СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОВОГО, В ТОМ ЧИСЛЕ ЛАЗЕРНОГО, ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G02B5/12 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области проектирования оптических систем, и может быть использовано в оптико-механической промышленности для изготовления световозвращающих элементов лазерных локационных систем.

При локации удаленных объектов требуется применение световозвращающих элементов, позволяющих получать узконаправленное излучение в направлении, обратном облучению. При использовании этих элементов в локационных системах космических аппаратов требуется выполнение требований по массогабаритным характеристикам, а также по стойкости к высокотемпературным воздействиям.

В настоящее время эффект световозвращения наиболее широко используется при решении автодорожных задач. В ряде современных систем дорожной разметки широко используются световозвращающие материалы, содержащие стеклянные микрошарики (см., например, Алексеев В.А., Билибин С.В., Молохина Л.А. и др. "Световозвращающий материал". Патент РФ, №2075906, БИ №8, 1997; а также Алексеев В.А., Белкин Н.Д., Молохина Л.А. и др. "Световозвращающий материал". Патент РФ, №2080628, БИ №15, 1997). Известен Световозвращающий материал, содержащий округлые продолговатые прозрачные элементы, частично внедренные в прозрачный материал (см., Абрамов В.В., Алексеев В.А., Белкин Н.Д., Молохина Л.А. и др. "Световозвращающий материал". Патент РФ, №2071702, БИ №1, 1997). Для повышения эффективности световозвращения вместо стеклянных микрошариков или микрогранул используют внедренные в прозрачную основу призматические прозрачные элементы различной конструкции (см., например, Выгобский Ю.Н., Гурари A.M., Молохина Л.А., Филин С.А. «Световозвращающая разметочная линия и способ ее получения (варианты). Патент РФ, №2117723, БИ №23, 1998; а также Молохина Л.А., Филин С.А. "Световозвращающий материал". Патент РФ, №2131136, БИ №15, 1999). Во всех этих материалах используют полимерные клеи, пластмассы, наполнители, не позволяющие работать при высоких температурах. Во всех световозвращающих материалах используются внедренные в основу световозвращающие элементы малых размеров (от 2 до 1300 мкм). Вследствие малых размеров световозвращающих элементов индикатриса рассеяния световозвращающего материала имеет широкую диаграмму направленности, приближающуюся к индикатрисе диффузного объекта. При этом осевая яркость (или сила света в осевом направлении) имеет небольшую величину, что приводит к дальности приема отраженного излучения в обратном направлении не более 100 м.

Известно световозвращающее устройство, первый элемент которого выполнен в виде положительной линзы, а второй - в виде плоского зеркала, установленного в фокальной плоскости линзы перпендикулярно оптической оси (см. Ананьев Ю.А. «Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения». М.: Наука, 1979, с.308). Такое световозвращающее устройство имеет высокую направленность и высокую яркость отраженного в обратном направлении излучения. Однако такое устройство способно возвращать только излучение, параллельное оси и не может работать при падении косых пучков.

