǎng)需要，根據(jù)照射LED光源的光學(xué)參數(shù)以及人眼光學(xué)系統(tǒng)，有針對(duì)性的進(jìn)行衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。
[0009]優(yōu)選地，所述的特定的角度區(qū)域是根據(jù)“交通信號(hào)燈照明光場(chǎng)空間角度分布標(biāo)準(zhǔn)”(見(jiàn) GB 14887-2011)制定。
[0010]優(yōu)選地，所述LED照射光源的光場(chǎng)波前為朗伯體光源或近似朗伯體光源；所述衍射光學(xué)元件為菲涅爾衍射光學(xué)元件或者夫瑯禾費(fèi)衍射光學(xué)元件。
[0011]優(yōu)選地，所述衍射光學(xué)元件具備對(duì)LED照射光源入射光場(chǎng)的X和Y方向發(fā)散角分別調(diào)至的功能，將入射光場(chǎng)的發(fā)散角進(jìn)行均勻化處理，實(shí)現(xiàn)所需交通信號(hào)燈圖案的異形光場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，光源照射衍射光學(xué)元件后，形成具備整體光學(xué)系統(tǒng)需要的特定發(fā)散角的光場(chǎng)。
[0012]優(yōu)選地，所述衍射光學(xué)元件具備對(duì)LED照射光源入射光場(chǎng)的X和Y方向的發(fā)光尺寸分別調(diào)至的功能，將入射光場(chǎng)的發(fā)光尺寸進(jìn)行均勻化處理，實(shí)現(xiàn)所需交通信號(hào)燈圖案的異形光場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，光源照射衍射光學(xué)元件后，形成具備整體光學(xué)系統(tǒng)需要的特定發(fā)光尺寸的光場(chǎng)。
[0013]優(yōu)選地，所述衍射光學(xué)元件具備針對(duì)入射光場(chǎng)的波前特性進(jìn)行相位調(diào)制的設(shè)計(jì)將入射光場(chǎng)的波前相位進(jìn)行調(diào)至處理，實(shí)現(xiàn)所需交通信號(hào)燈圖案的異形光場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
[0014]優(yōu)選地，所述LED照射光源與衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)所需交通信號(hào)燈圖案的異形光場(chǎng)的設(shè)計(jì)，光源照射衍射光學(xué)元件后，形成具備整體光學(xué)系統(tǒng)需要的特定光強(qiáng)分布、特定發(fā)散角的光場(chǎng)。
[0015]衍射光學(xué)元件是通過(guò)對(duì)入射光場(chǎng)的波前調(diào)制，實(shí)現(xiàn)出射光場(chǎng)的光強(qiáng)分布設(shè)計(jì)，其任意形狀、發(fā)散角的照明光場(chǎng)的產(chǎn)生原理與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有本質(zhì)區(qū)別，使用一片衍射光學(xué)元件即可取代傳統(tǒng)方法中的多種光學(xué)裝置的功能，光學(xué)元件少、尺寸小，光利用效率大幅度提高，可達(dá)到90%以上，光學(xué)功能非常豐富，可滿足任意形狀、光強(qiáng)分布的照明場(chǎng)的需求。
[0016]本發(fā)明中的衍射光學(xué)元件，是基于交通信號(hào)燈圖案光場(chǎng)需要，根據(jù)照射LED光源的光學(xué)參數(shù)以及人眼光學(xué)系統(tǒng)，有針對(duì)性的進(jìn)行衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)特定光場(chǎng)的輸出，該衍射光學(xué)元件與LED光源實(shí)現(xiàn)的交通信號(hào)燈光場(chǎng)設(shè)計(jì)，其光強(qiáng)利用效率高，光場(chǎng)分布的形狀、光強(qiáng)分布都可以靈活控制，可以根據(jù)不同款型的交通信號(hào)燈的需要，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、多樣的圖案光場(chǎng)，是傳統(tǒng)照明設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)。
[0017]LED配合衍射光學(xué)元件的交通信號(hào)燈系統(tǒng)，通過(guò)LED光場(chǎng)與衍射光學(xué)元件的結(jié)合設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜、具有特殊意義的交通信號(hào)燈圖案，而且基于LED光源的發(fā)光區(qū)尺寸小、光束傳播方向可控、遠(yuǎn)距離傳播性能，可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離警示作用的交通信號(hào)燈效果Ο
[0018]該交通信號(hào)燈光學(xué)系統(tǒng)最重要的優(yōu)勢(shì)在于高的光能量利用效率，在濃霧等可見(jiàn)度差的惡劣天氣環(huán)境中，傳統(tǒng)交通信號(hào)燈的可視度很差，可視距離短；而基于配合衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的光束的定向傳播特性，光束的空間局部光強(qiáng)很強(qiáng)，被空氣中微小顆粒散射后，形成可視度高的具備警示作用散射光視覺(jué)效果，有效的實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)燈的警示視覺(jué)作用，其在惡劣天氣環(huán)境下的可視距離達(dá)到傳統(tǒng)交通信號(hào)燈的10倍以上。
[0019]衍射光學(xué)元件具備體積小、安裝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，可大幅度的縮小光學(xué)系統(tǒng)的體積，降低光學(xué)產(chǎn)品的成本；同時(shí)衍射光學(xué)元件具備光學(xué)指標(biāo)容差較大，相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)器件，其通光區(qū)域的細(xì)小灰塵、臟污對(duì)異形光場(chǎng)的影響很小，對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求較低，可適應(yīng)復(fù)雜多樣的應(yīng)用環(huán)境，完全實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)的高光利用效率、低成本、光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、尺寸小、高精度發(fā)散角調(diào)節(jié)系統(tǒng)，極大的提升了光學(xué)系統(tǒng)的功能和可應(yīng)用性。
[0020]本發(fā)明通過(guò)該結(jié)合人眼光學(xué)結(jié)構(gòu)以及LED照射光源的光場(chǎng)參數(shù)的衍射光學(xué)設(shè)計(jì)，LED照射光源與衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)燈發(fā)光體只在“標(biāo)準(zhǔn)”所要求的角度區(qū)域內(nèi)可以被人眼觀察到，其他區(qū)域沒(méi)有光能量的傳播而無(wú)法被觀察到，有效的利用了光場(chǎng)能量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的，同時(shí)徹底消除“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定之外的區(qū)域的無(wú)效的光場(chǎng)分布，消除了信號(hào)燈的光污染。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明單個(gè)衍射光學(xué)元件與LED光源結(jié)合的光學(xué)系統(tǒng)；
圖2為本發(fā)明多個(gè)衍射光學(xué)元件與LED光源結(jié)合的光學(xué)系統(tǒng)；
圖3為本發(fā)明中LED照射光源和衍射光學(xué)元件X方向的等效示意圖；
圖4為本發(fā)明中LED照射光源和衍射光學(xué)元件Y方向的等效示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但并不是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0023]如圖1所示，第一個(gè)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方案是:入射光束為L(zhǎng)ED照射光源的光場(chǎng)，該LED照射光源的光場(chǎng)可以是未經(jīng)過(guò)光學(xué)處理的LED芯片