СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2011 года по МПК G02B5/128 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при проектировании оптико-электронных систем с высокоточной пространственной ориентацией, лазерных локационных систем, а также светоотражающих экранов, элементов для дальномеров и т.д.

Проблема создания оптико-электронных систем для изделий с высокоточной пространственной ориентацией, применяемых в геодезии для дистанционного зондирования Земли из космоса, передачи азимута, измерения дальности, лазерной локации и т.п., во многом зависит от успешного решения конструкторских и технологических задач, связанных с изготовлением и применением высокоточных оптических световозвращающих модулей. При решении задач геологии, например поиске полезных ископаемых, выборе мест под строительство, необходима локация удаленных объектов, для этого необходимо использование световозвращающих элементов, позволяющих получать узконаправленное излучение в направлении, обратном облучению. В настоящее время ведущей тенденцией развития космических технологий является применение малых космических аппаратов. При использовании в локационных системах этих аппаратов световозвращающих элементов необходимо выполнение требований еще и по массогабаритным характеристикам.

Эффект световозвращения широко используется в системах обеспечения безопасности дорожного движения. Наиболее дешевыми и широко применяемыми в отечественной практике являются 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; 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). Во всех этих материалах в качестве основы используют полимерные клеи, пластмассы, в которую внедряют световозвращающие элементы малых размеров (от 2 до 1300 мкм). Вследствие малых размеров световозвращающих элементов, а также невысокого показателя преломления материала, из которого изготавливаются микрошарики, 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 малой дальности приема (не более 100 м) излучения, отраженного в обратном направлении,

Кроме микрошариков в устройствах световозвращения широко применяются световозвращатели в виде призм, использующих эффект либо полного внутреннего отражения, либо зеркального отражения от граней, образующих прямой угол.