Известен световозвращающий элемент, выполненный в виде многогранной призмы из прозрачного материала (см., например, проспекты компании БЕЛПРОМЭНЕРГИЯ-Reflexite Corporation, Avon, CT, USA). Применяемые в технологии Reflexite кубические уголковые призмы используют явление полного внутреннего отражения и обладают высокой эффективностью (коэффициентом ψ) световозвращения (до 80% падающего излучения). Коэффициент светотвозвращения ψ определяется как отношение яркости поверхности образца к освещенности поверхности в плоскости, перпендикулярной направлению падающего света. Однако такие призмы обладают малым диапазоном ±(12-18)° углов световозвращения косых пучков вследствие нарушения условия полного внутреннего отражения. Для обеспечения высокой направленности световозвращения при больших рабочих дистанциях грани призмы должны изготавливаться с высокой точностью: не хуже 2-3 угловых секунд, что увеличивает сложность их изготовления и значительно удорожает производство.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению по совокупности признаков является световозвращающий элемент со сферическими поверхностями, который выполнен из оптически прозрачного материала (стекла) с показателем преломления n в виде двояковыпуклой линзы с радиусами кривизны первой и второй поверхностей R и толщиной d=2R, т.е. в виде шара (см. Бочкарев В.И. «О световозвращении дорожной разметки». Сб. научных трудов МАДИ. Строительство и эксплуатация автомобильных дорог: задачи и решения. - М.: МАДМ (ГТУ), 2001, с.144-150). (Принято за прототип). С оптической точки зрения стеклянный световозвращающий элемент в виде шара («стеклошарик») представляет собой сочетание выпуклой линзы с вогнутым зеркалом. Луч света входит в шар через выпуклую входную поверхность, преломляясь на границе "воздух-стекло" в направлении к центру шара, далее попадает на противоположную падению сторону шара, поверхность которой представляет собой аналог вогнутого зеркала, имеющего коэффициент отражения, зависящий от величины показателя преломления стекла n (согласно закону Френеля); отражается от нее, и через границу "стекло-воздух", преломляясь на ней, возвращается в направлении, обратном направлению падения. Такая конструкция световозвращающего элемента действует при любом угле освещения, обеспечивая световозвращение падающего на него излучения. Однако коэффициент световозвращения ψ «стеклошарика» невысок, он зависит от размеров шара и показателя преломления стекла. Параллельный пучок лучей, посланный на шарик, отразится в строго обратном направлении при условии, если излучение будет фокусироваться первой поверхностью на противоположную поверхность шара, т.е. при условии, если d=f₁, где f₁=nR/(n-1) - фокусное расстояние первой поверхности шара, для шара d=2R. Этот условие может быть выполнено только при n=2. Для конкретной заданной длины волны освещающего излучения невозможно выбрать прозрачный материал с такой величиной показателя преломления. Для большинства стекол показатели преломления равны 1,5...1,7, т.е. фокусное расстояние f₁=(2,4...3)R. Таким образом, пучок излучения, преломленный на первой (входной) поверхности шара, на вторую (отражающую) его поверхность не фокусируется, т.к. d<f₁ (и чем меньше показатель преломления стекла, тем дальше плоскость фокусировки первой поверхности отстоит от отражающей поверхности шара). Это приводит к возникновению геометрической расходимости ϕ_г выходного пучка, т.е. световозвращающий элемент в виде шара всегда будет давать расходящийся возвращаемый пучок лучей, что, в конечном итоге, будет приводить к невысокому коэффициенту световозвращения. Наиболее предпочтительным с точки зрения получения более высокого коэффициента световозвращения является стекло с высоким показателем преломления. Однако стекла с высокими показателями преломления имеют, как правило, низкую термостойкость и температуру плавления на 250-350°С ниже, чем стекла с показателями преломления более низкими. Т.е. обеспечить высокий коэффициент световозвращения при обеспечении работоспособности при высоких температурах световозвращающие элементы в виде шара не могут.

Величина коэффициента световозвращения зависит не только от геометрической ϕ_г, но также и от дифракционной ϕ_d расходимости. При малых размерах шара угловая расходимость излучения будет в значительной мере определяться его дифракционной расходимостью, т.е. коэффициент световозвращения при длине волны освещающего излучения λ будет обратно пропорционален квадрату угла дифракционной расходимости ϕ_d - ψ˜(λ/2R)^-2 отраженного назад излучения и при больших рабочих дистанциях будет мал. Поэтому световозвращающий элемент в виде шара не может обеспечить получение отраженного в обратном направлении излучения с высокой осевой яркостью на больших дистанциях.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Заявленное изобретение направлено на создание световозвращающего элемента для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения, способного возвращать обратно к источнику посланный поток излучения, в том числе и лазерного, когда источник излучения расположен на больших расстояниях. Такие световозвращающие элементы могут быть использованы, например, для систем лазерной локации удаленных объектов. При их использовании повышается дальность действия локационной системы, при этом возникает возможность использования таких световозвращающих элементов в локационных системах космических аппаратов. Поэтому дополнительным требованием, на выполнение которого направлено создание световозвращающего элемента, является требование к расширению рабочего интервала температур, в частности повышение термической стойкости и верхней границы рабочей температуры. В ряде задач, например, по моделированию отражательных характеристик объектов и материалов требуется создание световозвращающих элементов с заданными по осевой яркости и форме диаграммами направленности отраженного светового, в том числе лазерного, излучения.

