用led光源與衍射光學元件實現的交通信號燈光學系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電通訊領域，尤其涉及一種用LED光源與衍射光學元件實現的交通信號燈光學系統。
【背景技術】
[0002]傳統的交通信號燈光場的光學設計，是針對發光光源(如鹵素燈等)的特點，通過使用折射光學元件，如透鏡、反射鏡、微透鏡陣列、鏡頭、散光片，實現對發光光場的二次調制，實現所需要光場的輸出。該傳統設計方式是通過折射、遮擋、成像的方法，對入射光場進行調制，設計方法的光學元件復雜、數量較多，光利用效率非常低下，且功能單一，無法實現復雜的照明光場，例如對于嶄新應用領域的大傾斜角度交通信號燈、光強分布非對稱矯正、100米以上遠距離交通信號燈等應用領域，傳統的設計方式都無法實現。同時傳統照明光場設計方式，其光學器件尺寸大、成本很高，對應用環境要求很高，光學器件表面的細微灰塵都會造成異形光場的嚴重缺陷，上述因素為該產品的使用造成了很多不利的因素，嚴重的限制了產品的市場應用。
[0003]現代技術中，隨著市場、配件產品以及相應光電設備、系統的應用發展，配件應用市場對光電產品的應用越來越廣泛，對光電產品的技術指標要求也越來越高，其中根據具體應用需求所設計特殊圖案的交通信號燈照明光場的應用市場迅猛發展，如高清晰度交通信號燈產品、特殊圖案交通信號燈產品等，這些領域產品的發展，對主動照明光場都提出了復雜、苛刻的要求，傳統的照明光學系統其光學系統復雜，尺寸很大，成本很高，且調節復雜，需要多片透鏡的移動、聯調，而且光場控制方式簡單，不能實現復雜多變的光場分布，已無法滿足應用領域的需求，基于衍射光學和光學技術的發展，已經為實現特種照明光場提供了技術基礎，衍射光學元件是近期才逐漸成熟的新型光學元件，其設計原理與傳統的折射光學具備本質區別，是基于光場的波前相位特性進行光場調制設計，屬于波長級別的納米微光學器件，在1毫米尺寸的光場區域內，即可實現億萬量級的光場控制單元，對輸入光場進行豐富、靈活的調節，幾乎可以實現任何復雜的輸出光場的要求，其尺寸小、功能強大、光強利用效率極高，是未來交通信號燈領域的重要應用技術。

【發明內容】

[0004]本發明為了解決上述現有技術中存在的缺陷和不足，提供了一種可以有效的利用光場能量，實現節能的目的，同時徹底消除信號燈的光強分布標準(見GB 14887-2011)規定之外的區域的無效的光場分布，消除信號燈光污染的用LED光源與衍射光學元件實現的交通信號燈光學系統。
[0005]本發明的技術方案:一種用LED光源與衍射光學元件實現的交通信號燈光學系統，包括一 LED照射光源和一個以上衍射光學元件，LED光場照射衍射光學元件后，LED照射光源的光場經過該衍射光學元件的光學調制，該信號燈圖案形狀的光場沿著特定的角度區域傳播，對于不同形狀的信號燈圖案的光場分布，通過設計調整衍射光學元件的光場波前相位調制、微觀形貌和整體尺寸，或者通過多個衍射光學元件的拼接來實現。
[0006]優選地，假設衍射光學元件的形狀為A1，該衍射光學元件是針對LED照射光源的光場的參數以及人眼觀察物體的光學原理進行設計，設計效果是LED照射光源的光場照射衍射光學元件后，其出射光場的區域，人眼觀察到的效果是看到了形狀為SA1的發光體；對于不同形狀的信號燈圖案的光場分布，通過設計調整衍射光學元件A1，或者通過多個衍射光學元件的拼接A1-AN的D0E實現SA1-SAN的圖案，即以A為基本單元拼接出信號燈的形狀SA，使用Led光照射衍射光學元件后，衍射光學元件的出射光場區域內，人眼觀察到的圖案就是被A所拼接的信號燈圖案SA。
[0007]優選地，所述LED照射光源的光場為未經過幾何光學處理的LED芯片的光場，或者是經過后續幾何光學處理的LED光場。
[0008]優選地，所述衍射光學元件，是基于交通信號燈圖案光場需要，根據照射LED光源的光學參數以及人眼光學系統，有針對性的進行衍射光學元件的設計。
[0009]優選地，所述的特定的角度區域是根據“交通信號燈照明光場空間角度分布標準”(見 GB 14887-2011)制定。
[0010]優選地，所述LED照射光源的光場波前為朗伯體光源或近似朗伯體光源；所述衍射光學元件為菲涅爾衍射光學元件或者夫瑯禾費衍射光學元件。