Известен световозвращающий элемент, выполненный в виде призмы из прозрачного материала (см., например, Садовников М.А., Соколов А.Л., Шаргородский В.Д. Анализ эквивалентной поверхности рассеяния уголковых отражателей с различным покрытием граней. Успехи современной радиоэлектроники, №8, 2009; Потелов В.В. Высокоточные призменные модули для оптико-электронных приборов и комплексов. Автореферат докторской диссертации. Москва, 2009; а также Б.Н.Сенник, А.Б.Бельский, В.В.Потелов. Современные тенденции в оптических технологиях, применяемых для улучшения выходных характеристик оптических и оптико-электронных систем. Оптический журнал, т.76, №8, 2009, с.5-13). Применяемые в системах призменных отражателей уголковые призмы, использующие явление полного внутреннего отражения, обладают высокой эффективностью световозвращения (до 80% падающего излучения). (Отношение энергетической силы света отраженного излучения в направлении, обратном направлению подсветки, к энергетической освещенности, созданной источником подсветки на входной апертуре световозвращателя, называется коэффициентом световозвращения (коэффициентом ψ) данного световозвращателя.) Однако такие призмы обладают малым диапазоном ±(12-18)° углов световозвращения косых пучков вследствие нарушения для них условия полного внутреннего отражения. Реализация предельных точностей и светотехнических выходных параметров призменных модулей определяется уровнем современных технологий изготовления прецизионных призм, а также качеством сборки и юстировки призменных блоков. Для обеспечения высокой направленности световозвращения при больших рабочих дистанциях грани призмы должны изготавливаться с точностью не хуже одной угловой секунды, что увеличивает сложность их изготовления и значительно удорожает производство. Снижение точности изготовления призм приводит к тому, что излучение, отраженное от разных граней, имеет разное направление, отраженный пучок рассеивается в пространстве и формирует на приемной площадке пятнистую структуру.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению по совокупности признаков является световозвращающий элемент со сферическими поверхностями, который выполнен из оптически прозрачного материала (например, стекла) с показателем преломления n в виде двояковыпуклой линзы с радиусами кривизны входной и выходной поверхностей R₁ и R₂ и толщиной по оси d, равной сумме радиусов (см. Медведков И.А., Потапова Н.И., Цветков А.Д., Шкатов О.Ю. Световозвращающий элемент для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения. Патент РФ №2349940 от 25.07.2007) (Принято за прототип). С оптической точки зрения такой световозвращающий элемент представляет собой сочетание двояковыпуклой линзы с радиусом R₁ и R₂ с вогнутым зеркалом, при этом зеркалом служит вторая поверхность линзы с радиусом R₂. Луч света входит в линзу через выпуклую входную поверхность, преломляясь на границе "воздух-оптический материал" в направлении к центру кривизны входной сферической поверхности с радиусом R₁, далее фокусируется на противоположную падению сторону линзы, представляющую собой вогнутое сферическое зеркало с радиусом кривизны R₂, отражается от нее, проходит расстояние d, равное фокусу F входной поверхности, и через границу "оптический материал-воздух", преломляясь на ней, возвращается в направлении, обратном направлению падения. Выполнение условия равенства суммы радиусов толщине линзы обеспечивает обратное отражение падающего на световозвращающий элемент излучения при широком диапазоне углов освещения падающего излучения. Однако первая поверхность линзы, которая фокусирует излучение, обладает довольно большой сферической аберрацией, приводящей к «расплыванию» пучка и к уменьшению коэффициента световозвращения. Величина коэффициента световозвращения зависит не только от геометрической расходимости пучка φ_r отраженного излучения, а также дифракционной расходимости пучка φ_d и от величины волновой аберрации δw. Угловая расходимость излучения с длиной волны λ после отражения от световозвращающего элемента будет в значительной мере определяться расходимостью излучения при дифракции на входном зрачке радиусом b, обеспечивающим волновую аберрацию δw отраженного излучения менее λ/4. Входной зрачок, обеспечивающий волновую аберрацию менее λ/4 для сферической поверхности, довольно мал: 2b=(0,12…0,16)F и зависит от показателя преломления материала, из которого сделан световозвращающий элемент, а коэффициент световозвращения прямо пропорционален четвертой степени диаметра входного зрачка, т.е. ψ~16πb⁴/λ². Поэтому световозвращающий элемент в виде линзы из однородного материала не может обеспечить получение отраженного в обратном направлении излучения дифракционного качества с высокой осевой яркостью на больших дистанциях. Кроме того, такой световозвращающий элемент обладает довольно большой хроматической аберрацией, что ограничивает возможность его использования в случае немонохроматического излучения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Заявленное изобретение направлено на создание световозвращающего элемента, 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 дорожных и строительных работ, систем лазерной локации и дальнометрии удаленных, в том числе космических объектов, для мониторинга состояния окружающей среды. При их использовании повышается дальность действия геодезических приборов, лазерных локационных систем, при этом возникает возможность использования таких световозвращающих элементов в лазерно-локационных системах малоразмерных космических аппаратов. Дополнительным требованием, на выполнение которого направлено создание световозвращающего элемента, является требование к расширению интервала рабочих длин волн, которое достигается уменьшением хроматической аберрации световозвращающего элемента, необходимое для спектрофотометрических устройств, например, при анализе экологического состояния атмосферы.

Технический результат изобретения - увеличение дальности действия световозвращающего элемента в широком интервале углов световозвращения, выражающееся в повышении осевой силы света отраженного в обратном направлении излучения и в уменьшении угловой расходимости отраженных пучков излучения, в том числе лазерного, а также обеспечение возможности работы световозвращающего элемента в широком спектральном диапазоне, получение световозвращающего элемента с заданными по величине осевой силой света и формой диаграммы направленности отраженного светового излучения.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в световозвращающем элементе, выполненном в виде двояковыпуклой линзы, у которой центры кривизны первой и последней поверхностей совпадают, а радиус кривизны первой поверхности равен R₁, двояковыпуклая линза выполнена составной и включает в себя две линзы, соединенные между собой по сферической поверхности с радиусом кривизны R₃, центр кривизны которой совпадает с центрами кривизны первой и последней поверхностей двояковыпуклой линзы, при этом первая поверхность первой линзы является первой поверхностью двояковыпуклой линзы, вторая поверхность второй линзы является последней поверхностью двояковыпуклой линзы, вторая поверхность первой линзы совпадает с первой поверхностью второй линзы, радиус кривизны R₃ выбирается из условия (R₁-S₁′)<R₃<0 или 0<R₃<R₁, где S₁′ - расстояние до плоскости Гаусса первой поверхности первой линзы, толщина первой линзы d₁ равна разности радиусов кривизны R₁ и R₃, толщина второй линзы d₂ определяется из выражения: d₂=S′±δ, где S′ - расстояние до плоскости Гаусса первой линзы, δ - поправка, величина которой выбирается из условия обеспечения коррекции волновой аберрации широкого пучка излучения, радиус кривизны второй поверхности второй линзы R₂ равен разности радиуса кривизны R₃ и толщины второй линзы d₂, при этом показатели преломления материалов, из которых выполнены первая и вторая линзы, выбираются так, что показатель преломления материала той линзы, у которой знаки радиусов кривизны первой и второй поверхностей совпадают, больше показателя преломления материала линзы, у которой знаки радиусов кривизны первой и второй поверхностей противоположны.

