КОРОТКОБАЗНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗВРАТНО-ОТРАЖАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01N21/55 

Область техники

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 способности¹ (¹По 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 α и освещения β² (²Другое 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 фотометрирования» 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 не допустимо). Заданный малый (порядка 0.3°) угол расхождения α обеспечивается определенным значением смещения r: α≈r/L. Установка требует большого, защищенного от внешнего света помещения.

Известен, используемый в качестве прототипа, короткобазный прибор по схеме Новикова (см. [3], с.5, фиг.7), также включающий 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 короткобазными (малогабаритными, защищенными от внешнего света собственным корпусом моделями прибора путем более точного выбора (выделения из общего отраженного потока) лучей, возвратно-отраженных под заданными углами расхождения.

Сущность изобретения

Цель достигается в короткобазном приборе для измерения возвратно-отражающей способности образцов световозвращающих изделий, имеющем общий светонепроницаемый корпус и содержащем источник света, устройство базирования образца, фотоприемник и светоделительное устройство, включающее полупрозрачную зеркальную грань, центр которой образует с центром базирования главный оптический канал (или канал освещения-отражения), а с источником и фотоприемником - оптические каналы излучения и фотоприема соответственно, ось одного из которых (любого) является продолжением главной оси (оси главного канала), а ось другого - продолжением ее зеркального изображения (в зеркале светоделителя, который служит для согласования с главным каналом пространственно разделенных каналов прямого излучения и фотометрирования возвратного излучения), и центр этот размещен на одинаковом расстоянии от выходного отверстия источника и входного отверстия фотоприемника, отличающемся тем, что прибор снабжен дополнительным контрольным каналом, ось которого (геометрически) совпадает с зеркальным изображением главной оси (с положением изображения оси главного канала в зеркале светоделителя), при этом в корпусе прибора на оси контрольного канала выполнено наблюдательное отверстие.

На оси контрольного канала может быть размещен дополнительный фотоэлемент - фотоэлемент сравнения (в режиме настройки он извлекается и заменяется устройством визуального наблюдения).

В качестве устройства базирования образца используется передняя часть корпуса в зоне главного светового отверстия прибора, через которое освещается возвратно-отражающий образец, при этом плоскость контура отверстия определяет угол освещения образца.

Перечень фигур (схем и графиков)

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1-5. На фиг.1 показан вариант оптической схемы прибора в целом. На фиг.2 - вариант диафрагмы источника света; на фиг.3 - вариант диафрагмы фотоприемника. Фиг.4, 5 - варианты наложения изображений диафрагм источника и приемника при наблюдении вдоль контрольного канала, обеспечивающие измерения при разных углах расхождения α (при этом на фиг.4, 5 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. По меньшей мере одна из точек О_и и О_ф не совпадает с центром соответствующего отверстия: на фиг.1 точка О_ф отстоит от центра фотоприемного отверстия на расстояние r. В центре О_ц системы для развязки канала излучения О_и-О_ц (источника 2) и канала фотоприема О_ц-О_ф и согласования их с главным каналом освещения-отражения О_ц-О размещено светоделительное устройство 7 в виде полупрозрачного зеркала или клееной светоделительной призмы³ (³В 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)!), содержащее плоскую полупрозрачную отражающую грань-зеркало 8.

Кроме главного отверстия 3, в корпусе 1 выполнено вспомогательное «наблюдательное» 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-O'. Фотоприемник 6 и фотоэлемент сравнения 11 подключены к общему электронному блоку с дисплеем, служащим для снятия показаний.

Нормаль к плоскости главного светового отверстия 3 прибора образует угол базирования β с осью O-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 допускается некоторый разброс угла освещения относительно величины β) большим L.