Технический результат изобретения - увеличение дальности действия световозвращающего элемента в широком интервале углов световозвращения, выражающееся в повышении осевой яркости отраженного в обратном направлении излучения и в уменьшении угловой расходимости отраженных пучков излучения, получение световозвращающего элемента с заданными по величине осевой яркостью и формой диаграммы направленности отраженного светового, в том числе лазерного, излучения, а также обеспечение возможности работы при высоких, выше 400°С температурах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в световозвращающем элементе для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения, выполненном в виде двояковыпуклой линзы с радиусами кривизны R₁ и R₂ из оптически прозрачного материала с показателем преломления материала элемента n взаимосвязь параметров элементов выбирается из условий:

R₁/(n-1)·0.8≤R₂≤R₁/(n-1)·1.1,

-0,11(R₁+R₂)≤δ≤+0,11(R₁+R₂),

d=R₁+R₂±δ,

где R₁ - радиус кривизны первой поверхности элемента;

R₂ - радиус кривизны второй поверхности элемента;

δ - точка смещения центра R_2;

d - толщина элемента по оси.

Данная зависимость получена расчетно-экспериментальным методом.

Если в световозвращающем элементе на первую и/или вторую поверхность нанести просветляющее или отражающее покрытие, то появляется возможность получения заданного коэффициента световозвращения. Если это покрытие имеет переменное пропускание по первой, либо второй поверхности, то появляется возможность получения заданного коэффициента световозвращения в заданном направлении, т.е. заданной диаграммы направленности. Просветляющее или отражающее покрытие может наноситься, в том числе зонами, известными методами, например, электронно-лучевым напылением.

Если световозвращающий элемент выполнить из кристаллического материала, то расширяется его рабочий спектральный диапазон, в том числе, в ИК-область. При использовании двояко преломляющего кристаллического материала для изготовления световозвращающего элемента появляется возможность получения заданного коэффициента световозвращения в зависимости от поляризации падающего излучения. При выполнении световозвращающего элемента из окрашенного материала расширяются возможности получения заданного коэффициента световозвращения в выбранном спектральном диапазоне. Окрашенные добавки изменяют спектральные характеристики пропускания световозвращающего элемента на постоянную величину для различных длин волн.

На фиг.1 приведена оптическая схема световозвращающего элемента для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения по п.1, где 1 - первая (входная) поверхность элемента с радиусом кривизны R₁; 2 - центр кривизны первой и второй сферических поверхностей; 3 - вторая (отражающая) поверхность с радиусом кривизны R₂; d - толщина элемента по оси, n - показатель преломления материала.

Совпадение центров кривизны поверхностей 1 и 3 в элементе, выполненном в виде двояковыпуклой линзы, обеспечивает световозвращение падающего, излучения не зависимо от угла падения, поскольку такое их расположение обеспечивает центральную симметрию системы. Нами установлено, что выполнение условия R₁/(n-1)·0.8≤R₂≤R₁/(n-1)·1.1 в совокупности с d=R₁+R₂±δ позволяет получить более узкий пучок на выходе светоотражающего элемента и за счет этого большую яркость отраженного излучения и больший коэффициент светоотражения. Выбирая величину δ, можно добиться минимального угла расходимости выходного пучка и тем самым повысить дальность действия световозвращающего элемента. Максимальная дальность действия световозвращающего элемента достигается при:

-0,02(R₁+R₂)≤δ≤+0,02(R₁+R₂)

Это получается вследствие того, что преломленный на первой сферической поверхности 1 пучок обладает сферической аберрацией, который на второй поверхности 3 образует пятно рассеяния со сложным распределением освещенности. Варьируя величиной δ можно обеспечить наилучшую угловую характеристику излучения за счет уменьшения волновой аберрации.

Форма и диаметр световозвращающего элемента для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения обусловлены технологической необходимостью. Диаметр световозвращающего элемента для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения, изображенного на фиг.1, равен 2R₁.

При нанесении на первую и/или вторую поверхность просветляющего или отражающего покрытия можно изменять величину отраженного обратно светового потока, без изменения формы диаграммы направленности излучения. Покрытие можно выполнять с переменным по апертуре пропусканием или отражением, что позволит изменять форму диаграммы направленности и величину отраженного в обратном направлении потока излучения. Переменное по апертуре пропускание или отражение просветляющего или отражающего покрытие наносимого на первую и/или вторую поверхность светоотражающего элемента достигается нанесением покрытия зонами, например, с помощью метода электронно-лучевого покрытия.

