激光式交通信号灯.pdf

本发明公开了一种激光式交通信号灯，包括光源和准直系统，还包括扩束系统和散热系统，所述扩束系统位于光源和准直系统之间，所述散热系统用于防止扩束系统受热，所述光源发出的光经过扩束系统扩束后照射到准直系统并经过准直系统形成均匀光束。本发明充分利用了激光的单色性好、亮度高、指向性好及光学衍射器件的体积小、重量轻、集成性高等优点，在满足以上设计要求的前提下实现了交通信号灯所需要的照明效果，并且具有系统紧凑型强的特点，突破了传统交通信号灯设计理念，与传统交通信号灯相比具有照明效果好、结构紧凑、光能利用率高等优点，具有良好的应用前景。

权利要求书
1.  一种激光式交通信号灯，包括光源(1)和准直系统(3)，其特征在于：还包括扩束系统(2)和散热系统(4)，所述扩束系统(2)位于光源(1)和准直系统(3)之间，所述散热系统(4)用于防止扩束系统(2)受热，所述光源(1)发出的光经过扩束系统(2)扩束后照射到准直系统(3)并经过准直系统(3)形成均匀光束。

2.  根据权利要求1所述的激光式交通信号灯，其特征在于所述光源(1)包括红色激光、黄色激光和绿色激光。

3.  根据权利要求2所述的激光式交通信号灯，其特征在于所述红色激光的发光功率为40.9mw-102.2mw，黄色激光的发光功率为11.4mw-28.5mw，绿色激光的发光功率为12.6mw-31.4mw。

4.  根据权利要求1所述的激光式交通信号灯，其特征在于所述扩束系统(2)为光学衍射器件。

5.  根据权利要求4所述的激光式交通信号灯，其特征在于所述光学衍射器件为台阶结构。

6.  根据权利要求1所述的激光式交通信号灯，其特征在于所述准直系统(3)为菲涅尔透镜。

7.  根据权利要求6所述的激光式交通信号灯，其特征在于所述菲涅尔透镜的直径为300mm。

8.  根据权利要求1所述的激光式交通信号灯，其特征在于所述散热系统(4)采用半导体散热片。

说明书激光式交通信号灯
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，具体为一种激光式交通信号灯。
背景技术
交通信号灯是交通安全产品中的一个种类，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。
目前常见的交通信号灯主要分为两部分：光源及面罩，将多颗单色LED(发光二极管)按照一定的形状进行排布，而后利用面罩将其进行简单的封装。该方案主要的不足之处在于：比如封装结构无法对出射光进行控制，很难满足照射角度及照射均匀性的要求；近距离观察信号灯时，其发光面不均匀，存在明显的颗粒感；光能利用率较低，需要采用多个LED来提高亮度。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种激光式交通信号灯。
为解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种激光式交通信号灯，包括光源和准直系统，还包括扩束系统和散热系统，所述扩束系统位于光源和准直系统之间，所述散热系统用于防止扩束系统受热，所述光源发出的光经过扩束系统扩束后照射到准直系统并经过准直系统形成均匀光束。
本发明的有益效果如下：充分利用了激光的单色性好、亮度高、指向性好及光学衍射器件的体积小、重量轻、集成性高等优点，在满足以上设计要求的前提下实现了交通信号灯所需要的照明效果，并且具有系统紧凑型强的特点，突破了传统交通信号灯设计理念，与传统交通信号灯相比具有照明效果好、结构紧凑、光能利用率高等优点，具有良好的应用前景。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为交通信号灯的结构框图；
图2为交通信号灯的结构示意图；
图3为人眼明视觉相对光谱效率与波长的关系图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的具体实施方式对本发明激光式交通信号灯作以下说明。
实施例：一种激光式交通信号灯，包括光源1和准直系统3，还包括扩束系统2和散热系统4，所述扩束系统2位于光源1和准直系统3之间，所述散热系统4用于防止扩束系统2受热，所述光源1发出的光经过扩束系统2扩束后照射到准直系统3并经过准直系统3形成均匀光束。
光源1包括红色激光、黄色激光和绿色激光。其中，红色激光的发光功率为40.9mw-102.2mw，黄色激光的发光功率为11.4mw-28.5mw，绿色激光的发光功率为12.6mw-31.4mw。
扩束系统2采用已被激光直写仪刻蚀成多台阶结构的光学衍射器件对具有一定发散角的激光光束进行扩束，同时配合出射激光的参数尺寸进行优化设计。准直系统3采用菲涅尔透镜并将其光滑面用作光学面罩，使其满足在规定照射区域(水平方向角度为左右30之间，俯仰方向角度为0°到向下10°之间)内的光强分布均匀。扩束系统2采用的光学衍射器件对具有一定发散角度的出射激光进行扩束，使得激光束在衍射距离为d1时覆盖直径的圆形菲涅尔透镜。光学衍射器件是一种采用激光直写工艺在透明基底上刻蚀经过设计的台阶结构的光学元件，可实现对入射激光进行大角度扩束。光学衍射器件的设计原理与算法可以在相关的文献资料中查找，常见的有基于正反傅里叶变换的G-S迭代算法及相应的改进算法。制作符合本实例的光学衍射器件可以根据具体的激光器出射光场分布，经过相应的设计与加工制作，使得激光束经过光学衍射器件进行大角度扩束，从而使得激光束覆盖整个菲涅尔透镜区域。
准直系统3所采用的菲涅尔透镜在材料选择方面采用高透光率、机械强度高、内部应力小的PC材料实现对交通信号灯的外部保护。
散热系统4采用半导体散热片，以此增大散热面积，提高散热效率，从而保证元件的使用性能，尤其是防止光学衍射器件因受热使得台阶高度发生变化影响其衍射效率，从而提高交通信号灯的使用寿命。
在激光器参数选择上应符合道路交通信号灯国家标准GB14887-2011的要求，对于无图案信号灯发光单元的发光强度分布应符合在规定照射区域(10m)内，发光强度应均匀，即在该区域内任一方向上的发光强度，不应低于400cd，且不大于1000cd。
由此可知，在10m的照射区域，基准线上的发光强度应满足：
400cd＜I＜1000cd(1)
根据测光公式：
照度[lx]＝光强度[cd]*球面度/平方米(2)
则相应的照度应在0.76lx～1.91lx之间
根据光通量公式：
光通量[lm]＝照度*被照面积(3)
若考虑大部分光分布需在10度范围内，则由式3得到相应的光通量应为：7.4lm～18.5lm。
根据图1中人眼明视觉相对光谱效率与波长的关系，可以获得三色激光下的发光效率：

表1红黄绿三色激光器发光功率
为使得该类型交通信号灯在照射区域符合国家标准须满足表1中对三色激光的发光功率要求。