ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ РЕФЛЕКТОР, ВОЗВРАЩАЮЩИЙ ПАДАЮЩЕЕ НА НЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА В ОБРАТНОМ НАПРАВЛЕНИИ Российский патент 2024 года по МПК G02B5/12 

Изобретение относится к локационной технике и может быть использовано во многих сферах народно-хозяйственной деятельности в качестве отражательного устройства в различных диапазонах волн оптического излучения с изменением длины волны (цвета) отраженного сигнала для контроля, сигнализации, геотехнического мониторинга, определения координат и ориентации подвижных и неподвижных объектов наземного, водного, воздушного и космического базирования, в том числе для точного контроля положения и ориентации космических аппаратов.

Известен отражательный рефлектор, выполненный в виде призменного уголкового отражателя [1] в форме трехгранной пирамиды с боковыми отражающими гранями, при этом размеры ребер отражателя и показатель преломления определяются из математических соотношений. Недостатком этого отражательного рефлектора является то, что при применении его на космических аппаратах отраженный луч возвращается со смещением, которое зависит от орбиты спутника, с потерей части энергии, обусловленной дифракцией отраженного луча.

Известен отражательный рефлектор [2], выполненный, например, из кварца в виде призмы, боковые грани которой выполнены в форме треугольника, при этом на поверхности боковых граней призмы нанесен слой отражающего металлического покрытия, например, из алюминия или серебра, с выполнением условий, обеспечивающих формирование многолепестковой диаграммы направленности с периферийными пятнами освещенности в ее сечении, что позволяет улучшить дифракционную картину отраженного сигнала. Недостатками устройства [2] являются недостаточная точность и надежность локации для спутников, орбита которых находится на расстоянии около 19000 км от Земли.

Известен отражательный рефлектор, выполненный в виде уголкового отражателя с диэлектрическим покрытием отражающих граней [3]. В нем устранение смещения отраженного луча за счет дифракции обеспечивается покрытием отражающих граней диэлектрической пленкой определенной толщины, рассчитываемой по приведенным в описании патента формулам. Недостатком такого отражателя является невозможность управления цветом отраженного сигнала с использованием эффекта интерференции отраженных волн, так как толщина тонкой пленки выбирается только из условия получения несмещенного отраженного луча.

Известен отражательный рефлектор в виде уголкового отражателя направленного действия со светоотражающим покрытием граней [4] для управления сигнальными огнями на водных путях, в котором для управления цветом используется светоотражающее покрытие с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения. Используется полупроводниковый диод, излучающий поток света с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня, соответствующего цвету светоотражающего покрытия, а выбор цвета определяется сложившейся навигационной обстановкой на внутренних водных путях. Недостатком этого изобретения является сложность управления сигнальными огнями и применимость этого устройства только для излучения сигнальных огней, без возможности управления цветом отраженного сигнала.

Известен также отражательный рефлектор [5] выполненный, например, из кварца в виде призмы с боковыми гранями в форме треугольника, на которых имеется отражающее покрытие. В нем повышение точности и надежности локации, а также повышение соотношения «сигнал/шум» достигается за счет того, что на входную преломляющую грань призмы нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны с выполнением определенных условий по ее расположению и площади с целью получения требуемой дифракционной картины. При этом, толщина пленки выбирается так, чтобы обеспечить сдвиг фаз между центральным и периферийным пучком, равный п. Интерференция этих параллельных пучков в дальней зоне (на бесконечности) приводит к выдавливанию энергии на периферию отраженного пучка. Это обеспечивает в дальней зоне особый вид диаграммы направленности и позволяет управлять как ее угловой шириной, так и распределением энергии внутри нее. Это позволяет достичь эффекта, подобного изобретению [3], путем покрытия диэлектрической пленкой только входной плоской грани уголкового отражателя, без нанесения диэлектрической пленки на отражающие грани.

