РЕТРОРЕФЛЕКТОРНАЯ СИСТЕМА ИЗ КОНИЧЕСКИХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ Российский патент 2024 года по МПК G02B5/136 

Изобретение относится к оптическому приборостроению 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.

Известны ретрорефлекторные системы, состоящие из уголковых отражателей [1, 2, 3], выбранные в качестве аналогов. Недостатком аналогов является то, что они выполнены в виде плоских или искривленных панелей (в частности кольцевых), сферических или конических панелей, состоящих из уголковых отражателей, не имеют возможности изменения длин волн (цвета) отраженного светового потока, имеют ограниченные возможности по формированию требуемых диаграмм направленности отраженных волн и недостаточную в отдельных случаях эквивалентную площадь рассеивания (ЭПР). При увеличении количества уголковых отражателей в ретрорефлекторной системе возрастает эффективная площадь рассеяния, однако присутствует ошибка, возникающая при отражении светового излучения от нескольких уголковых отражателей при наклоне панели ретрорефлекторной системы к направлению падения световых волн. В этом случае расстояние от передатчика световых волн, например лазерного, до разных уголковых отражателей в ретрорефлекторной системе различно, что приводит к удлинению ответного светового сигнала или к наличию нескольких ответных сигналов. Другим недостатком аналогов, используемых, главным образом, на космических аппаратах (КА), является то, что оптимальная индикатриса отражения (диаграмма направленности отраженного излучения) обеспечивается выбором размера уголкового отражателя (42-48 мм) и определенного развала угла между его отражающими гранями, что позволяет снизить потери энергии при отражении волн оптического диапазона, однако вносит ограничение на размер применяемых уголковых отражателей.

Известна также ретрорефлекторная система в виде пирамиды [4], выбранная в качестве прототипа и применяемая в основном на низкоорбитальных космических аппаратах. В конструкции прототипа ошибка, возникающая при отражении светового излучения от нескольких уголковых отражателей при наклоне ретрорефлекторной системы к направлению падения световых волн, существенно уменьшена за счет того, что вершины уголковых отражателей сходятся в одной точке. Конструкция прототипа позволяет расширить индикатрису (диаграмму направленности), уменьшив размер уголкового отражателя, но при этом уменьшается и его апертура (характеристика ретрофлекторной системы, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения), в результате падает энергия отраженного излучения.

Основным недостатком всех рассмотренных ретрорефлекторных систем (аналогов и прототипа) является то, что эффективная площадь (поверхность) рассеяния (ЭПР) и диаграмма направленности отраженного излучения ограничены формой применяемых в них отражательных рефлекторов, выполненных в виде уголковых отражателей, и конструкцией (формой) самих ретрорефлекторных систем.

Другим недостатком аналогов и прототипа является потеря энергии входящей световой волны в результате попадания светового потока в области отражателей, близкие к стыку граней и на сами линии соединения отражающих граней.

Третий недостаток существующих ретрорефлекторных систем 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 ретрорефлекторные системы с уголковыми отражателями.

Четвертый недостаток заключается в том, что наблюдаются существенные потери отраженной энергии при больших углах падения световых лучей относительно перпендикуляра к плоской поверхности входных граней уголковых отражателей ретрорефлекторных систем.

Пятым недостатком ретрорефлекторных систем, выполненных из уголковых отражателей с плоскими отражательными гранями, является сложность технологии изготовления для них уголковых отражателей со строго перпендикулярными отражательными гранями ввиду необходимости соблюдения точности изготовления граней под прямыми углами не хуже 0,1-0,2 угловых секунды.

Кроме этого, недостатком выбранного прототипа [4] является то, что при его применении на космических аппаратах в зенитной области пролета космического аппарата угол падения на все четыре отражателя составляет около 54 градусов, при этом апертура уголкового отражателя существенно уменьшается и имеет овальную форму, узкую при нахождении КА в зените и более широкую при нахождении КА над линией горизонта. В результате эффективная площадь рассеяния для отраженного излучения оказывается минимальной и не превышает нескольких тысяч квадратных метров. При расположении космического аппарата над линией горизонта ЭПР для прототипа составляет примерно от 10³ до 42×10³ м² [3], в то время как ЭПР одного уголкового отражателя с диаметром вписанной окружности 2,7 см, применяемого на отечественных КА, составляет около 10⁶ м² при вхождении лучей перпендикулярно к плоскости входной поверхности. Ввиду этого, ретрорефлекторную систему «пирамида» можно применять только на низкоорбитальных космических аппаратах.