Если в световозвращающем элементе линзы выполнить из материалов, обладающих различными коэффициентами дисперсии ν₁ и ν₂, то появляется возможность получения уменьшенной хроматической аберрации для различных длин волн.

На фиг.1, 2 приведены оптические схемы световозвращающего элемента по п.1, где 1 - первая линза, 2 - вторая линза, А - входная (первая) поверхность первой линзы с радиусом кривизны R₁; В - отражающая (вторая) поверхность второй линзы с радиусом кривизны R₂, Б - сферическая поверхность соединения первой и второй линз с радиусом кривизны R₃ (вторая поверхность для первой линзы и первая поверхность для второй линзы), О - центр кривизны сферических поверхностей А, Б и В; d₁ - толщина первой линзы, d₂ - толщина второй линзы, n₁ - показатель преломления материала первой линзы, n₂ - показатель преломления материала второй линзы.

Оптические схемы световозвращающих элементов на Фиг.1, 2 отличаются знаком радиуса кривизны R₃. В оптической схеме световозвращающего элемента, приведенной на Фиг.1, знак радиуса кривизны R₃ положительный и совпадает со знаком радиуса кривизны первой поверхности первой линзы. В оптической схеме световозвращающего элемента, приведенной на Фиг.2, знак радиуса кривизны R₃ отрицательный и совпадает со знаком радиуса кривизны последней (второй) поверхности второй линзы. В соответствии с заявляемым техническим решением показатель преломления материала той линзы, у которой знаки радиусов кривизны поверхностей совпадают, больше показателя преломления материала линзы, у которой знаки радиусов кривизны поверхностей противоположны. Отсюда следует, что для световозвращающего элемента, приведенного на Фиг.1, показатель преломления материала первой линзы n₁ больше показателя преломления материала второй линзы n₂. Для световозвращающего элемента, приведенного на Фиг.2, показатель преломления материала второй линзы n₂ больше показателя преломления материала первой линзы n₁.

Совпадение центров кривизны поверхностей А, Б и В в световозвращающем элементе, выполненном в виде составной линзы, позволяет получить световозвращение падающего излучения строго в обратном направлении независимо от угла падения, поскольку такое расположение поверхностей обеспечивает центральную симметрию системы. Выполнение исходной двояковыпуклой линзы составной, состоящей из двух линз, соединенных по сферической поверхности с радиусом R₃, одна из которых имеет разные знаки радиусов кривизны первой и второй поверхностей, а другая имеет одинаковые знаки радиусов кривизны первой и второй поверхностей, выбор радиуса кривизны R₃ из условия (R₁-S₁′)<R₃<0 или 0<R₃<R₁, где S₁′ - расстояние до плоскости Гаусса первой поверхности первой линзы; а также выбор показателей преломления линз, при котором показатель преломления материала той линзы, у которой знаки радиусов кривизны поверхностей совпадают, больше показателя преломления материала линзы, у которой знаки радиусов кривизны поверхностей противоположны, позволяет уменьшать величину сферической и волновой аберрации для сфокусированного первой линзой излучения.

