CN105388626B - 用led光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，包括一LED照射光源和一个以上衍射光学元件，LED光场照射衍射光学元件后，LED照射光源的光场经过该衍射光学元件的光学调制，该信号灯图案形状的光场沿着特定的角度区域传播，对于不同形状的信号灯图案的光场分布，通过设计调整衍射光学元件的光场波前相位调制、微观形貌和整体尺寸，或者通过多个衍射光学元件的拼接来实现。本发明的信号灯发光体只在信号灯的光强分布标准所要求的角度区域内可以被人眼观察到，其他区域没有光能量的传播而无法被观察到，有效的利用了光场能量，节能环保，还彻底消除“标准”规定之外的区域的无效的光场分布，消除了信号灯的光污染。
Description
技术领域
本发明属于光电通讯领域，尤其涉及一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统。
背景技术
传统的交通信号灯光场的光学设计，是针对发光光源（如卤素灯等）的特点，通过使用折射光学元件，如透镜、反射镜、微透镜阵列、镜头、散光片，实现对发光光场的二次调制，实现所需要光场的输出。该传统设计方式是通过折射、遮挡、成像的方法，对入射光场进行调制，设计方法的光学元件复杂、数量较多，光利用效率非常低下，且功能单一，无法实现复杂的照明光场，例如对于崭新应用领域的大倾斜角度交通信号灯、光强分布非对称矫正、100米以上远距离交通信号灯等应用领域，传统的设计方式都无法实现。同时传统照明光场设计方式，其光学器件尺寸大、成本很高，对应用环境要求很高，光学器件表面的细微灰尘都会造成异形光场的严重缺陷，上述因素为该产品的使用造成了很多不利的因素，严重的限制了产品的市场应用。
现代技术中，随着市场、配件产品以及相应光电设备、系统的应用发展，配件应用市场对光电产品的应用越来越广泛，对光电产品的技术指标要求也越来越高，其中根据具体应用需求所设计特殊图案的交通信号灯照明光场的应用市场迅猛发展，如高清晰度交通信号灯产品、特殊图案交通信号灯产品等，这些领域产品的发展，对主动照明光场都提出了复杂、苛刻的要求，传统的照明光学系统其光学系统复杂，尺寸很大，成本很高，且调节复杂，需要多片透镜的移动、联调，而且光场控制方式简单，不能实现复杂多变的光场分布，已无法满足应用领域的需求，基于衍射光学和光学技术的发展，已经为实现特种照明光场提供了技术基础，衍射光学元件是近期才逐渐成熟的新型光学元件，其设计原理与传统的折射光学具备本质区别，是基于光场的波前相位特性进行光场调制设计，属于波长级别的纳米微光学器件，在1毫米尺寸的光场区域内，即可实现亿万量级的光场控制单元，对输入光场进行丰富、灵活的调节，几乎可以实现任何复杂的输出光场的要求，其尺寸小、功能强大、光强利用效率极高，是未来交通信号灯领域的重要应用技术。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种可以有效的利用光场能量，实现节能的目的，同时彻底消除信号灯的光强分布标准（见GB 14887-2011）规定之外的区域的无效的光场分布，消除信号灯光污染的用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统。
本发明的技术方案：一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，包括一LED照射光源和一个以上衍射光学元件，LED光场照射衍射光学元件后，LED照射光源的光场经过该衍射光学元件的光学调制，该信号灯图案形状的光场沿着特定的角度区域传播，对于不同形状的信号灯图案的光场分布，通过设计调整衍射光学元件的光场波前相位调制、微观形貌和整体尺寸，或者通过多个衍射光学元件的拼接来实现。
优选地，假设衍射光学元件的形状为A1，该衍射光学元件是针对LED照射光源的光场的参数以及人眼观察物体的光学原理进行设计，设计效果是LED照射光源的光场照射衍射光学元件后，其出射光场的区域，人眼观察到的效果是看到了形状为SA1的发光体；对于不同形状的信号灯图案的光场分布，通过设计调整衍射光学元件A1，或者通过多个衍射光学元件的拼接A1-AN的DOE实现SA1-SAN的图案，即以A为基本单元拼接出信号灯的形状SA，使用Led光照射衍射光学元件后，衍射光学元件的出射光场区域内，人眼观察到的图案就是被A所拼接的信号灯图案SA。
优选地，所述LED照射光源的光场为未经过几何光学处理的LED芯片的光场，或者是经过后续几何光学处理的LED光场。
优选地，所述衍射光学元件，是基于交通信号灯图案光场需要，根据照射LED光源的光学参数以及人眼光学系统，有针对性的进行衍射光学元件的设计。
优选地，所述的特定的角度区域是根据“交通信号灯照明光场空间角度分布标准”（见GB 14887-2011）制定。
优选地，所述LED照射光源的光场波前为朗伯体光源或近似朗伯体光源；所述衍射光学元件为菲涅尔衍射光学元件或者夫琅禾费衍射光学元件。
优选地，所述衍射光学元件具备对LED照射光源入射光场的X和Y方向发散角分别调至的功能，将入射光场的发散角进行均匀化处理，实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发散角的光场。
