ПОРТАТИВНЫЙ ПРИБОР КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗВРАТНО-ОТРАЖАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к области оптико-механического и электронного приборостроения и может быть использовано в приборах измерения и контроля возвратно-отражающей способности автодорожных информационных знаков и автомобильных световозвращателей.

Уровень техники

Известна установка RETRO 1000 (и RETRO 2000, см. [1], с.15, реализованные в соответствии со схемой [2], с.7, фиг.3) для измерения возвратно-отражающей способности (по другой терминологии, "световозвращающей" способности, или "коэффициента световозвращения" R, пропорционального отношению силы I света, возвратно-отраженного "световозвращателем" в данном направлении (близком к направлению освещения) к величине Е его освещенности: R˜I/E) световозвращающих материалов и изделий при заданных углах расхождения а и освещения β (другое частое название угла расхождения "угол наблюдения", α - это угол между направлением возвратно-отраженного (или "возвращенного") луча и направлением, строго обратным падающему лучу, нормируемые углы наблюдения весьма малы, но, как правило, не равны нулю, так как даже при наблюдении со стороны источника света фотоприемник (глаз наблюдателя - шофера автомобиля) и источник (фара автомобиля) не совпадают по положению. Типичные нормативные требования (см. ГОСТ Р 50577-93, Приложение Г) распространяются на углы расхождения ("наблюдения"), равные 0°12', 0°20', 1°30'. Угол освещения β характеризует ориентацию световозвращающей поверхности относительно направления освещения: β - острый угол между падающим лучом и нормалью к этой поверхности. Коэффициент световозвращения как функция названных углов R(α, β) для хороших световозвращателей очень быстро падает с ростом α от 0 до 2° и медленно - с ростом β, обеспечивая видимость световозвращающих информационных знаков в возвратно-отраженных лучах вплоть до углов освещения β порядка 45° и более), состоящая из 1) источника света, создающего направленное (на испытуемый образец изделия) излучение, 2) устройства (например, гониометра) для базирования испытуемого образца под заданным углом освещения β, удаленного на большое (10 м и более) расстояние L (базу фотометрирования) от источника, 3) фотоприемника возвратного излучения, расположенного в одной плоскости с источником (нормальной с направлением излучения) на малом изменяемом расстоянии r≪L от источника. В терминах нижеследующих описаний прототипа и заявляемого устройства в данном устройстве-аналоге оптические "каналы излучения" и "фотоприема" практически совмещены с "главным каналом освещения-отражения" образца, ось которого проходит через геометрический центр оправы (диафрагмы) образца, ограничивающей падающий на него световой поток источника (наличие в помещении других источников света недопустимо). Заданный малый (порядка 0.3°) угол расхождения α обеспечивается определенным значением смещения (на величину r) центра входного отверстия фотоприемника от оси главного канала: a≈r/L. Такая установка требует большого, защищенного от внешнего света помещения, при этом чувствительность фотоприема невелика.

Известна схема переносного прибора (см. [3], с.4, фиг.3) для контроля световозвращателей, в котором для увеличения фотосигнала при заданном угле расхождения к используется кольцевой фотоэлемент среднего радиуса r≈α·L, охватывающий ось общего канала излучения, освещения-отражения и фотоприема (проходящую через центральное отверстие в фотоэлементе), а источник расположен позади фотоэлемента. На выходе прибора имеется собирающая линза, обеспечивающая постоянство угла освещения β по площади образца при укороченном базовом расстоянии L. Недостатком является неизменный угол расхождения α (для его изменения требуется замена фотоэлемента сложной формы), причем в габаритах переносного прибора технологически трудно по данной схеме обеспечить значения α, меньшие 1° (отсутствие развязки каналов излучения и фотоприема не позволяет реализовать достаточно малые значения r).

Известна используемая в качестве прототипа короткобазная (следовательно, пригодная для разработки портативного прибора) схема Новикова (см. [3], с.5, фиг.7), также включающая источник света, устройство базирования образца и фотоприемник, и, кроме того, светоделительное устройство (светоделитель), обеспечивающее пространственную развязку каналов излучения и фотоприема и оптическое согласование их с главным каналом освещения-отражения испытуемого образца. Прибор защищен (от внешней засветки) общим светонепроницаемым корпусом. Оптические каналы излучения и фотоприема пересекаются под прямым углом, а в качестве светоделителя используется полупрозрачное зеркало, причем расстояние от центра зеркала до источника и до фотоприемника равно одной и той же величине L₀, которая в сумме с расстоянием L₁ между зеркалом и испытуемым образцом образует базу фотометрирования L=L₀+L₁. Схема обеспечивает измерение возвратно-отражающей способности при угле расхождения α≈0, но в ней не предусмотрена возможность измерений при более важных (с точки зрения информативности возвратно-отражающих изделий) значениях угла α - малых, но не равных 0, и отсутствует возможность контроля угла α.

