ПРИЗМЕННЫЙ УГОЛКОВЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G02B5/122 

Изобретение относится к локационной технике и может быть использовано в качестве отражающего элемента в навигационных знаках, буях, маркерах, дальномерах для получения информации о наличии объекта, на котором установлен отражатель, расстоянии до него, характеристиках движения.

Известен уголковый отражатель, выполненный в виде тетраэдра из стекла с тремя металлизированными отражающими гранями, образующими двугранные углы π/2, π/2, π/4 и ребрами двугранных углов, отношение длин которых зависит от показателя преломления стекла /1/. Однако при работе в сложных условиях или при воздействии мореного излучения металлическое покрытие может выйти из строя. Кроме того, при пятикратном отражении от металла теряется до 40% энергии падающей волны.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является уголковый отражатель, работающий в режиме полного внутреннего отражения и выполненный в виде трехгранной пирамиды с боковыми ребрами равной длины и двугранными углами между отражающими гранях, равными π/2, π/2, π/4 /2/. Однако этот отражатель имеет небольшой угловой диапазон возвратного действия.

Цель изобретения получение максимальной угловой апертуры призменного уголкового отражателя.

Указанная цель достигается тем, что в призменном уголковом отражателе, выполненном в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы между отражающими гранями которой равны π/2, π/2, π/4 согласно изобретению фронтальная грань отражателя ограничивает длины его боковых ребер в отношении
R₁:R₂:R₃ а:а:1 (1)
где величина а, относящаяся к ребрам прямых двугранных углов, определяется через показатель преломления материала n следующим образом
при 1,3614 ≤ n < 1,850
a -1,55 n³ + 8,48 n² 16,20 n + 11,25;
при 1,850 ≤ n < 1,924
a 1,15 n² 3,45 n + 2,95;
при 1,924 ≤ n < 1,950
a 5,00 n² + 20,61 n 19,37 n;
при 1,950 ≤ n ≤ 2,5
a 2,02 n³ + 15,07 n² 38,42 n + 34,39.

Предлагаемое устройство соответствует критерию новизны, так как характеризуется наличием нового признака, а именно специальным подбором в зависимости от показателя преломления длин боковых ребер отражателя.

Сравнение предлагаемого технического решения с другими техническими решениями показывает, что оно соответствует критерию существенных отличий, так как введение нового признака приводит к проявлению устройством нового свойства обладанием максимально возможной для заданного n угловой апертурой, т. е. телесным углом, при облучении в пределах которого отражатель возвращает падающее на него излучение в направлении, строго противоположном падающему.

На фиг. 1 приведен общий вид предлагаемого устройства. Оно выполнено в виде трехгранной пирамиды 1 с тремя боковыми отражающими гранями 2, 3 и 4 и входной фронтальной гранью 5. Двугранные углы между гранями 2 и 4, 3 и 4 равны π/2 а между гранями 2 и 3 π/4 Показатель преломления материала отражателя равен n. На гранях 2, 3 и 4 свет испытывает полное внутреннее отражение. Длина бокового ребра 6 между гранями 2 и 4 равна R₁, ребра 7 между гранями 3 и 4 R₂, ребра 8 между гранями 2 и 3 R₃. Длины боковых ребер 6, 7 и 8 связаны соотношением (1). На фиг. 2 приведена кривая 9, характеризующие конструкцию заявляемого отражателя, т.е. зависимость соотношения длин боковых ребер а от показателя преломления n материала отражателя в соответствии с формулой (1).

Устройство работает следующим образом.

Пучок света входит в отражатель 1 через его фронтальную грань 5. После пяти полных внутренних отражений от боковых граней 2, 3 и 4 он выходит из отражателя 1 через фронтальную грань 5 в направлении, противоположном направлению падения. Пространство изображений, формирующее возвращаемый пучок, образуется в рассматриваемой системе отражающих поверхностей в процессе отображения каждой из зеркальных граней 2, 3 и 4 в двух других, в последовательности прохождения их волной. Общая часть всех изображений, наблюдаемая в возвращаемой волне, ограничена здесь контуром, совпадающим с контуром фронтальной грани, перевернутым на 180^oC. При полностью освещенной фронтальной грани отражателя проекция контура пространства изображения на фронтальную грань в направлении оси визирования с учетом преломления на фронтальной грани образует рабочую апертуру отражателя, а геометрический континуум направлений падающего пучка внутри створа пространственного угла, при которых эти проекции являются ненулевыми, образуют угловую апертуру отражателя.

