用激光光源與衍射光學(xué)元件實現(xiàn)的交通信號燈光學(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，尤其涉及一種用激光光源與衍射光學(xué)元件實現(xiàn)的交通信號燈光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的交通信號燈光場的光學(xué)設(shè)計，是針對發(fā)光光源(如鹵素?zé)舻?的特點，通過使用折射光學(xué)元件，如透鏡、反射鏡、微透鏡陣列、鏡頭、散光片，實現(xiàn)對發(fā)光光場的二次調(diào)制，實現(xiàn)所需要光場的輸出。該傳統(tǒng)設(shè)計方式是通過折射、遮擋、成像的方法，對入射光場進(jìn)行調(diào)制，設(shè)計方法的光學(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，無法實現(xiàn)復(fù)雜的照明光場，例如對于嶄新應(yīng)用領(lǐng)域的大傾斜角度交通信號燈、光強(qiáng)分布非對稱矯正、100米以上遠(yuǎn)距離交通信號燈等應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的設(shè)計方式都無法實現(xiàn)。同時傳統(tǒng)照明光場設(shè)計方式，其光學(xué)器件尺寸大、成本很高，對應(yīng)用環(huán)境要求很高，光學(xué)器件表面的細(xì)微灰塵都會造成異形光場的嚴(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)品的市場應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)代技術(shù)中，隨著市場、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)用市場對光電產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，對光電產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求也越來越高，其中根據(jù)具體應(yīng)用需求所設(shè)計特殊圖案的激光交通信號燈照明光場的應(yīng)用市場迅猛發(fā)展，如高清晰度激光交通信號燈產(chǎn)品、特殊圖案激光交通信號燈產(chǎn)品等，這些領(lǐng)域產(chǎn)品的發(fā)展，對主動照明光場都提出了復(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、聯(lián)調(diào)，而且光場控制方式簡單，不能實現(xiàn)復(fù)雜多變的光場分布，已無法滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需求，基于衍射光學(xué)和激光技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)為實現(xiàn)特種照明激光光場提供了技術(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，是基于光場的波前相位特性進(jìn)行光場調(diào)制設(shè)計，屬于波長級別的納米微光學(xué)器件，在1毫米尺寸的光場區(qū)域內(nèi)，即可實現(xiàn)億萬量級的光場控制單元，對輸入光場進(jìn)行豐富、靈活的調(diào)節(jié)，幾乎可以實現(xiàn)任何復(fù)雜的輸出光場的要求，其尺寸小、功能強(qiáng)大、光強(qiáng)利用效率極高，是未來激光交通信號燈領(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能量，實現(xiàn)節(jié)能的目的，同時徹底消除“交通信號燈照明光場空間角度分布標(biāo)準(zhǔn)”(見GB 14887-2011)規(guī)定之外的區(qū)域的無效的光場分布，消除信號燈光污染的用激光光源與衍射光學(xué)元件實現(xiàn)的交通信號燈光學(xué)系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種用激光光源與衍射光學(xué)元件實現(xiàn)的交通信號燈光學(xué)系統(tǒng)，包括激光照射光源、第一衍射光學(xué)元件和第二衍射光學(xué)元件，激光光場照射第一衍射光學(xué)元件后，第一衍射光學(xué)元件實現(xiàn)激光信號燈圖案形狀的光場分布，該光場照射至第二衍射光學(xué)元件，經(jīng)過第二衍射光學(xué)元件的光學(xué)調(diào)制，該信號燈圖案形狀的光場沿著特定的角度區(qū)域傳播。
[0006]優(yōu)選地，所述激光照射光源為激光準(zhǔn)直光源，其激光光場波前為平面波或近似平面波。
[0007]優(yōu)選地，所述激光照射光源為發(fā)散光激光照射光源，其激光光場波前為球面波。
[0008]優(yōu)選地，所述第一衍射光學(xué)元件是針對激光照射光源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，用于實現(xiàn)交通信號燈光學(xué)系統(tǒng)所需的圖案光場分布；所述第二衍射光學(xué)元件是針對第一衍射光學(xué)元件的光場以及“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的交通信號燈光場照射的角度區(qū)域進(jìn)行設(shè)計，用于實現(xiàn)交通信號燈光場的角度分布區(qū)域。
[0009]優(yōu)選地，所述的特定的角度區(qū)域是根據(jù)“交通信號燈照明光場空間角度分布標(biāo)準(zhǔn)”制定。
[0010]優(yōu)選地，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，所述第一衍射光學(xué)元件具備對入射光場的X和Y方向發(fā)散角分別調(diào)至的功能，將入射光場的發(fā)散角進(jìn)行均勻化處理，實現(xiàn)所需激光交通信號燈圖案的異形光場的設(shè)計優(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。
[0012]優(yōu)選地，所述第一衍射光學(xué)元件具備對入射光場的X和Y方向的發(fā)光尺寸分別調(diào)至的功能，將入射光場的發(fā)光尺寸進(jìn)行均勻化處理，實現(xiàn)所需激光交通信號燈圖案的異形光場的設(shè)計優(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。
[0013]優(yōu)選地，所述第一衍射光學(xué)元件具備針對入射光場的波前特性進(jìn)行相位調(diào)制的設(shè)計將入射光場的波前相位進(jìn)行調(diào)至處理，實現(xiàn)所需激光交通信號燈圖案的異形光場的設(shè)計優(yōu)化。