Если толщину второй линзы по оси d₂ взять равной расстоянию до плоскости Гаусса первой линзы S', то на вторую поверхность второй линзы (поверхность В) будет фокусироваться приосевой (параксиальный) пучок с минимальной сферической аберрацией, а отраженный пучок будет обладать минимальной волновой аберрацией, но для широкого пучка сферическая аберрация и волновая аберрация будут присутствовать. Если брать толщину с учетом поправки δ, то, изменяя δ, можно найти такую толщину d₂ (т.е. расстояние S′±δ), при котором для всего входного зрачка обеспечивается наилучшая угловая характеристика отраженного излучения за счет уменьшения волновой аберрации. Совокупное действие всех признаков изобретения позволяет получить пучок излучения с малой угловой расходимостью, близкой к дифракционной, большой осевой силой света отраженного излучения и большим коэффициентом светоотражения, тем самым повысить дальность действия световозвращающего элемента в широком диапазоне углов отражения. Использование в световозвращающем элементе линз из материалов, обладающих различными коэффициентами дисперсии v₁ и v₂, позволяет уменьшить хроматическую аберрацию элемента для различных длин волн.

Предложенное устройство по пп.1, 2 было реализовано при создании световозвращающего элемента в виде двояковыпуклой линзы из стекол ТФ5 и ТК14. Конструктивные данные элемента для случая, когда R₃ выбирается из условия 0<R₃<R1 (см.Фиг.1), приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Конструктивные данные световозвращающего элемента по п.1, 2. Радиус кривизны поверхности, мм Толщина по оси, мм Материал n, ν_D λ₁=0,53 мкм λ₂=1,06 мкм 3,805 2,242 ТФ5 1,7647 1,7277 27,52 1,563 9,240 ТК14 1,6166 1,6009 60,57 -7,677          

Расстояние до плоскости Гаусса от первой поверхности первой линзы в световозвращающем элементе для длины волны λ₁=0,53 мкм было S₁′=8,78 мм, расстояние до плоскости Гаусса от второй поверхности первой линзы S′=9,230 мм, поправка, обеспечивающая коррекцию аберрации широкого пучка излучения, была δ=0,010 мм.

Величина входного зрачка, при котором обеспечивалась волновая аберрация меньше четверти длины волны отраженного излучения, для длин волн 0,53 и 1,06 мкм была соответственно 2b₁=2,56 и 2b₂=2,96 мм. Световозвращающий элемент сохранял свою световозвращающую способность при углах падения освещающего излучения более ±60°. В таблице 2 приведена величина волновой аберрации выходного излучения в зависимости от высоты падения излучения (столбец 1) на первую поверхность световозвращающего элемента. Столбец 2 содержит данные для световозвращающего элемента, выполненного по п.1, 2 формулы для двух длин волн, столбец 3 - данные для двух длин волн для световозвращающего элемента, выполненного в виде линзы из стекла ТК14 (прототип) с R₁=3,805 мм, R₂=-6,12 мм; толщина линзы по оси d=9,925 мм. Величина входного зрачка, при котором обеспечивалась волновая аберрация меньше четверти волны отраженного излучения для длин волн 0,53 и 1,06 мкм, была соответственно 2b′₁=1,9 и 2b′₂=0,56 мм. Осевая сила света при этом для световозвращающего элемента, выполненного по пп.1, 2, по сравнению с осевой силой света световозвращающего элемента в виде однородной линзы из стекла такой же толщины выросла в 3,3 раза для длины волны 0,53 мкм и в 780 раз для длины волны 1,06 мкм.

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

Таблица 2 Сравнительные данные величины волновой аберрации выходного излучения световозвращающего элемента, выполненного по п.1, 2, и прототипа. Высота падения пучка излучения Волновая аберрация, дл. волн по пп.1, 2 прототип 1 2 3 0,53 мкм 1,06 мкм 0,53 мкм 1,06 мкм 1,48 1,06 0,265 -8,63 2,0 1,28 0,243 0,017 -5,30 2,49 1,05 -0,070 -0.0455 -0,764 2,31 0,74 -0,097 -0,0265 0,250 1,47 0,30 -0,019 -0,002 0,126 0,283

Пример конкретного выполнения, когда R₃ выбирается как (R₁-S₁′)<R₃<0 (см.Фиг.2). Конструктивные данные элемента приведены в Таблице 3.