Основным недостатком всех рассмотренных аналогов является то, что эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) ограничена формой отражательного рефлектора, выполненного в виде треугольного уголкового отражателя. Другой недостаток аналогов заключается в невозможности изменения цвета отраженных волн для расширения функций контроля и сигнализации без окрашивания в заданный цвет отражательной поверхности или использования световых волн заданного цвета, в том числе для определения ориентации объектов, на которых установлены уголковые отражатели. Недостаток, главным образом, аналога [5] заключается в том, что наблюдаются существенные потери отраженной энергии при больших углах падения световых лучей относительно перпендикуляра к плоской поверхности входной грани.

Известен также отражательный рефлектор [6] выполненный, из прозрачного твердого материала, например, из кварца или оптического стекла, на внешнюю боковую поверхность которого нанесено отражающее покрытие, на его преломляющую поверхность со стороны падения излучения нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности отраженного излучения, отличающийся от предыдущих тем, что он выполнен в виде полого конического объемного тела с углом раствора внешней боковой отражающей поверхности равным 90 градусов. Диэлектрическая пленка, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности, нанесена на внутреннюю поверхность стенки конического объемного тела. На внешнюю боковую отражающую поверхность полого конического объемного тела под отражающим покрытием нанесена прозрачная тонкая пленка, имеющая относительный коэффициент преломления n и толщину d, обеспечивающие получение отраженных лучей в заданном диапазоне волн X оптического спектра в соответствии с формулой

где m - число полных длин волн, проходящих через пленку.

Отражательный рефлектор [6] выбран в качестве прототипа.

Во всех вариантах конструкции прототипа [6] толщина прозрачного тонкого покрытия (тонкой пленки), нанесенного на внешнюю боковую поверхность под отражающим покрытием позволяет за счет интерференции световых волн изменить диапазон волн (цвет) отраженного сигнала. Прототип по сравнению с аналогами (уголковыми отражателями) обеспечивает увеличение эффективной поверхности рассеяния и, соответственно, уменьшение потерь энергии возвращаемых световых волн за счет конической формы отражательного рефлектора. Увеличение процента отражения световых волн в прототипе на границе раздела фаз «воздух, вакуум - стекло, кварц» достигается посредством изготовления входной грани в виде внутренней поверхности полого конического объемного тела.

Вместе с тем, прототип имеет недостаток, который заключается в том, что для сужения диапазона отражаемых волн оптического диапазона (получения световой волны заданного цвета) коэффициент преломления тонкой пленки требуется выбирать как можно большим по сравнению с коэффициентом преломления конического объемного тела рефлектора. Увеличение величины n=n₂/n₁, где n₂ - показатель преломления тонкой пленки, a n₁ - показатель преломления объемной формы конического рефлектора (оптического стекла, кварца), требует применения пленок с высоким значением коэффициента преломления, например, TiO₂, CeO₂, ZnS, ZnSe, а для конического объемного тела - оптических стекол специального состава (флюоритовый крон, боросиликатный крон и др.) или видов кварца, имеющих низкий коэффициент преломления. Например, если использовать в качестве тонкой пленки двуокись титана (рутил), имеющую коэффициент преломления в оптическом диапазоне волн около n₂=2,9, а в качестве объемного тела конического рефлектора - специальное оптическое или кварцевое стекло с коэффициентом преломления n₁=1,47, то n=n₂/n₁=1,973. При равномерном покрытии поверхности пленкой с толщиной 212 нм диапазон отраженных волн будет составлять от λ=522,4 нм до λ=559,5 нм при средней длине волны зеленого спектра 540 нм. Таким образом, отражаемый диапазон волн содержит участки слева и справа относительно длины волны спектра, выбранной за основную для отражения.