Известен также отражательный рефлектор [5], 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.

Применение отражательного рефлектора конической формы, например [5], в ретрорефлекторных системах позволяет устранить указанные недостатки аналогов и прототипа, изменять цвет отраженных волн, расширить сферу применения ретрорефлекторных систем, однако требует существенного изменения конструкции ретрорефлекторных систем, что также приводит к изменению технологии их изготовления.

Предлагаемый вариант ретрорефлекторной системы поясняется схематическими чертежами, где показаны на

фиг. 1 - конструкция ретрорефлекторной системы из конических отражателей, выполненная как коническая розетка;

фиг. 2 - вид под углом ретрорефлекторной системы из конических отражателей, выполненной как коническая розетка с основными и дополнительными малыми коническими отражателями;

фиг. 3 - вид ретрорефлекторной системы из трех основных конических отражателей и одного дополнительного малого конического отражателя, выполненной как коническая розетка.

Предлагаемая конструкция (фиг. 1) основана на геометрическом свойстве, заключающемся в том, что в любую сферу можно вписать до шести не пересекающихся конусов с углом раствора 90 градусов, имеющих вершины, совпадающие с центром сферы. Предлагаемая конструкция состоит из отражателей 1 (от двух до шести), выполненных в виде конических тел, например, таких, как в изобретении [5], вписанных в воображаемую сферу 2, изображенную круговой пунктирной линией. Вершины конических отражателей, на внешние поверхности которых нанесено отражающее покрытие, соединены в центре 3 воображаемой сферы, что внешне выглядит как коническая розетка (фигура, имеющая несколько лепестков конической формы). Вид конической розетки на фиг.1 показан по оси бокового отражателя, имеющего отражающее покрытие 4, тонкую пленку 5 под ним, тело отражателя 6, выполненное из оптически прозрачного материала. На фиг.2 приведена конструкция ретрорефлекторной системы из шести основных конических отражателей 1 и восьми дополнительных малых конических отражателей 7. Дополнительных малых конических отражателей может быть от одного до восьми. Дополнительные малые конические отражатели 7 имеют вершины, не совпадающие с вершинами основных конических отражателей, однако оси дополнительных отражателей проходят через центр воображаемой сферы 3, в котором сходятся вершины основных отражателей. Включение в конструкцию дополнительных малых конических отражателей с осью симметрии, проходящей через центр воображаемой сферы, в котором сходятся вершины основных отражателей, позволяет увеличить ЭПР ретрорефлекторной системы из конических отражателей примерно в полтора раза. Так как ЭПР одного конического отражателя превышает ЭПР одного уголкового отражателя в 3,3 раза, а входной световой поток попадает либо на один основной отражатель предлагаемой конструкции по его оси и на четыре дополнительных отражателя под углами 45°, либо под углом на два или три основных отражателя и несколько дополнительных, то ЭПР всей ретрорефлекторной системы под любым углом ее расположения к световому потоку будет составлять не менее 4×10 м. Это больше, чем у конструкции типа «пирамида», в 100-3000 раз в зависимости от угла падения светового потока на грани пирамидальной ретрорефлекторной системы, что позволяет использовать предлагаемую конструкцию на космических аппаратах с более высокими орбитами.

Предлагаемая ретрорефлекторная система «коническая розетка» может применяться самостоятельно в космическом пространстве в виде эталонного пассивного космического аппарата, а также в воздушном пространстве, подвешенная на воздушном шаре, или в качестве отражателя, летящего по баллистической траектории. В этом случае она будет иметь сферическую диаграмму направленности без потерь энергии отраженных волн. Она также может быть закреплена различными способами на любом стационарном объекте, транспортном средстве, самолете или космическом аппарате. В качестве крепежного элемента может выступать, например, штырь, подвес, основание одного из основных или дополнительных конусов. Предложенную ретрорефлекторную систему «коническая розетка» удобно использовать, например, для отражателей-маяков, создаваемых путем ее вращения относительно оси одного из конусов. В случае нанесения на боковые относительно оси вращения конусы тонкой пленки различной толщины под отражающим покрытием при вращении наблюдается чередование отражения лучей в различном цвете, в результате чего реализуется мигающий отражатель.