Оси О_ц-O и О_ц-O' 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 O-О_ц и O'-O_ц, причем, если О_ц-О_и (или О_ц-О_ф) является продолжением главной оси O-О_ц, то О_ц-О_ф (или О_ц-О_и) - продолжение контрольной оси O'-O_ц. Расстояние от центра О_ц до точки О_и выходного отверстия источника 2 и до точки О_ф 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. Если точки О_и и О_ф обозначают центры излучающего и фотоприемного отверстий и изображение точки О_ф фотоприемника в зеркале 8 (наблюдаемое через отверстие 9) совпадает по локализации с точкой О_и источника⁴ (⁴Если блоки источника 2 и фотоприемника 6 поменять местами, то уже изображение точки О_и наложится на реальную точку О_ф.), то точка О_ф определяет в отъюстированном приборе путь на фотоприемник луча, испускаемого точкой О_и источника и испытавшего на образце 5 идеальное световозвращение, то есть луча, возвратно отраженного под углом расхождения α=0.

Для того чтобы фотоприемник 6 улавливал лучи, отраженные образцом 5 под углом расхождения α≠0, необходимо, чтобы либо центр входного отверстия фотоприемника отстоял от точки О_ф (см. фиг.1) на величину r=α·L (где α - в радианах), либо центр выходного отверстия источника отстоял от О_и на ту же величину r. Соответствующим выбором положения и формы апертурных отверстий источника 2 и фотоприемника 6 относительно опорных точек О_и и О_ф на главной и контрольной осях прибора можно обеспечить измерение возвратно-отражающей способности образца 5 при различных значениях угла α, причем в разных плоскостях угла α (относительно плоскости угла освещения β), а также интегральных характеристик (суммарного возвратного отражения в направлениях, отвечающих практически наиболее важным значениям α).

Блок источника 2 включает диафрагму с выходным отверстием 12 заданной, чаще круглой диаметра d_и, формы (фиг.2), освещаемую лампой накаливания 13 непосредственно (тогда ее светящее тело накала должно быть больше отверстия диафрагмы) или через линзу 14, создающую изображение (увеличенное примерно в а/b раз, где а и b - расстояния от линзы до тела накала и диафрагмы соответственно) светящего тела вблизи диафрагмы, покрывающее ее выходное отверстие. Но «выходным отверстием» источника может быть и само компактное светящее тело лампы 13, диафрагма в этом случае отсутствует или заменяется для уменьшения паразитной засветки светозащитным экраном с отверстием 12, большим тела накала (или его изображения).

Входное отверстие 15 фотоприемника - круг диаметром d_ф˜d_и (фиг.3); апертурные отверстия 12 (источника 2) и 15 (приемника 6) размещены по отношению к зеркалу 8 так, что центр изображения отверстия 15 (создаваемого зеркалом 8 и наблюдаемого через контрольное отверстие 9) отстоит от центра отверстия 12 на расстоянии r=α·L (фиг.4), где α - предусмотренное в паспорте прибора значение угла расхождения (наиболее вероятно 20', т.е. α=0.0058 рад). Чем меньше апертура отверстий 12 и 15, тем точнее задается параметр α, но меньше чувствительность прибора; разумный компромисс: r/3<d_ф˜d_и<r/2.

На передней (обращенной к центру О_ц) стороне диафрагмы (или защитного экрана) источника 2 может быть нанесена различимая (с помощью наблюдательного устройства 10) разметка с указанием положения точки О_и (фиг.2), облегчающая юстировку и настройку прибора. То же касается диафрагмы 15 фотоприемника 6 и его отсчетной точки О_ф. В приборе, предназначенном для измерений световозвращающей способности под углом α≠0, либо точка О_и, либо точка О_ф лежит вне светового отверстия (выходного для источника, входного - для фотоприемника). Для обеспечения измерений с различными значениями α возможно нанесение нескольких несовпадающих точек-маркеров О_и или нескольких точек О_ф на соответствующей диафрагме. Так, на фиг.3 в качестве маркеров диафрагмы фотоприемника используются четыре разные точки О_ф: Ф₁, Ф₂, Ф₃, Ф₄, нанесенные на разном расстоянии (r1 и r2) от входного отверстия диафрагмы 15 и в разных плоскостях ее оси (маркеры Ф₁, Ф₂ нанесены в плоскости b-b', совпадающей с плоскостью освещения образца 5, т.е. с плоскостью угла β, а Ф₃, Ф₄ - в плоскости нормальной плоскости освещения). В то же время маркер О_и здесь (фиг.2-4) единственный - подразумевается локализованным в отверстии диафрагмы 12 источника в центре крестообразной метки.