Предпосылки усовершенствования

Цель изобретения: увеличение точности измерений возвратно-отражающей способности световозвращающих изделий портативными (короткобазными, защищенными от внешнего света) моделями прибора путем более точного выбора (выделения из общего отраженного потока) лучей возвратно-отраженных под заданными углами расхождения и повышения уровня функциональности (расширение диапазона параметров функционирования) за счет обеспечения перенастройки прибора на различные углы расхождения.

Сущность изобретения

Цель достигается в приборе для измерения и контроля возвратно-отражающей способности образцов световозвращающих изделий и материалов, имеющем общий светонепроницаемый корпус и содержащем 1) канал излучения, включающий источник света, 2) канал освещения-отражения ("главный канал"), включающий устройство базирования испытуемого образца изделия, 3) канал фотоприема, включающий фотоприемник, и 4) светоделительное устройство ("светоделитель"), например, в виде полупрозрачного зеркала, которое размещено на пересечении осей названных каналов, на одинаковом расстоянии от выходного отверстия источника и входного отверстия фотоприемника и обеспечивает пространственную развязку (пространственное разделение) каналов излучения и фотоприема и оптическое согласование их с главным каналом освещения-отражения (так, что ось одного - любого - из каналов излучения и фотоприема является геометрическим продолжением главного канала, а ось другого совпадает с зеркальным изображением первого), отличающемся тем, что входное отверстие фотоприемника выполнено в виде светопропускающих зон на отдельном - сменном или подвижном - непрозрачном экране, при этом между экраном и светочувствительным элементом фотоприемника (малогабаритным фотоэлементом или фотоумножителем) соосно с этим элементом размещена короткофокусная собирающая линза, а светопропускающие зоны смещены от оси фотоприема на расстояние, пропорциональное требуемому углу расхождения (при этом общая ось линзы и фотоэлемента и ось фотоприема могут совпадать, а могут не совпадать).

Входное отверстие фотоприемника может быть выполнено в виде дуговой, в частности кольцевой, прорези, центр кривизны которой лежит на оси фотоприема (что, в качестве дополнительного эффекта, позволяет существенно увеличить чувствительность измерений за счет увеличения площади приемного отверстия).

Прибор снабжен дополнительным контрольным каналом, ось которого пространственно совпадает с положением зеркального изображения оси главного канала (канала освещения-отражения), при этом в корпусе прибора на оси контрольного канала выполнено дополнительное наблюдательное отверстие.

Перечень чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан вариант оптической схемы прибора в целом. На фиг.2, 3 - варианты диафрагмы источника света и экрана-диафрагмы фотоприемника соответственно, а на фиг.4 - совмещение их изображений. На фиг.5, 6 приведены варианты экрана-диафрагмы фотоприемника (с наложением изображения метки источника), обеспечивающие высокую чувствительность к слабому возвратному отражению за счет интегрирования сигналов в разных информационно-значимых направлениях световозвращения. На фиг.4, 5, 6 обозначения позиций, указывающих не на реальные элементы, а на их изображения, создаваемые полупрозрачным зеркалом, подчеркнуты, например, в то время как входное отверстие фотоприемника имеет обозначение "15", его изображение - "15".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, и работа устройства

Прибор (фиг.1) содержит в общем светонепроницаемом корпусе 1 следующие блоки и элементы: блок источника света 2 с условной точкой О_и в плоскости его выходного отверстия; устройство базирования, в качестве которого используется плоскость главного светового отверстия 3 в корпусе 1 с условным центром О, перекрытое защитным стеклом или линзой 4, и прилегающее (в рабочем состоянии прибора) к испытуемому возвратно-отражающему образцу 5; блок фотоприемника 6 с условной точкой О_ф в плоскости его входного отверстия. В центре О_ц системы - для пространственной развязки канала излучения О_и-О_ц и канала фотоприема О_ц-О_ф и оптического согласования их с главным каналом освещения-отражения О_ц-О - размещено светоделительное устройство 7 в виде полупрозрачного зеркала 8 или клееной светоделительной призмы (В случае изготовления светоделителя 7 в виде призмы следует учитывать некоторый излом (на фиг.1 не показан), который главная и контрольная оси прибора будут претерпевать на преломляющих гранях призмы, так как эти грани должны быть выполнены с отклонением от нормального (к осевым лучам) положения, обеспечивающим отражение неизбежных паразитных (френелевских) бликов на светопоглощающий корпус прибора (т.е. в сторону от фотоприемника)!), содержащей плоскую полупрозрачную внутреннюю грань-зеркало 8. Оптимальный коэффициент отражения светоделителя - 50%.

