CN105372826A - 用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，包括激光照射光源、第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，激光光场照射第一衍射光学元件后，第一衍射光学元件实现激光信号灯图案形状的光场分布，该光场照射至第二衍射光学元件，经过第二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。本发明使得激光照射光源与衍射光学元件实现的信号灯发光体只在“交通信号灯照明光场空间角度分布标准”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，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。
Description
技术领域
本发明属于光电通讯领域，尤其涉及一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***。
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、***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激光交通信号灯照明光场的应用市场迅猛发展，如高清晰度激光交通信号灯产品、特殊图案激光交通信号灯产品等，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***其光学***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，基于衍射光学和激光技术的发展，已经为实现特种照明激光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，是未来激光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“交通信号灯照明光场空间角度分布标准”（见GB14887-2011）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激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***。
本发明的技术方案：一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，包括激光照射光源、第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，激光光场照射第一衍射光学元件后，第一衍射光学元件实现激光信号灯图案形状的光场分布，该光场照射至第二衍射光学元件，经过第二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。
优选地，所述激光照射光源为激光准直光源，其激光光场波前为平面波或近似平面波。
优选地，所述激光照射光源为发散光激光照射光源，其激光光场波前为球面波。
优选地，所述第一衍射光学元件是针对激光照射光源的参数进行设计，用于实现交通信号灯光学***所需的图案光场分布；所述第二衍射光学元件是针对第一衍射光学元件的光场以及“标准”规定的交通信号灯光场照射的角度区域进行设计，用于实现交通信号灯光场的角度分布区域。
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”制定。
优选地，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，所述第一衍射光学元件具备对入射光场的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，实现所需激光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***需要的特定发散角的光场。
优选地，所述第一衍射光学元件具备对入射光场的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，实现所需激光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***需要的特定发光尺寸的光场。
优选地，所述第一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，实现所需激光交通信号灯图案的异形光场的设计优化。
优选地，所述激光照射光源与衍射光学元件件实现所需激光交通信号灯图案的异形光场的设计，激光照射光源照射第一衍射光学元件后，形成具备整体光学***需要的特定光强分布、特定发散角的光场。
第一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。
本发明的的第一衍射光学元件，是基于交通信号灯图案光场需要，根据照射激光光源的光学参数，有针对性的进行衍射光学元件的设计，实现特定图案激光光场的输出，该衍射光学元件与激光器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***。
激光配合衍射光学元件的激光交通信号灯***，通过激光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，而且基于激光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。
该激光交通信号灯光学***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***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***，极大的提升了光学***的功能和可应用性。
本发明通过第一衍射光学元件对激光照射光源的光场参数的衍射光学设计，通过第二衍射光学元件的进行光学调制，使得激光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“交通信号灯照明光场空间角度分布标准”（见GB14887-2011）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为本发明光学***的俯视示意图；
图2为本发明光学***的侧视示意图；
图3为本发明中激光照射光源和衍射光学元件X方向的等效示意图；
图4为本发明中激光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，第一衍射光学元件的设计方案是：入射光束为一平行或发散状的激光光束，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。激光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，光学功能强大，同时可以大幅度缩小照明***的尺寸，降低照明***的成本，扩展了激光交通信号灯照明***的应用领域和应用方式。
如图1所示，第二衍射光学元件的设计方案是：第一衍射光学元件的出射光场实现了信号灯的图案光场，该图案光场照射至第二衍射光学元件。第二衍射光学元件是针对该出射光场的特性，以及“交通信号灯照明光场空间角度分布标准”（见GB14887-2011）中规定的信号灯照射的角度区域的要求，进行针对性设计，第二衍射光学元件表面同样具备纳米量级的微观凹凸形貌，该凹凸形貌的作用是对第一衍射光学元件的图案光场进行二次相位调制，该图案光场被二次相位调制后，会沿着一定的角度区域进行传播，实现激光交通信号灯的照明区域分布。
一、下面针对图1中发散光激光器的衍射光学元件设计进行详细描述：
图3和4中，激光器选型为发散光激光器（如半导体激光器），所发出的激光，其X方向发散角θx和Y方向发散角θy会有一定区别，激光器的发光尺寸Lx和Ly也有较大区别，例如半导体激光器的区别很大，θx约为40度，θy约为10度，Lx为1um，Ly为100um。
激光器选型为发散光激光器（如半导体激光器），激光器发出的激光光斑，由于θx和θy的影响，其光斑的X方向尺寸dx和Y方向尺寸dy具备一定的区别，例如半导体激光器的dx和dy区别很大，dx=Lx+tan（θx/2）×2×D，dy=Ly+tan（θy/2）×2×D，式中D为激光光斑测试位置与激光器发光位置之间的距离。
