СВЕТОВОЗВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК G02B5/12 

Изобретение относится к области оптической локации и может использоваться для отработки методов дистанционного зондирования с помощью активных оптико-электронных систем. Оно необходимо при экспериментальном определении характеристик отражения искусственных и естественных объектов в обратном направлении, а именно: коэффициента яркости, показателя световозвращения или эффективной отражающей площади катафотов, используемых в светодальнометрии и оптической локации, оценки качества отражающих дорожных знаков и др.

Световозвращатели делятся на три основных группы: уголковые (зеркальные и призменные), зеркально-линзовые и катафоты, образованные совокупностью микро- или макроотражателей. К последней группе относятся блоки небольших уголковых отражателей, наборы отражающих и преломляющих сфер, пленочные структуры и т.д. Все световозвращатели служат для повышения интенсивности излучения, отраженного в обратном направлении.

С другой стороны, для определения отражательных характеристик в качестве меры сравнения обычно используется диффузная поверхность, близкая к ламбертовской, или зеркальная сфера (см. Непогодин И.А. "Основные виды отражательных характеристик тел в направлении приема и методы их применения в оптике". Импульсная фотометрия. Л., 1981, вып. 7, с. 124-131). Несмотря на то, что эти отражатели имеют известный, а в особых случаях специально калиброванный коэффициент отражения, их использование в ряде задач невозможно из-за малой направленности отражения. При реализации метода сравнения сигналы от меры сравнения и измеряемого объекта для снижения погрешности должны быть соизмеримы и попадать в диапазон линейности регистрирующего устройства. Для стандартных фотометров он составляет около 100 крат. Поэтому возникают трудности и недопустимо большие ошибки измерения характеристик объектов с высокой направленностью отражения в обратном направлении.

В качестве прототипа выбрано наиболее близкое к заявляемому решению импульсное ретрорефлекторное устройство (см. патент США N 4023888, публикация от 17 мая 1977 г., том 958, N 3). Это сигнальное устройство представляет собой модификацию зеркально- линзового отражателя. Внутри его корпуса в фокусе линзы расположен отражатель, возвращающий падающий на него через линзу свет по оптическому пути обратно к линзе. Устройство оборудовано держателем и приводом, приводящим отражатель в колебательное движение. Отражатель периодически смещается и изменяет оптический путь. В результате формируется импульсный световой сигнал. Основным недостатком этого рефлектора является невозможность детерминированного и статического изменения отраженного сигнала в достаточно широком диапазоне. Колебание зеркала кроме того приводит к изменению положения оси диаграммы направленности и ее асимметрии, что также является неприемлемым при измерениях.

Целью изобретения является создание устройства, позволяющего плавно и детерминированным образом изменять интенсивность отраженного излучения в направлении, обратном освещающему пучку. При этом необходимо обеспечить равномерную диаграмму направленности или индикатрису отражения в направлении приема отраженного излучения.

Технический результат изобретения состоит в плавном и детерминированном изменении интенсивности отраженного излучения в направлении, обратном освещающему пучку, при равномерной диаграмме направленности (или индикатрисе отражения) в направлении приема отраженного излучения.

Технический результат в предлагаемом устройстве, содержащем корпус, объектив и отражатель, достигается за счет того, что отражатель установлен вне фокальной плоскости на каретке с возможностью перемещения вдоль оптической оси и контроля положения относительно фокуса объектива, на корпусе установлен визир, а в качестве отражателей используется плоский или объемный рассеиватель. При работе с лазерным источником с высокой степенью пространственной когерентности дополнительно введен механизм временного усреднения спекл-картины, обеспечивающий непрерывное вращательное или возвратно-поступательное движение отражателя в направлении, перпендикулярном оптической оси.

На основе теоретического рассмотрения и экспериментальных исследований нами впервые показано, что предлагаемое устройство имеет следующие свойства:
высокая величина коэффициента яркости в обратном направлении, которая в соответствии с определением коэффициента яркости в 1000 раз и более превышает эффективность обратного отражения для диффузного отражателя такого же размера;
диапазон перестройки коэффициента яркости составляет не менее 150 крат при перемещении отражателя в пределах 1/10 части фокусного расстояния;
хорошая воспроизводимость отражательных характеристик и их однозначная связь с положением отражающей пластинки.

Совокупность этих особенностей обуславливает уникальные возможности устройства и высокие метрологические показатели, что позволяет его широко использовать в качестве меры сравнения при измерениях отражательных характеристик.