Однако, к оптическим стеклам отражателей в зависимости от назначения и условий применения предъявляется большое число требований. Они должны обладать высокой химической стойкостью и низкой кристаллизационной способностью, быть технологичными, иметь высокую пропускную способность в широком спектральном диапазоне. Существует более 100 марок оптических стекол. Коэффициент преломления оптических стекол находится в диапазоне от 1,4 до 1,8. Вместе с этим, большинство тонких пленок, имеющих высокий коэффициент преломления n₂≥2,5 обладают полной прозрачностью в правой части видимого спектра при длинах волн λ≥500 нм (ZnS, ZnSe, Sb₂S₃, As₂Se₃, As₂S₃ и др.). В области прозрачности при длинах световых волн менее 500 нм большинство тонких пленок имеют коэффициенты преломления от 1,6 до 2,6 (CeF₃, PbF₂, SiO, HfO₂, ZnS и др.). Таким образом, при определенных требованиях к применению, например, при использовании отражательного рефлектора в различных средах или в космическом пространстве, где на пропускную способность стекла воздействует гамма-излучение и другие факторы, для подбора высокого соотношения n₂/n₁ возможно использовать небольшой ряд марок стекол и тонких пленок. Использование стекол с коэффициентом преломления до 1,8 и тонких пленок с коэффициентом преломления до 2.6 приводит к существенному расширению спектра (длин волн) отражаемых сигналов, что вызывает смешение цветов отражаемого излучения.

Для устранения указанного недостатка предлагается конструкция оптического отражательного рефлектора, возвращающего падающее на него электромагнитное излучение оптического диапазона в обратном направлении, отличающаяся от прототипа [6] тем, что внешняя отражающая поверхность объемного тела выполнена в виде правильной многогранной пирамиды, описанной около конуса с углом раствора 90 градусов, при этом количество граней многогранной пирамиды определяется формулой 3×2^k, где k=0, 1, 2, 3, …, ∞, а тонкая пленка в соответствии с формулой (1) нанесена под отражающим покрытием только на одну треть следующих друг за другом граней, на следующую треть граней нанесена прозрачная тонкая пленка толщиной

а на последнюю треть следующих друг за другом граней нанесена прозрачная тонкая пленка толщиной

где величина АХ является диапазоном длин волн, отсекаемых с боков от выбранного для отражения участка спектра.

Предлагаемая конструкция поясняется схематическими чертежами, где показаны на

фиг. 1 - диапазон отражаемых волн предлагаемой конструкции рефлектора при выборе в качестве основной волны 540 нм;

фиг. 2 - чертеж конструкции отражательного рефлектора под углом к оси ОХ при количестве граней, равным 6;

фиг. 3 - вид отражательного рефлектора под углом к оси ОХ при количестве граней, равным 6;

фиг. 4 - вид отражательного рефлектора под углом к оси ОХ при количестве граней, приближающимся к ∞.

Конструкция основана на свойстве отражательных рефлекторов, возвращающих падающее на них электромагнитное излучение оптического диапазона в обратном направлении, заключающемся в том, что входной световой луч, попадающий на одну треть отражающей поверхности рефлектора, отражается на его другую треть, развернутую под углом к поверхности первоначального попадания луча. На фиг. 1 показан диапазон 1 отражаемых длин волн для n=n₂/n₁=1,973 при покрытии тонкой пленкой всей боковой поверхности в соответствии с формулой (1) для окраски отраженных лучей в зеленый цвет со средней длиной волны 540 нм. В случае использования в прототипе стекла, например, с коэффициентом преломления n₁=1.65, а тонкой пленки с коэффициентом n₂=2.51 (n=n₂/n₁=1,521) диапазон 2 на фиг. 1 отраженных волн составит от 507 нм до 573 нм. При использовании формулы (2) в предлагаемой конструкции отражателя для сохранения диапазона прототипа вторая треть тонкой пленки должна сместить диапазон отражаемых световых волн 3 вправо на величину +Δλ, а третья треть тонкой пленки при использовании формулы (3) - влево на -Δ, обозначено цифрой 4. Допустим необходимо сохранить диапазон отражаемых световых волн от 522 до 560 нм, как в прототипе, но при соотношении n=n₂/n₁=1,521. Вторая треть тонкой пленки обеспечивает смещение диапазона отражаемых волн вправо на величину +Δλ=522 нм - 507 нм = 15 нм, то есть для второй трети тонкой пленки выбирается толщина, обеспечивающая центральную длину волны 540 нм + 15 нм = 555 нм. Для сохранения правой границы отраженных лучей 560 нм толщина тонкой пленки по формуле (3) сдвигает зону отражаемых волн влево на величину 560 нм - 573 нм = -13 нм. Таким образом, обеспечивается центральная длина отраженной волны, равная 540 нм - 13 нм=527 нм. Номерами 5 и 6 на фиг. 1 показаны отсекаемые при отражении диапазоны световых волн.