Таблица 3 Конструктивные данные световозвращающего элемента по п.1, 2 для случая, когда (R₁-S₁′)<R₃<0. Радиус кривизны поверхности, мм Толщина по оси, мм Материал n ν_D λ₁=0,53 мкм λ₂=1,06 мкм 3,805 5,40 ТК14 1,6166 1,6009 60,57 -1,595 6,795 ТФ5 1,7647 1,7277 27,52 -8,390          

Расстояние до плоскости Гаусса от первой поверхности первой линзы в световозвращающем элементе для длины волны λ₁=0,53 мкм было S₁′=9,976 мм, расстояние до плоскости Гаусса от второй поверхности первой линзы S′=6,777 мм, поправка, обеспечивающая коррекцию аберрации широкого пучка излучения, была δ=0,018 мм.

Величина входного зрачка, при котором обеспечивалась волновая аберрация меньше четверти длины волны отраженного излучения, для длин волн 0,53 и 1,06 мкм была соответственно 2b₁=2,76 и 2b₂=1,96 мм. Световозвращающий элемент сохранял свою световозвращающую способность при углах падения освещающего излучения более ±70°. Осевая сила света при этом для световозвращающего элемента, выполненного по пп.1, 2, по сравнению с осевой силой света световозвращающего элемента в виде однородной линзы из стекла такой же толщины выросла в 4,5 раза для длины волны 0,53 мкм и в 150 раз для длины волны 1,06 мкм.

Изобретение может быть использовано при проектировании оптико-электронных систем с высокоточной пространственной ориентацией. Световозвращающий элемент выполнен в виде двояковыпуклой составной линзы, включающей две линзы, соединенные между собой по сферической поверхности с радиусом кривизны R₃. Центры кривизны поверхностей линзы совпадают. Радиус кривизны R₃ выбирается из условия (R₁-S₁′)<R₃<0 или 0<R₃<R₁, где S₁′ - расстояние до плоскости Гаусса первой поверхности первой линзы; R₁ - радиус кривизны первой поверхности. Толщина первой линзы d₁ равна разности R₁ и R₃. Толщина второй линзы d₂ определяется из выражения: d₂=S′±δ, где δ - поправка, величина которой выбирается из условия обеспечения коррекции волновой аберрации широкого пучка излучения. Радиус кривизны второй поверхности второй линзы R₂ равен разности R₃ и d₂. Показатели преломления материалов линз выбираются так, что показатель преломления материала той линзы, у которой знаки радиусов кривизны поверхностей совпадают, больше показателя преломления материала линзы, у которой знаки радиусов кривизны поверхностей противоположны. Технический результат - увеличение дальности действия световозвращающего элемента в широком интервале углов световозвращения за счет повышения осевой силы света и уменьшения угловой расходимости отраженного в обратном направлении излучения, в том числе лазерного. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Световозвращающий элемент, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, у которой центры кривизны первой и последней поверхностей совпадают, а радиус кривизны первой поверхности равен R₁, отличающийся тем, что двояковыпуклая линза выполнена составной и включает в себя две линзы, соединенные между собой по сферической поверхности с радиусом кривизны R₃, центр кривизны которой совпадает с центрами кривизны первой и последней поверхностей двояковыпуклой линзы, при этом первая поверхность первой линзы является первой поверхностью двояковыпуклой линзы, вторая поверхность второй линзы является последней поверхностью двояковыпуклой линзы, вторая поверхность первой линзы совпадает с первой поверхностью второй линзы, радиус кривизны R₃ выбирается из условия
(R₁-S₁′)<R₃<0 или 0<R₃<R₁,
где S₁′ - расстояние до плоскости Гаусса первой поверхности первой линзы; толщина первой линзы d₁ равна разности радиусов кривизны R₁ и R₃, толщина второй линзы d₂ определяется из выражения
d₂=S′±δ,
где S′ - расстояние до плоскости Гаусса первой линзы;
δ - поправка, величина которой выбирается из условия обеспечения коррекции волновой аберрации широкого пучка излучения;
радиус кривизны второй поверхности второй линзы R₂ равен разности радиуса кривизны R₃ и толщины второй линзы d₂, при этом показатели преломления материалов, из которых выполнены первая и вторая линзы, выбираются так, что показатель преломления материала той линзы, у которой знаки радиусов кривизны первой и второй поверхностей совпадают, больше показателя преломления материала линзы, у которой знаки радиусов кривизны первой и второй поверхностей противоположны.

2. Световозвращающий элемент по п.1, отличающийся тем, что материалы, из которых выполнены первая и вторая линзы, обладают различными коэффициентами дисперсии.