Устройство работает следующим образом (см. фигуру 1). Направленное на объектив 2 излучение (лазерное или от автомобильных фар) в виде сходящегося пучка падает на отражатель 3, расположенный на каретке 4 со шкалой. На отражателе, находящемся вне фокальной плоскости, формируется пятно излучения, размер которого прямо пропорционален величине расфокусировки. Отраженное излучение возвращается на объектив, который формирует расходящийся пучок с диаграммой направленности, определяемой величиной расфокусировки. Для круглой тонкой линзы и ламбертовского отражателя зависимость коэффициента яркости в обратном направлении приближенно описывается соотношением (1):
b = (4/π)•{2[1-cos(α)]}•{arctg[D/(f+z)]}², (1)
где f - фокусное расстояние линзы;
D - диаметр линзы;
x - величина расфокусировки;
z = f (f|x - 2);
α = arctg{D/[2 (f-z)]}.

При перемещении отражающей пластины вплотную к линзовому объективу с точностью до квадрата его пропускания устройство будет соответствовать плоской диффузной поверхности.

Дополнительно снижение эффективности отражения производится за счет установки пластинок с малыми коэффициентами отражения или введения калиброванного поглощающего фильтра перед пластинкой. Визир 5, закрепленный на корпусе 1, позволяет ориентировать ось диаграммы направленности отраженного излучения в пространстве и обеспечивает воспроизводимую работу устройства при минимальной величине расфокусировки и максимальной направленности отражения.

При работе с когерентным излучением и, в первую очередь, с излучением CO₂- лазеров для исключения влияния на точность измерений пространственной модуляции индикатрисы отражения (или спекл- картины), возникающей за счет случайной интерференции рассеянного отражателем излучения, пластинка отражателя приводится в возвратно-поступательное или вращательное движение механизмом 6. В последнем случае ось вращения пластинки не должна совпадать с оптической осью объектива. Амплитуда перемещения пластинки относительно пятна должна быть в несколько раз больше длины волны и (или) характерного размера шероховатости.

Таким образом, благодаря возможности перемещения отражателя вдоль оптической оси и контроля расфокусировки x, достигается указанный результат. Использование сменных отражателей, визира и механизма временного усреднения спекл-картины придает устройству новые уникальные возможности.

Авторам не известны другие технические решения, в которых присутствуют механизм перемещения отражателя с контролем величины расфокусировки и механизм временного усреднения спекл-картины, позволяющие плавно и в широком диапазоне изменять интенсивность излучения, отраженного в обратном направлении, а также визир, оптическая ось которого связана с диаграммой направленности отраженного излучения.

Конкретная реализация устройства включает корпус, объектив, отражатель, каретку с микрометрическим винтом и шкалой, визир, механизм наведения. Линза объектива из германия имеет световой диаметр 100 мм и фокус 154 мм. Отражатель представляет собой пластины размером 50х50 мм, изготовленные из стекла К8 и обработанные разными абразивами. Для увеличения коэффициента отражения на шероховатую поверхность пластин нанесено алюминиевое покрытие. Каретка могла перемещаться в пределах 45 мм. В качестве визира используется прицел для спортивного оружия, а поворотный механизм обеспечивает требуемую плавность угловой ориентации оптической оси световозвращателя.

Устройство опробовалось в натурных условиях на длине волны 10,6 мкм на дистанциях (100-750) м. При этом подтвердилась хорошая воспроизводимость и возможность изменения коэффициента яркости в диапазоне более 100 крат. Использование сменных пластин с коэффициентами отражения 8 и 95% позволило расширить диапазон до 1200.

На фигуре 2 представлена экспериментальная зависимость коэффициента яркости от величины расфокусировки. Наибольший коэффициент яркости соответствует расфокусировке 0,5 мм, что соответствует диаметру пятна 0,3 мм. При размере пятна на отражателе менее 1 мм необходимо использовать механизм временного усреднения.

Изобретение относится к области оптической локации и может быть использовано для дистанционных измерений отражательных характеристик объектов. Устройство содержит корпус, объектив, отражатель, каретку со шкалой, визир и дополнительный механизм, необходимый при работе с когерентным лазерным излучением и обеспечивающий движение отражателя в направлении, перпендикулярном оптической оси. Изменение интенсивности отраженного излучения обеспечивается либо перемещением отражателя от фокальной плоскости объектива, либо выбором отражающих пластинок с разным коэффициентом отражения. Технический результат изобретения состоит в достижении хорошей воспроизводимости отражательных характеристик. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Световозвращатель, содержащий корпус, объектив и подвижный отражатель, отличающийся тем, что отражатель установлен вне фокальной плоскости на каретке с возможностью перемещения вдоль оптической оси и контроля положения относительно фокуса объектива, на корпусе дополнительно установлен визир, а в качестве отражателей используется плоский или объемный рассеиватель. 2. Световозвращатель по п.1, отличающийся тем, что при работе с лазерным источником с высокой степенью пространственной когерентности дополнительно вводят механизм временного усреднения спекл-картины, обеспечивающий непрерывное вращательное или возвратно-поступательное движение отражателя в направлении, перпендикулярном оптической оси.