Кроме главного отверстия 3, в корпусе 1 может быть выполнено вспомогательное отверстие 9 с центром О', которое при наладке и юстировке прибора дополнено (снаружи) наблюдательным устройством 10 (лупой или зрительной трубкой), а в рабочем режиме может быть перекрыто (изнутри) дополнительным фотоэлементом сравнения 11, и образует с центром О_ц системы контрольный канал О_ц-О'. Фотоприемник 6 и фотоэлемент сравнения 11 подключены к общему электронному блоку с дисплеем, служащим для снятия показаний (на фиг.1 не показаны).

Нормаль к плоскости главного отверстия 3 - плоскости базирования образца 5 образует угол β с осью О-О_ц, равный требуемому углу освещения образца 5. При необходимости обеспечить постоянный угол освещения β по всей площади образца отверстие 3 необходимо перекрыть собирающей линзой 4 с фокусным расстоянием, равным L или (если допустим некоторый разброс угла освещения относительно величины β) большим L.

Оси О_ц-О и О_ц-О' главного и контрольного каналов соотносятся как зеркальные изображения друг друга, создаваемые зеркалом 8 (плоскость зеркала пересекает плоскость угла между осями по биссектрисе), и образуют между собой угол 2ϕ, где ϕ - угол от ≈15 до ≈75° (в зависимости от компоновки прибора) между главной осью и плоскостью зеркала 8. Оси О_ц-О_и и О_ц-О_ф каналов излучения и фотоприема являются геометрическим продолжением осей О-О_ц и О'-О_ц, причем если О_ц-О_и (или О_ц-О_ф) является продолжением главной оси О-О_ц, то О_ц-О_ф (или О_ц-О_и) - продолжение контрольной оси О'-О_ц. Расстояние от центра О_ц до точки О_и выходного отверстия источника 2 и до точки О_ф экрана входного отверстия фотоприемника 6 равно одной и той же величине L₀, которая в сумме с расстоянием L₁ между зеркалом и испытуемым образцом 5 образует базу фотометрирования L=L₀+L₁. Таким образом, точка О_ф совпадает с изображением точки О_и в зеркале 8. Вследствие этого точка О_ф определяет путь на фотоприемник 6 луча, испускаемого точкой О_и источника 2 и испытавшего на образце 5 идеальное световозвращение, то есть луча, возвратно-отраженного под углом расхождения α=0.

Блок источника 2 включает либо диафрагму с выходным отверстием 12 заданной, чаще круглой формы диаметра d_и; центр отверстия (фиг.2) - на оси О_ц-О_и. Диафрагма освещается лампой накаливания или другим источником с компактным светящим телом 13. Освещение либо непосредственное (тогда светящее тело должно быть больше отверстия 12 диафрагмы), либо через линзу 14, создающую изображение (увеличенное примерно в a/b раз, где a и b расстояния от линзы до светящего тела и диафрагмы соответственно) тела 13 вблизи диафрагмы, покрывающее ее выходное отверстие 12. Но "выходным отверстием" источника может быть и само светящее тело или его изображение, если оно компактное ("точечное"). Диафрагма в этом случае отсутствует или заменяется, для уменьшения паразитной засветки, светозащитным экраном с отверстием 12, большим тела 13 (или его изображения).

Входное отверстие 15 фотоприемника 6 - круглое диаметра d_ф (фиг.3) или более сложной формы (фиг.4, 5) - выполнено на непрозрачном экране 16, пересекающем ось фотоприема в точке О_ф, и его светопропускающие зоны отстоят от точки О_ф на заданную величину r=α·L (где α - в радианах). Это смещение светового отверстия 15 от оси О_ф-О_ц, определяющее габариты экрана 16, может быть существенно больше габаритов светочувствительной части приемника - фотоэлемента 17. Поэтому непосредственно за экраном размещена короткофокусная собирающая линза 18, а уже затем - вблизи плоскости изображения главного отверстия 3 прибора, создаваемого линзой 18 - сам светочувствительный элемент 17. Размер фотоэлемента 17 согласован с размером изображения отверстия 3 (совпадающего с размером светящей зоны образца 5): оно должно умещаться на светочувствительной зоне фотоэлемента и может быть во много раз (а именно, в L/f, где f - фокусное расстояние линзы 18) меньше отверстия 3 прибора. Габариты (диаметр) линзы 18 (и экрана 16) согласуются с максимальным значением угла d (при центральном положении точки О_ф диаметр линзы не меньше величины 2α·L+d_ф).