Предложенная конструкция существенно упрощает технологию изготовления ретрорефлекторных систем, которая может заключаться в изготовлении (высверливании, выдавливании, отливании и т.д.) в сфере из любого материала конусов, как показано на фигурах 1 и 2, шлифовке конусов, нанесении на внутреннюю часть конусов отражающего покрытия, осаждения или напыления на него тонкой пленки, вставки в конус прозрачного конического тела с нанесенной на его преломляющую поверхность со стороны падения излучения диэлектрической пленкой в виде круговой зоны, обеспечивающей кольцевую диаграмму направленности отраженного излучения.

Дополнительные малые конические отражатели (от одного до восьми) изготавливаются в зависимости от назначения и места крепления ретрорефлекторной системы, имеющей вид конической розетки. На фиг.3 для примера показана конструкция ретрорефлекторной системы в виде конической розетки, имеющей три основных конических отражателя 1 и один дополнительный малый конический отражатель 7. Она может быть использована для крепления в углу 8 объекта, который подвергается наблюдению или контролю.

Технический эффект применения предлагаемой конструкции ретрорефлекторной системы заключается в следующем.

Предлагаемая конструкция ретрорефлекторной системы в виде конической розетки позволяет расширить сферу применения ретрорефлекторных систем, существенно увеличить их ЭПР, управлять цветом отраженного излучения, упростить технологию их изготовления, уменьшить потери отраженной энергии при изменении угла падения световых лучей. Ретрорефлекторные системы из конических отражателей в виде конической розетки могут найти широкое применение в различных областях народного хозяйства для контроля, сигнализации, измерения расстояний, геотехнического мониторинга подвижных и неподвижных объектов наземного, водного, воздушного и космического базирования.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение RU №2 529 449 C1, М. кл. G02B 5/122, G01S 17/66, H01Q 15/18, опубл. 04.06.2013.

2. Акентьев А.С., Фокина А.А., Макаров Д.К. Механический анализ оптической ретрорефлекторной антенной системы для высокоорбитального космического аппарата. Труды МАИ. 2023. №130. DOI: 10.34759/trd-2023-130-02.

3. А.Л. Соколов, А.С. Акентьев, В.Д. Ненадович. Космические ретрорефлекторные системы. Светотехника, 2017, №4, стр. 23.

4. Патент РФ на полезную модель RU №140 723 U1, МПК G02B 5/04, G02B 5/122, опубл. 20.05.2014 (прототип).

5. Патент РФ на изобретение RU №2 817 617 С1, МПК G02B 5/122, опубл. 16.04.2024.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в локационной технике для отражения излучения оптического диапазона в обратном направлении. Ретрорефлекторная система состоит из отражателей, выполненных из оптически прозрачного материала, на боковые поверхности которых нанесено отражающее покрытие, вершины отражателей сходятся в одной точке, отражатели выполнены в виде конусов, вписанных в воображаемую сферу так, что вершины конусов отражателей соединены в центре воображаемой сферы, создавая вид конической розетки, имеющей от двух до шести конусов. Технический результат заключается в увеличении эквивалентной площади рассеивания, уменьшении потерь отраженной энергии при изменении угла падения световых лучей, упрощении технологии изготовления и расширении сферы применения ретрорефлекторной системы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ретрорефлекторная система, состоящая из отражателей, выполненных из оптически прозрачного материала, например из стекла кварцевого, на боковые поверхности которых нанесено отражающее покрытие, вершины отражателей сходятся в одной точке, отличающаяся тем, что отражатели выполнены в виде конусов, вписанных в воображаемую сферу так, что вершины конусов отражателей соединены в центре воображаемой сферы, создавая вид конической розетки, имеющей от двух до шести конусов.

2. Ретрорефлекторная система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит от одного до восьми малых конических отражателей с осями, проходящими через центр воображаемой сферы.