Использование кристаллических материалов для изготовления световозвращающих элементов позволяет использовать их для работы в ближнем и дальнем ИК-диапазоне излучения. Кроме того, кристаллические материалы могут быть выбраны с высокими температурами плавления, что значительно расширяет температурный диапазон использования световозвращающих элементов. Использование двояко преломляющих кристаллов позволяет создавать световозвращающие элементы, изменяющие величину отраженного осевого потока, а также форму диаграммы направленности в зависимости от ориентации вектора поляризации поляризованного падающего излучения.

При выполнении световозвращающего элемента из окрашенного материала можно получить заданный коэффициент световозвращения в выбранном спектральном диапазоне.

Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого результата.

На фиг.2 показан пример конкретного выполнения световозвращающего элемента для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения в виде двояковыпуклой линзы из кристаллического материала цинкселена с R₁>R₂. Диаметр световозвращающего элемента, изображенного на фиг.2, равен 2R₂.

Предложенное устройство по п.1 (см. фиг.1) было реализовано при создании световозвращающего элемента в виде двояковыпуклой линзы из стекла К8 с R₁=2,805; R₂=5,422 при величине входной апертуры 5,6 мм. Толщина по оси была d=8,26 мм. Показатель преломления для длины волны λ₁=0,53 мкм n₁=1,5192, R₂=R₁/(n₁-1)·0,996; для длины волны λ₂=1,06 мкм n₂=1,5063, R₂=R₁/(n₁-1)·1,022; δ=0,033 мм. Световозвращающий элемент сохранял свою световозвращающую способность при углах падения освещающего излучения ±30°. Величина углов геометрической расходимости в зависимости от высоты падения излучения на первую поверхность световозвращающего элемента приведена в таблице 1: столбец 2 - для световозвращающего элемента, выполненного по п.1, столбец 3 - для световозвращающего элемента, выполненного в виде шара с R₁=R₂=2,805, d=2R₂=5,61 мм. Осевая яркость при этом для световозвращающего элемента для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения, выполненного по п.1, по сравнению с осевой яркостью излучения от световозвращающего элемента в виде шара возросла в 1,0·10⁴ раз.

Таблица 1
Сравнительные данные угловой геометрической расходимости выходного излучения световозвращающего элемента для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения, выполненного по п.1 и шараВысота падения пучка излученияУгол геометрической расходимости световозвращающего элементапо п.1шара1232,06°21'22°0'1,733°38'20°30'1,411°43'17°40'1,00°29'13°0'0,10°0'43''1°22'

Температура размягчения стекла К8 по ГОСТ 13659-78 (т.е. температура, при которой вязкость стекла равна 10^10±0,7 П) равна 630°С. Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого результата.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, к области проектирования оптических систем и может быть использовано в оптико-механической промышленности для изготовления световозвращающих элементов лазерных локационных систем. В световозвращающем элементе, который выполнен в виде двояковыпуклой линзы с радиусами кривизны R₁ и R₂ из оптически прозрачного материала с показателем преломления n, взаимосвязь параметров элементов выбирается из условий:

R₁/(n-1)·0.8≤R₂≤R₁/(n-1)·1.1,

-0,11(R₁+R₂)≤δ≤+0,11(R₁+R₂),

d=R₁+R₂±δ,

где R₁ - радиус кривизны первой поверхности элемента;

R₂ - радиус кривизны второй поверхности элемента;

δ - величина смещения центра R₂,

d - толщина элемента по оси.

Технический результат - увеличение дальности действия световозвращающего элемента в широком интервале углов световозвращения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Световозвращающий элемент для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения, выполненный в виде двояковыпуклой линзы с радиусом кривизны R₁ и R₂ из оптически прозрачного материала с показателем преломления материала элемента n, отличающийся тем, что взаимосвязь параметров элементов выбирается из условий:

R₁/(n-1)·0,8≤R₂≤R₁/(n-1)·1,1,

-0,11(R₁+R₂)≤δ≤+0,11(R₁+R₂),

d=R₁+R₂±δ,

где R₁ - радиус кривизны первой поверхности элемента;

R₂ - радиус кривизны второй поверхности элемента;

δ - величина смещения центра R₂,

d - толщина элемента по оси.