[0011]優選地，所述衍射光學元件具備對LED照射光源入射光場的X和Y方向發散角分別調至的功能，將入射光場的發散角進行均勻化處理，實現所需交通信號燈圖案的異形光場的設計優化，光源照射衍射光學元件后，形成具備整體光學系統需要的特定發散角的光場。
[0012]優選地，所述衍射光學元件具備對LED照射光源入射光場的X和Y方向的發光尺寸分別調至的功能，將入射光場的發光尺寸進行均勻化處理，實現所需交通信號燈圖案的異形光場的設計優化，光源照射衍射光學元件后，形成具備整體光學系統需要的特定發光尺寸的光場。
[0013]優選地，所述衍射光學元件具備針對入射光場的波前特性進行相位調制的設計將入射光場的波前相位進行調至處理，實現所需交通信號燈圖案的異形光場的設計優化。
[0014]優選地，所述LED照射光源與衍射光學元件實現所需交通信號燈圖案的異形光場的設計，光源照射衍射光學元件后，形成具備整體光學系統需要的特定光強分布、特定發散角的光場。
[0015]衍射光學元件是通過對入射光場的波前調制，實現出射光場的光強分布設計，其任意形狀、發散角的照明光場的產生原理與傳統設計有本質區別，使用一片衍射光學元件即可取代傳統方法中的多種光學裝置的功能，光學元件少、尺寸小，光利用效率大幅度提高，可達到90%以上，光學功能非常豐富，可滿足任意形狀、光強分布的照明場的需求。
[0016]本發明中的衍射光學元件，是基于交通信號燈圖案光場需要，根據照射LED光源的光學參數以及人眼光學系統，有針對性的進行衍射光學元件的設計，實現特定光場的輸出，該衍射光學元件與LED光源實現的交通信號燈光場設計，其光強利用效率高，光場分布的形狀、光強分布都可以靈活控制，可以根據不同款型的交通信號燈的需要，實現復雜、多樣的圖案光場，是傳統照明設備無法實現的光學系統。
[0017]LED配合衍射光學元件的交通信號燈系統，通過LED光場與衍射光學元件的結合設計，可以實現任意復雜、具有特殊意義的交通信號燈圖案，而且基于LED光源的發光區尺寸小、光束傳播方向可控、遠距離傳播性能，可以實現超遠距離警示作用的交通信號燈效果Ο
[0018]該交通信號燈光學系統最重要的優勢在于高的光能量利用效率，在濃霧等可見度差的惡劣天氣環境中，傳統交通信號燈的可視度很差，可視距離短；而基于配合衍射光學元件實現的光束的定向傳播特性，光束的空間局部光強很強，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效果，有效的實現了交通信號燈的警示視覺作用，其在惡劣天氣環境下的可視距離達到傳統交通信號燈的10倍以上。
[0019]衍射光學元件具備體積小、安裝簡單、成本低的特點，可大幅度的縮小光學系統的體積，降低光學產品的成本；同時衍射光學元件具備光學指標容差較大，相對于傳統光學器件，其通光區域的細小灰塵、臟污對異形光場的影響很小，對應用環境的要求較低，可適應復雜多樣的應用環境，完全實現了光場的高光利用效率、低成本、光學結構設計簡單、尺寸小、高精度發散角調節系統，極大的提升了光學系統的功能和可應用性。
[0020]本發明通過該結合人眼光學結構以及LED照射光源的光場參數的衍射光學設計，LED照射光源與衍射光學元件實現的信號燈發光體只在“標準”所要求的角度區域內可以被人眼觀察到，其他區域沒有光能量的傳播而無法被觀察到，有效的利用了光場能量，實現了節能的目的，同時徹底消除“標準”規定之外的區域的無效的光場分布，消除了信號燈的光污染。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明單個衍射光學元件與LED光源結合的光學系統；
圖2為本發明多個衍射光學元件與LED光源結合的光學系統；
圖3為本發明中LED照射光源和衍射光學元件X方向的等效示意圖；
圖4為本發明中LED照射光源和衍射光學元件Y方向的等效示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明，但并不是對本發明保護范圍的限制。
[0023]如圖1所示，第一個衍射光學元件的設計方案是:入射光束為LED照射光源的光場，該LED照射光源的光場可以是未經過光學處理的LED芯片