Форма и размер угловой апертуры, определяемый величиной соответствующего пространственного угла, зависят от ориентации фронтальной грани относительно боковых ребер отражателя и показателя преломления материала отражателя. Угловая апертура характеризуется величиной телесного угла, включающего в себя все возможные направления возвратного отражения

где φ азимутальный угол в плоскости фронтальной грани, q_внешн(φ) - предельное значение возможного отклонения падающего пучка от нормали к фронтальной грани для данного значения угла φ При расчетах по формуле (2) необходимо учитывать преломление на фронтальной грани и делать переход от внешних к внутренним углам падения
sinθ_внешн = nsinθ_внутр (3)
Параметры предлагаемого устройства (соотношение длин боковых ребер) оптимизированы таким образом, что оно имеет максимально возможную для данного показателя преломления угловую апертуру. На фиг. 2 приведены значения угловой апертуры Ω в стерадианах (нормировано на p в зависимости от n для заявляемого устройства (кривая 10). Кривая 11 соответствует аналогичной зависимости для прототипа. Из фиг. 2 непосредственно видно, что достигаемое увеличение угловой апертуры особенно существенно для значений показателя преломления в области 1,75 <n <2,25. Например, при n 18 имеем W = 0,337π стер (а 0,53), Ω_прот = 0,267π стер рост на 27% при n 2,0 имеем Ω = 0,617π стер (а 1,68), Ω_прот = 0,453π стер рост на 36%
В качестве примера исполнения рассмотрим призменный уголковый отражатель π/2, π/2, π/4 изготовленный из оптического стекла марки ТБФ8 (n 1,864057 при λ 546,07 нм) /3/. На фиг. 3 изображена диаграмма предельных значений углов визирования, т.е. индикатрисса угловой апертуры предлагаемого отражателя (а 0,50, кривая 12). Кривая 13 соответствует индикатриссе угловой апертуры прототипа. Концентрическими кругами здесь отмечены углы между нормалью к фронтальной грани и направлением падения волн. Секторные линии определяют значения азимутальных углов падения на фронтальную грань, отсчитываемых против часовой стрелки. Общая площадь, ограниченная угловой индикатриссой, здесь на 39% больше, чем у прототипа: W = 0,446π стер Ω_прот = 0,321π стер.
Таким образом, предлагаемый уголковый отражатель расширяет диапазон видимости объектов в локационных системах, что повышает эффективность их работы.

Использование: в локации для индикации объектов и получения информации о параметрах их движения. Сущность: в призменном уголковом отражателе, выполненном в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы между отражающими гранями которой равны π/2, π/2, π/4 , фронтальная грань отражателя ограничивает длины его боковых ребер в отношении R₁:R₂:R₃ = а:а:1, где величина а, относящаяся к ребрам прямых двугранных углов, определяется через показатель преломления материала n с помощью математических выражений. 3 ил.

Призменный уголковый отражатель, выполненный в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы между отражающими гранями которой равны π/2,π/2,π/4, отличающийся тем, что фронтальная грань отражателя ограничивает длины его боковых ребер в соотношении R₁ R₂ R₃ a a 1, где величина а, относящаяся к ребрам прямых двугранных углов, определяется через показатель преломления материала следующим образом:
при 1,3614 ≤ n < 1,850
а -1,55 n³ + 8,48 n² 16,20 n + 11,25;
при 1,850 ≤ n < 1,924
а 1,15 n² 3,45 n + 2,95;
при 1,924 ≤ n < 1,950
а -5,00 n² + 20,61 n 19,37;
при 1,950 ≤ n < 2,5
а -2,02 n³ + 15,07 n² 38,42 n + 34,39.