[0014]優(yōu)選地，所述激光照射光源與衍射光學(xué)元件件實現(xiàn)所需激光交通信號燈圖案的異形光場的設(shè)計，激光照射光源照射第一衍射光學(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。
[0015]第一衍射光學(xué)元件是通過對入射光場的波前調(diào)制，實現(xiàn)出射光場的光強(qiáng)分布設(shè)計，其任意形狀、發(fā)散角的照明光場的產(chǎn)生原理與傳統(tǒng)設(shè)計有本質(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)分布的照明場的需求。
[0016]本發(fā)明的的第一衍射光學(xué)元件，是基于交通信號燈圖案光場需要，根據(jù)照射激光光源的光學(xué)參數(shù)，有針對性的進(jìn)行衍射光學(xué)元件的設(shè)計，實現(xiàn)特定圖案激光光場的輸出，該衍射光學(xué)元件與激光器實現(xiàn)的交通信號燈光場設(shè)計，其光強(qiáng)利用效率高，光場分布的形狀、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燈的需要，實現(xiàn)復(fù)雜、多樣的圖案光場，是傳統(tǒng)照明設(shè)備無法實現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)。
[0017]激光配合衍射光學(xué)元件的激光交通信號燈系統(tǒng)，通過激光光場與衍射光學(xué)元件的結(jié)合設(shè)計，可以實現(xiàn)任意復(fù)雜、具有特殊意義的交通信號燈圖案，而且基于激光光源的發(fā)光區(qū)尺寸小、光束傳播方向可控、遠(yuǎn)距離傳播性能，可以實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離警示作用的交通信號燈效果。
[0018]該激光交通信號燈光學(xué)系統(tǒng)最重要的優(yōu)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(huán)境中，傳統(tǒng)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(xué)元件實現(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效果，有效的實現(xiàn)了交通信號燈的警示視覺作用，其在惡劣天氣環(huán)境下的可視距離達(dá)到傳統(tǒng)交通信號燈的10倍以上。
[0019]衍射光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的體積，降低光學(xué)產(chǎn)品的成本；同時衍射光學(xué)元件具備光學(xué)指標(biāo)容差較大，相對于傳統(tǒng)光學(xué)器件，其通光區(qū)域的細(xì)小灰塵、臟污對異形光場的影響很小，對應(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，完全實現(xiàn)了光場的高光利用效率、低成本、光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、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)明通過第一衍射光學(xué)元件對激光照射光源的光場參數(shù)的衍射光學(xué)設(shè)計，通過第二衍射光學(xué)元件的進(jìn)行光學(xué)調(diào)制，使得激光照射光源與衍射光學(xué)元件實現(xiàn)的信號燈發(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(xiàn)了節(jié)能的目的，同時徹底消除“交通信號燈照明光場空間角度分布標(biāo)準(zhǔn)”(見GB 14887-2011)規(guī)定之外的區(qū)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(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的俯視不意圖；
圖2為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的側(cè)視示意圖；
圖3為本發(fā)明中激光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)明中激光照射光源和衍射光學(xué)元件Y方向的等效示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但并不是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0023]如圖1所示，第一衍射光學(xué)元件的設(shè)計方案是:入射光束為一平行或發(fā)散狀的激光光束，該衍射光學(xué)元件表面具備納米量級的微觀凹凸形貌，該微觀凹凸形貌是根據(jù)入射光束的光學(xué)參數(shù)以及所要求的出射光場的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，通過該凹凸形貌對入射光束的波前進(jìn)行相位調(diào)制，入射光束的通過該衍射光學(xué)元件后所傳播光場的衍射、干涉特性實現(xiàn)了所需要的出射光場。該衍射光學(xué)元件是根據(jù)入射光場的光學(xué)特性，進(jìn)行針對性設(shè)計，調(diào)節(jié)入射光場的波前，實現(xiàn)入射光場到所需要出射光場的傅里葉變換。激光光源與衍射光學(xué)元件位置固定，只通過一片衍射光學(xué)元件的調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)所需復(fù)雜光強(qiáng)分布光場的設(shè)計，光學(xué)功能強(qiáng)大，同時可以大幅度縮小照明系統(tǒng)的尺寸，降低照明系統(tǒng)的成本，擴(kuò)展了激光交通信號燈照明系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式。
[0024]如圖1所示，第二衍射光學(xué)元件的設(shè)計方案是:第一衍射光學(xué)元件的出射光場實現(xiàn)了信號燈的圖案光場，該圖案光場照射至第二衍射光學(xué)元件。第二衍射光學(xué)元件是針對該出射光場的特性，以及“交通信號燈照明光場空間角度分布標(biāo)準(zhǔn)”(見GB 14887-2011)中規(guī)定的信號燈照射的角度區(qū)域的要求，進(jìn)行針對性設(shè)計，第二衍射光學(xué)元件表面同樣具備納米