На фиг. 2 показан вид отражательного рефлектора под углом к оси ОХ при k=1 с количеством граней, равным 3×2^k=6. Позицией 1 показано коническое объемное тело с углом 2 раствора конуса, равным 90 градусов. Отражающее покрытие 7 нанесено снаружи на грани 3 правильной шестигранной пирамиды, описанной около конуса с углом раствора 90 градусов. Пирамида выполнена из объемного прозрачного тела, полого внутри. Внутренняя часть предложенной конструкции отражателя сохраняется как у прототипа в виде конической полости. Под отражающим покрытием на грани пирамиды нанесена тонкая пленка, причем на двух гранях 4 толщиной d, согласно формуле (1), на следующих двух гранях 5 толщиной d₁, согласно формуле (2), на следующих двух гранях 6 толщиной d₂, согласно формуле (3).

Общий вид отражателя показан на фиг. 3. Внешняя поверхность объемного прозрачного тела отражателя, выполненная в виде правильной пирамиды, описанной около конуса с углом раствора 90 градусов, является подложкой для нанесения сначала тонких пленок 4, 5, 6, а затем на них отражающего покрытия 7.

На фиг. 4 показан вид отражательного рефлектора под углом к оси ОХ при k=∞. В этом случае внешний вид отражателя совпадает с прототипом, однако в отличие от прототипа тонкая пленка толщиной d, согласно формуле (1), нанесена на одну треть 4 внешней поверхности прозрачного тела конического отражателя, пленка толщиной d₁, согласно формуле (2), нанесена на вторую треть 5 внешней поверхности прозрачного тела конического отражателя, а на последнюю треть 6 поверхности нанесена пленка толщиной d₂, согласно формуле (3). Отражающее покрытие 3 нанесено сверху на тонкую пленку по всей наружной поверхности отражателя.

При k=0 количество граней равно 3×2^k=3. В этом случае конструкция треугольного отражателя, аналогично шестиугольному, состоит из прозрачного объемного тела, внутренняя часть которого является полой, как у прототипа, а наружная выполнена в виде правильной трехгранной пирамиды. Конструкция отличается от других треугольных отражателей и от прототипа тем, что три грани поверхности прозрачного объемного тела отражателя покрыты под отражающей поверхностью тонкой пленкой разной толщины: первая грань - толщиной d в соответствии с формулой (1), вторая грань - толщиной d₁ в соответствии с формулой (2), третья грань - толщиной d₂ в соответствии с формулой (3).

Технический эффект применения предлагаемой конструкции отражателя заключается в следующем.

Предлагаемая конструкция отражательного рефлектора позволяет сузить диапазон отражаемых волн оптического диапазона за счет отсечения участков отражаемых длин волн с боков от выбранного для отражения участка спектра, расширить диапазон применяемых материалов для прозрачного тела отражателя и диапазон применения тонких пленок различного типа, упростить технологию нанесения тонких пленок на прозрачное тело отражателя, так как существуют наиболее пригодные методы получения и обработки различных типов пленок.