Настройка прибора на применение для измерений при заданном значении угла расхождения α осуществляется с использованием контрольного канала O'-O_ц следующим образом. Открывается 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 6⁵ (⁵ Точнее, совмещение одной из точек О_и и О_ф с изображением (создаваемым зеркалом 8) другое.), при этом необходимое взаимное смещение излучающего и приемного отверстий 12 и 15 достигается автоматически. 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 подстроечных смещений следует предусмотреть в конструкции прибора заранее). На фиг.4 показан вариант наложения изображений диафрагмы 12 источника и диафрагмы 15 приемника такой, что точка О_и совмещается с точкой Ф₁, при этом α=r1/L, в случае совмещения О_и и Ф₂ прибор будет реагировать при измерениях на сигнал, отраженный в той же плоскости, но уже под другим углом: α=r2/L. Совмещение О_и с Ф₃ или Ф₄ меняет плоскость угла α, так, если в первых двух случаях плоскости углов β и α совпадают, то в третьем и четвертом взаимно перпендикулярны (что может быть существенно для показаний прибора при больших углах освещения β≈20° и более).

В рабочем режиме отверстие 9 должно быть закрыто (для защиты от внешней засветки), фотоэлемент сравнения 11 установлен в контрольном канале О'-O_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, падает на фотоприемник 6 (отраженная часть теряется, «вернувшись» на источник 2). Лучи, «возвращаемые» образцом 5 под углом расхождения α, на который настроен прибор, проходят через входное отверстие диафрагмы 15, создают фототок и образуют электронный сигнал (который на дисплее преобразуется в информацию о возвратно-отражающей способности образца 5), при этом сигнал от фотоэлемента 11, пропорциональный яркости источника 2, вносит коррекцию в конечный результат измерений, зависящую от возможной нестабильности этой яркости.

Эффективность изобретения заключается в увеличении точности и надежности измерений возвратно-отражающей способности (коэффициента световозвращения), что обеспечивается устранением неопределенности угла расхождения, обусловленной сложностью точного позиционирования разнесенных (за счет использования светоделительных устройств) каналов источника и приемника излучения относительно друг друга в короткобазных схемах прибора. Возможная база фотометрирования L (она же определяет основные габариты прибора), при которой наиболее целесообразно применение заявляемой схемы, от 0,3 до 0,7 м в портативных и переносных приборах и до 2 м в стационарных короткобазных установках.

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.

Изобретение относится к короткобазным приборам измерения и контроля возвратно-отражающей способности автодорожных информационных знаков и автомобильных световозвращателей. Короткобазный прибор содержит светонепроницаемый корпус, источник света, устройство базирования испытуемого образца, фотоприемник и светоделитель. Также прибор 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, открытое во время настройки прибора для измерений при заданном значении угла расхождения и закрытое в рабочем режиме для защиты от внешней засветки изнутри дополнительным фотоэлементом сравнения. Технический результат заключается в увеличении точности измерений возвратно-отражающей способности световозвращающих изделий. 5 ил.

Короткобазный прибор для измерения возвратно-отражающей способности световозвращающих изделий, имеющий общий светонепроницаемый корпус и содержащий источник света, устройство базирования испытуемого образца, фотоприемник и светоделитель, включающий полупрозрачную зеркальную грань, центр которой образует с центром базирования образца главный оптический канал, а с источником и фотоприемником - оптические каналы излучения и фотоприема соответственно, ось одного из которых является продолжением оси главного канала, а ось другого - продолжением зеркального изображения оси главного канала в зеркале светоделителя, и центр этот размещен на одинаковом расстоянии от выходного отверстия источника и входного отверстия фотоприемника, отличающийся тем, что прибор 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, открытое во время настройки прибора для измерений при заданном значении угла расхождения и закрытое в рабочем режиме для защиты от внешней засветки изнутри дополнительным фотоэлементом сравнения, при помощи которого вносят коррекцию в конечный результат измерения, зависящую от нестабильности яркости источника, при этом фотоприемник и фотоэлемент сравнения подключены к общему электронному блоку с дисплеем, служащим для снятия показаний.