优选地，所述衍射光学元件具备对LED照射光源入射光场的X和Y方向的发光尺寸分别调至的功能，将入射光场的发光尺寸进行均匀化处理，实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发光尺寸的光场。
优选地，所述衍射光学元件具备针对入射光场的波前特性进行相位调制的设计将入射光场的波前相位进行调至处理，实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计优化。
优选地，所述LED照射光源与衍射光学元件实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定光强分布、特定发散角的光场。
衍射光学元件是通过对入射光场的波前调制，实现出射光场的光强分布设计，其任意形状、发散角的照明光场的产生原理与传统设计有本质区别，使用一片衍射光学元件即可取代传统方法中的多种光学装置的功能，光学元件少、尺寸小，光利用效率大幅度提高，可达到90%以上，光学功能非常丰富，可满足任意形状、光强分布的照明场的需求。
本发明中的衍射光学元件，是基于交通信号灯图案光场需要，根据照射LED光源的光学参数以及人眼光学系统，有针对性的进行衍射光学元件的设计，实现特定光场的输出，该衍射光学元件与LED光源实现的交通信号灯光场设计，其光强利用效率高，光场分布的形状、光强分布都可以灵活控制，可以根据不同款型的交通信号灯的需要，实现复杂、多样的图案光场，是传统照明设备无法实现的光学系统。
LED配合衍射光学元件的交通信号灯系统，通过LED光场与衍射光学元件的结合设计，可以实现任意复杂、具有特殊意义的交通信号灯图案，而且基于LED光源的发光区尺寸小、光束传播方向可控、远距离传播性能，可以实现超远距离警示作用的交通信号灯效果。
该交通信号灯光学系统最重要的优势在于高的光能量利用效率，在浓雾等可见度差的恶劣天气环境中，传统交通信号灯的可视度很差，可视距离短；而基于配合衍射光学元件实现的光束的定向传播特性，光束的空间局部光强很强，被空气中微小颗粒散射后，形成可视度高的具备警示作用散射光视觉效果，有效的实现了交通信号灯的警示视觉作用，其在恶劣天气环境下的可视距离达到传统交通信号灯的10倍以上。
衍射光学元件具备体积小、安装简单、成本低的特点，可大幅度的缩小光学系统的体积，降低光学产品的成本；同时衍射光学元件具备光学指标容差较大，相对于传统光学器件，其通光区域的细小灰尘、脏污对异形光场的影响很小，对应用环境的要求较低，可适应复杂多样的应用环境，完全实现了光场的高光利用效率、低成本、光学结构设计简单、尺寸小、高精度发散角调节系统，极大的提升了光学系统的功能和可应用性。
本发明通过该结合人眼光学结构以及LED照射光源的光场参数的衍射光学设计，LED照射光源与衍射光学元件实现的信号灯发光体只在“标准”所要求的角度区域内可以被人眼观察到，其他区域没有光能量的传播而无法被观察到，有效的利用了光场能量，实现了节能的目的，同时彻底消除“标准”规定之外的区域的无效的光场分布，消除了信号灯的光污染。
附图说明
图1为本发明单个衍射光学元件与LED光源结合的光学系统；
图2为本发明多个衍射光学元件与LED光源结合的光学系统；
图3为本发明中LED照射光源和衍射光学元件X方向的等效示意图；
图4为本发明中LED照射光源和衍射光学元件Y方向的等效示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，第一个衍射光学元件的设计方案是：入射光束为LED照射光源的光场，该LED照射光源的光场可以是未经过光学处理的LED芯片的辐射光场，也可以是LED芯片光场经过光学处理后的辐射光场。该衍射光学元件表面具备纳米量级的微观凹凸形貌，该微观凹凸形貌是根据入射光束的光学参数以及所要求的出射光场的光学参数进行设计，通过该凹凸形貌对入射光束的波前进行相位调制，入射光束的通过该衍射光学元件后所传播光场的衍射、干涉特性实现了所需要的出射光场。该衍射光学元件是根据入射光场的光学特性，进行针对性设计，调节入射光场的波前，实现入射光场到所需要出射光场的傅里叶变换。LED光源与衍射光学元件位置固定，只通过一片衍射光学元件的调节，即可实现所需复杂光强分布光场的设计，光场进行相位调制，出射光场会沿着一定的角度区域进行传播，实现交通信号灯的照明区域分布。在特定角度区域内使人眼观察到交通信号灯图案，本发明光学功能强大，同时可以大幅度缩小照明系统的尺寸，降低照明系统的成本，扩展了交通信号灯照明系统的应用领域和应用方式。
下面针对图1中LED光场的衍射光学元件设计进行详细描述：
图1中，照射光源选型为LED光场，所发出的光场一般为圆对称状分布，发光区的形状一般为长方形或正方形，未经过光学处理的光场分布情况为朗伯分布方式，即光强沿角度的分布情况为：Iθ=I0×cos（θ）。上式中，Iθ为LED光场沿不同角度θ的发光强度，θ为不同的方向与LED发光区法线的夹角，I0为一常数。
LED照射光源的光场也可使用透镜、反光罩等方式，进行后续的光场处理，所生成的光场是光学处理系统与LED辐射场结合后的新光场分布，不失一般性，也假设该光场分布为Iθ，LED的发光尺寸为dx和dy。
人眼是一个成像系统，人眼观察外界物体，是对外界物体所发出的光场进行傅里叶变换，通过人脑的分析计算，对眼球肌肉的进行调节，在眼底将外界物体成像。外界物体的光场包括物体自身发射的光场或者物体表面的反射、散射光场。