Кроме этого, предлагаемая конструкция позволяет подбирать оптические стекла отражателей и тонкие пленки в зависимости от назначения и условий их применения, так как во многих случаях они должны обладать высокой химической стойкостью и низкой кристаллизационной способностью, быть технологичными, иметь высокую пропускную способность в широком спектральном диапазоне. Особенно это важно для отражателей, используемых в космическом пространстве, где действует гамма-излучение, приводящее к постепенной деградации свойств оптических стекол, а также в агрессивных средах.

Описанная конструкция отражательного рефлектора может найти широкое применение во многих сферах народно-хозяйственной деятельности для контроля, сигнализации, геотехнического мониторинга подвижных и неподвижных объектов наземного, водного, воздушного и космического базирования, а также использоваться в агрессивных средах при соответствующем подборе типов стекла, пленки и отражающего покрытия. Предлагаемая конструкция может применяться в дорожных знаках, отражателях на судах и другом транспорте.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение №2101740, М. кл. H01Q 15/18, опубл. 30.09.1994.

2. Патент РФ на полезную модель №84141, МПК G02B 5/122, опубл. 27.06.2009.

3. Патент республики Беларусь BY №8027 С1, МПК G02B 5/122, опубл. 30.03.2005.

4. Патент РФ на изобретение RU №2634550 С2, М. кл. В63В 22/02, H01Q 15/18, опубл. 31.10.2017.

5. Патент РФ на изобретение RU №2458368 C1, М. кл. G02B 5/122, опубл. 10.02.2012.

6. Патент РФ на изобретение RU №2817617 С1, МПК G02B 5/122, опубл. 16.04.2024.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается отражательного рефлектора, возвращающего излучение оптического диапазона в обратном направлении. Рефлектор выполнен из прозрачного твердого материала в виде полого объемного тела, внешняя отражающая поверхность объемного тела выполнена в виде правильной многогранной пирамиды, описанной около конуса с углом раствора 90 градусов. На его преломляющую поверхность со стороны падения излучения нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности отраженного излучения. На одну треть следующих друг за другом граней внешней боковой отражающей поверхности под отражающим покрытием нанесена прозрачная тонкая пленка с относительным коэффициентом преломления n и толщиной d, на вторую треть граней нанесена прозрачная тонкая пленка толщиной d₁, а на последнюю треть граней нанесена прозрачная тонкая пленка толщиной d₂. Технический результат заключается в получении отраженных лучей в узком диапазоне волн, возможности применения широкой номенклатуры оптических материалов и тонких пленок, расширении сферы применения устройства, включая агрессивные среды и космическое пространство. 4 ил.

Отражательный рефлектор, возвращающий падающее на него электромагнитное излучение оптического диапазона в обратном направлении, выполненный из прозрачного твердого материала, например, из кварца или оптического стекла в виде полого объемного тела, имеющего внешнюю боковую отражающую поверхность с углами, равными 90 градусов, на его преломляющую поверхность со стороны падения излучения нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности отраженного излучения, на внешнюю боковую отражающую поверхность полого объемного тела под отражающим покрытием нанесена прозрачная тонкая пленка с относительным коэффициентом преломления n и толщиной d, для расчета толщины пленки использована формула

где m - число полных длин волн, обеспечивающих получение отраженных лучей в заданном диапазоне волн λ оптического спектра,

отличающийся тем, что

внешняя отражающая поверхность объемного тела выполнена в виде правильной многогранной пирамиды, описанной около конуса с углом раствора 90 градусов, при этом количество граней многогранной пирамиды определяется формулой 3×2^k, где k=0, 1, 2, 3, …, ∞, тонкая пленка в соответствии с формулой (1) нанесена под отражающим покрытием на одну треть следующих друг за другом граней, на следующую треть граней нанесена прозрачная тонкая пленка толщиной

а на последнюю треть следующих друг за другом граней нанесена прозрачная тонкая пленка толщиной

где величина Δλ является диапазоном длин волн, отсекаемых с боков от выбранного для отражения участка спектра.