Положение (относительно оси О_ф-О_ц), форма и размер входного светопропускающего отверстия 15 в экране 16 задают значение угла расхождения α, a также положение плоскости наблюдения (плоскости угла α) относительно плоскости освещения (плоскости угла β) и баланс между точностью задания угла α и чувствительностью прибора. Соответствующим выбором положения и формы светового отверстия 15 (для чего экран может быть сменным) можно обеспечить измерение возвратно-отражающей способности образца 5 при различных значениях угла α и в различных плоскостях угла α (относительно плоскости угла освещения β), а также интегральных характеристик (суммарного возвратного отражения в направлениях, отвечающих практически наиболее информационно значимым величинам α).

Например, если входное отверстие фотоприемника имеет форму дуговой или даже кольцевой прорези радиуса r и ширины h≤r/3 (фиг.5), причем выходное отверстие 12 источника (фиг.2) - круглое, диаметра d_и˜h, и если расположение этих элементов по отношению к зеркалу 8 обеспечивает соосность отверстия 12 и изображения (в зеркале) дугового (кольцевого) отверстия 15 (это может быть проконтролировано при наблюдении через отверстие 9), то при измерениях будет проинтегрирован сигнал от образца 5 во всех плоскостях отражения при значениях α=r/L±h/L, что существенно увеличивает чувствительность замеров возвратного отражения для заданного угла расхождения за счет увеличения площади приемного отверстия.

На фиг.6 приведен другой вариант светопропускающей зоны 15, которая вытянута в радиальном направлении от r1 до r2. Здесь γ - угол между плоскостью b-b' освещения (образца 5) и плоскостью фотометрирования отраженных лучей (т.е. между плоскостями углов β и α). Прибор измеряет в этом случае некоторую интегральную (по величине α) характеристику исследуемого образца 5, моделирующую наиболее типичную ситуацию в практике использования световозвращающих материалов на автодорогах (водитель движущегося автомобиля наблюдает в свете собственных фар световозвращающий информационный знак. Угол наблюдения α при этом меняется (уменьшаясь) от значения r2/L до r1/L; угол γ примерно характеризует плоскость наблюдения).

На передней (обращенной к центру О_ц) стороне диафрагмы источника 2 может быть нанесена различимая (с помощью наблюдательного устройства 10) разметка (перекрестье), указывающая положение точки О_и, облегчающая юстировку оптической системы прибора. То же касается диафрагмы-экрана 16 фотоприемника 6, его отсчетная точка О_ф наносится чаще всего (в частности, по фиг.1, 5, 6) в центре экрана 16 - на оси фотоэлемента 17 и линзы 18, но может быть и в стороне от этой оси (ср.фиг.3, 4, где ось фотоприема О_ц-О_ф не совпадает с осью блока элементов 17 и 18 прибора), что позволяет уменьшить габариты экрана 16 (и диаметр линзы 18) при заданном угле α.

Настройка прибора на применение для измерений при заданном значении угла расхождения α осуществляется с использованием контрольного канала О'-О_ц следующим образом. Открываются наблюдательное отверстие 9 (и извлекается фотоэлемент сравнения 11, перекрывающий отверстие, если он есть) и главное отверстие 3 (световозвращающий образец не требуется). Через отверстие 3 любым посторонним источником света (собственный источник 2 отключен) освещаются внутренние узлы прибора, и (с помощью наблюдательного устройства 10) контролируется совмещение изображений опорных точек О_и и О_ф на диафрагмах источника 2 и фотоприемника 6, точнее совмещение одной из точек О_и и О_ф с изображением (создаваемым зеркалом 8) другой (фиг.4-6). При отсутствии совмещения оно должно быть достигнуто либо необходимым поперечным смещением одного из блоков 2 и 6, либо плавным изменением наклона зеркала 8 (по меньшей мере, один из этих трех вариантов подстроенных смещений (наименьшее число нежелательных побочных эффектов, с точки зрения возможного влияния на условия освещения образца 5, следует ожидать от смещений блока 6) желательно предусмотреть в конструкции прибора заранее).