为实现良好的交通信号灯照明、观察效果，需要针对上述LED光场Iθ的参数以及人眼观察光学系统的特性，针对性的进行衍射光学元件设计。
如图3和4所示，本发明的衍射光学元件的功能1：由于Iθ以及dx和dy的影响，X和Y方向的真实的球面波汇聚焦点并不位于LED发光面上，而是沿着球面波反向传播的交点，如图所示其X方向和Y方向的聚焦点到衍射光学元件的距离分别是fx和fy。衍射光学元件内部的X方向具备对θx角度进行压缩（类似于一个焦距为fx的透镜系统），衍射光学元件内部的y方向具备对θy角度进行压缩（类似于一个焦距为fy的透镜系统），发散光束经过该衍射光学元件调制后形成X、Y方向的光束发散角均匀化，θox和θoy比例约为1:1，以用于实现后续交通信号灯光场处理需要。
本发明专利的衍射光学元件的功能2：设计融入了同时针对dx和dy的均匀化处理设计，假设dx小于dy，衍射光学元件内部的X方向具备对dx进行尺寸处理（类似于一个尺寸为dx的透镜），衍射光学元件内部的y方向具备对dy进行尺寸处理（类似于一个尺寸为dy的透镜），LED的光束经过该衍射光学元件调制后形成X、Y方向的光束尺寸均匀化，显著改善了光斑尺寸的比例，以用于实现后续交通信号灯光场需要。
本发明专利的衍射光学元件功能3：针对人眼观察外界物体的光学原理，对LED的光场进行处理后，在衍射光学元件所在的空间位置，实现一形状为SA的发光体，被衍射光学元件调制后的LED光场进入人眼后，人眼和人脑对光场二次处理后，会观察到形状为SA的发光体。
本发明专利的衍射光学元件功能4：在功能1、功能2和功能3的基础上，衍射光学元件对光束进行纳米尺度的相位调制，基于功能1和功能2的优化处理结果以及功能3所需交通信号灯光场的需要，衍射光学元件针对球面波的波前相位分布进行光学傅里叶传播的迭代分析，通过对Iθ光场的相位进行调制，出射光场的衍射、干涉效果实现所需要的交通信号灯效果。
Claims (5)
1.一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，其特征在于：其包括一LED照射光源和一个以上衍射光学元件，LED光场照射衍射光学元件后，LED照射光源的光场经过该衍射光学元件的光学调制，该信号灯图案形状的光场沿着特定的角度区域传播，对于不同形状的信号灯图案的光场分布，通过设计调整衍射光学元件的光场波前相位调制、微观形貌和整体尺寸，或者通过多个衍射光学元件的拼接来实现；
所述LED照射光源的光场为未经过几何光学处理的LED芯片的光场，或者是经过后续几何光学处理的LED光场；
所述衍射光学元件，是基于交通信号灯图案光场需要，根据LED照射光源的光学参数以及人眼光学系统，有针对性的进行衍射光学元件的设计；
所述LED照射光源的光场波前为朗伯体光源或近似朗伯体光源；所述衍射光学元件为菲涅尔衍射光学元件或者夫琅禾费衍射光学元件；
所述衍射光学元件具备针对入射光场的波前特性进行相位调制的设计将入射光场的波前相位进行调制处理，实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计优化；
所述LED照射光源与衍射光学元件实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定光强分布、特定发散角的光场。
2.根据权利要求1所述的一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，其特征在于：假设衍射光学元件的形状为A1，该衍射光学元件是针对LED照射光源的光场的参数以及人眼观察物体的光学原理进行设计，设计效果是LED照射光源的光场照射衍射光学元件后，其出射光场的区域，人眼观察到的效果是看到了形状为SA1的发光体；对于不同形状的信号灯图案的光场分布，通过设计调整衍射光学元件A1，或者通过多个衍射光学元件的拼接A1-AN的DOE实现SA1-SAN的图案，即以A为基本单元拼接出信号灯的形状SA，使用LED光照射衍射光学元件后，衍射光学元件的出射光场区域内，人眼观察到的图案就是被A所拼接的信号灯图案SA。
3.根据权利要求1所述的一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，其特征在于：所述的特定的角度区域是根据“交通信号灯照明光场空间角度分布标准”制定。
4.根据权利要求1所述的一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，其特征在于:所述衍射光学元件具备对LED照射光源入射光场的X和Y方向发散角分别调制的功能，将入射光场的发散角进行均匀化处理，实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发散角的光场。
5.根据权利要求1所述的一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件具备对LED照射光源入射光场的X和Y方向的发光尺寸分别调制的功能，将入射光场的发光尺寸进行均匀化处理，实现所需交通信号灯图案的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发光尺寸的光场。
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