为实现良好的激光交通信号灯照明效果，需要针对上述半导体激光器的特点针对性的进行衍射光学元件设计。
本专利的衍射光学元件的功能1：由于θx和θy以及Lx和Ly的影响，X和Y方向的真实的球面波汇聚焦点并不位于激光器发光面上，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***），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***），发散光激光器的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，以用于实现后续激光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），激光器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，例如半导体激光器的使用，在衍射光学元件处理前，半导体激光发光尺寸X和Y方向的比例情况：dx：dy=100:1，经过衍射光学元件参数的良好设计，dx：dy=4:1，显著改善了光斑尺寸的比例，以用于实现后续激光交通信号灯光场需要。
本发明专利的衍射光学元件功能3：在功能1和功能2的基础上，衍射光学元件对光束进行再次的相位调制，基于功能1和功能2的激光的优化处理结果以及所需激光交通信号灯光场的需要，发散光的波前为球面波方式，本发明专利的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激光交通信号灯效果。
二、下面针对图1中准直平行光激光器的衍射光学元件设计进行详细描述：
图1中，激光器选型为准直平行光激光器，所发出的激光，其X方向发散角θx和Y方向发散角θy角度非常小，激光光束呈现平行光的传播方式，其波前为平面波。
图1中，激光器选型为准直平行光激光器，激光器发出的激光，其X方向尺寸dx和Y方向尺寸dy具备一定的区别，例如经过非球面透镜发散角压缩的半导体激光器的dx和dy具备区别，dx：dy=1:5。
为实现良好的激光交通信号灯照明效果，需要针对上述半导体激光器的特点针对性的进行衍射光学元件设计。
本专利的衍射光学元件的功能1：设计融入了针对平面波的设计，θx和θy都是很小的近似于0的角度，衍射光学元件根据该特点进行X和Y方向相同的平面波相位处理。
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，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），激光器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，例如经过非球面透镜发散角压缩的650nm半导体激光器，在衍射光学元件处理前，半导体激光发光尺寸X和Y方向的比例情况：dx：dy=1:5，经过衍射光学元件处理后，在10mm距离处光斑可实现dx：dy=1:1，显著改善了光斑尺寸的比例，以用于实现后续激光交通信号灯光场需要。
本发明专利的衍射光学元件功能3：在功能1和功能2的基础上，衍射光学元件对光束进行再次的相位调制，基于功能1和功能2的激光的优化处理结果以及所需激光交通信号灯光场的需要，准直平行光的波前面波方式，本发明专利的衍射光学元件针对平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激光交通信号灯效果。
Claims (10)
1.一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于：其包括激光照射光源、第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，激光光场照射第一衍射光学元件后，第一衍射光学元件实现激光信号灯图案形状的光场分布，该光场照射至第二衍射光学元件，经过第二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。
2.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于：所述激光照射光源为激光准直光源，其激光光场波前为平面波或近似平面波。
3.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于：所述激光照射光源为发散光激光照射光源，其激光光场波前为球面波。
4.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于：所述第一衍射光学元件是针对激光照射光源的参数进行设计，用于实现交通信号灯光学***所需的图案光场分布；所述第二衍射光学元件是针对第一个衍射光学元件的光场以及“交通信号灯照明光场空间角度分布标准”规定的交通信号灯光场照射的角度区域进行设计，用于实现交通信号灯光场的角度分布区域。
5.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，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。
6.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于: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。
7.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于:所述第一衍射光学元件具备对入射光场的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，实现所需激光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***需要的特定发散角的光场。
8.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于:所述第一衍射光学元件具备对入射光场的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，实现所需激光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***需要的特定发光尺寸的光场。
9.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于:所述第一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，实现所需激光交通信号灯图案的异形光场的设计优化。
10.根据权利要求1所述的一种用激光光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学***，其特征在于:所述激光照射光源与衍射光学元件件实现所需激光交通信号灯图案的异形光场的设计，激光照射光源照射第一衍射光学元件后，形成具备整体光学***需要的特定光强分布、特定发散角的光场。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20171208 Address after: 314500, building 3, building 1156, Gaoqiao Road, Gaoqiao Town, Tongxiang, Zhejiang, Jiaxing 8, China Applicant after: Jiaxing Yu light photoelectric technology Co. Ltd. Address before: 2 No. 452, No. 6, No. 310000, Poplar Street, Xiasha Economic Development Zone, Zhejiang, Hangzhou Province, 0804 Applicant before: HANGZHOU DONG SHANG OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY CO., LTD. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20160302 |