В рабочем режиме отверстие 9 должно быть закрыто (от проникновения внешней засветки), фотоэлемент сравнения 11 установлен в контрольном канале О'-О_ц, главное отверстие 3 приведено в контакт с испытуемым возвратно-отражающим образцом 5, источник 2 включен. Свет источника 2, преодолев светоделительное устройство 7, разделяется на два пучка, один из которых поглощается фотоэлементом 11, другой - под углом освещения β падает на образец 5, испытывает возвратное отражение и, снова преодолев светоделитель 7, частично теряется ("вернувшись" на источник 2), частично падает на фотоприемник 6. Лучи, "возвращаемые" образцом 5 под углом расхождения α, на который настроен прибор, проходят через светопропускающие зоны 15 экрана 16, направляются собирающей линзой 18 на фотоэлемент 7, создают фототок и образуют электронный сигнал, который на дисплее преобразуется в информацию о возвратно-отражающей способности образца 5. Сигнал от фотоэлемента 11 сравнения, пропорциональный яркости источника 2, вносит коррекцию в конечный результат измерений, зависящую от возможной нестабильности этой яркости.

Эффективность изобретения заключается в повышении уровня функциональности и увеличении точности измерений возвратно-отражающей способности (коэффициента световозвращения) портативными (короткобазными, переносными) схемами приборов, что обеспечивается возможностью легкой перенастройки прибора на различные углы расхождения за счет использования подвижной в поперечном направлении или (сменной) диафрагмы-экрана фотоприемника со смещенным от ее центра световым отверстием и устранением неопределенности угла расхождения благодаря использованию контрольного канала. Дополнительный эффект - в увеличении чувствительности измерений за счет увеличения площади приемного отверстия (например, в виде кольца), интегрирующего сигналы, возвратно-отраженных в разных направлениях. Возможная база фотометрирования L (она же определяет основные габариты прибора), при которой наиболее целесообразно применение заявляемой схемы в портативных и переносных приборах от 0,3 м до 0,7 м. Но возможно и применение схемы в короткобазных стационарных установках до 2-3 м, при этом допустимые углы расхождения α ограничены разумными (до 10 см) габаритами линзы 18.

Источники информации

1. Рекламный проспект "LMT Photometers Colorimeters", 1998, Productinformation, p.15.

2. International Standard ISO 6742/2. Cycles - Lighting and retro-reflective devices - Photometric and physical requirements - Part 2: Retro-reflective devices, 1985, p.7, fig.3.

3. Реферативный сб. "Автотракторное электрооборудование", вып.2, 1967, с.1-6.

Портативный прибор для измерения силы возвратно-отраженного света, предназначенный для контроля качества световозвращающих изделий, содержит в светонепроницаемом корпусе источник света для освещения световозвращающего образца, устройство базирования образца под заданным углом освещения, фотоприемник для приема возвратно-отраженного излучения и полупрозрачное зеркало, обеспечивающее согласование пространственно разнесенных каналов излучения и фотоприема с каналом освещения-отражения образца. Входное отверстие фотоприемника выполнено на сменном светонепроницаемом экране, и его зоны светопропускания смещены от оси фотоприема на расстояние, пропорциональное требуемому углу расхождения, при этом между экраном и светочувствительным элементом фотоприемника размещена собирающая линза. Технический результат - увеличение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Портативный прибор контроля и измерения возвратно-отражающей способности световозвращающих изделий, имеющий общий светонепроницаемый корпус и содержащий канал излучения, включающий источник света, канал освещения-отражения ("главный канал"), включающий устройство базирования испытуемого образца изделия, канал фотоприема, включающий фотоприемник, и светоделительное устройство ("светоделитель"), которое лежит на пересечении осей названных каналов, на одинаковом расстоянии от выходного отверстия источника и входного отверстия фотоприемника и обеспечивает пространственную развязку каналов излучения и фотоприема и оптическое согласование их с главным каналом, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня функциональности, входное отверстие фотоприемника выполнено в виде светопропускающих зон на отдельном непрозрачном экране, при этом между экраном и светочувствительным элементом фотоприемника соосно с этим элементом размещена короткофокусная собирающая линза, а светопропускающие зоны смещены от оси фотоприема на расстояние, пропорциональное требуемому углу расхождения.2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, входное отверстие фотоприемника выполнено в виде дуговой прорези, центр кривизны которой лежит на оси канала фотоприема.3. Прибор по п.1 или 2, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, он снабжен дополнительным, контрольным, каналом, ось которого совпадает с изображением оси главного канала в зеркале светоделителя, при этом в корпусе прибора на оси контрольного канала выполнено наблюдательное отверстие.