Призменный уголковый отражатель Советский патент 1992 года по МПК G02B5/122 

е

Ё

Использование: в качестве отражающего элемента в навигационных знаках, дальномерах, при контроле за движением и вибрацией. Сущность изобретения: в приз- менном уголковом отражателе, выполненном в виде трехгранной пирамиды, два двугранных угла которой между боковыми отражающими гранями равны я/2, третий двугранный угол равен (5+1), где 8 1, 2, 3, согласно изобретению фронтальная грань отражателя ограничивает длины его боковых ребер в отношении Ri:Ra:R3 a;a:1, где величина а, относящаяся к ребрам прямых двугранных углов, связана с показателем преломления материала п математическими зависимостями. 5 ил.

Изобретение относится к локационной технике и оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве отражающего элемента в навигационных знаках, буях, интерферометрах, маркерах, дальномерах, при контроле за движением и вибрацией, в авиации, космонавтике, метеорологии.

Известен прямоугольный трехгранный уголковый отражатель, действующий в режиме полного внутреннего отражения. Однако этот отражатель имеет небольшую осевую силу отраженного света.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является уголковый отражатель, выполненный в виде трехгранной пирамиды

с боковыми ребрами равной длины, два двугранных угла которого равны прямому, а третий двугранный угол выполнен равным (s+1), где s - целое положительное число. Однако этот отражатель также имеет недостаточную осевую силу отраженного света.

Цель изобретения - повышение осевой силы отраженного света при сохранении габаритно-весовых характеристик уголкового отражателя.

Указанная цель достигается тем, что в призменном уголковом отражателе, выполненном в виде трехгранной пирамиды, два двугранных угла которой между боковыми отражающими гранями равны л/2, третий двугранный угол равен (s+1), где s 1, 2,

VJ

2

00

О

3, согласно изобретению фронтальная грань отражателя ограничивает длины его боковых ребер в отношении

Ri : R2 : Ra а : а : 1

О)

где величина а, относящаяся к ребрам прямых двугранных углов, определяется через показатель преломления материала п следующим образом

для s 1 1 а 1,994п2- 7,207п + 7,115

при 1,361 п 1,495; а 70,098п3 - 326,011п2 + 505,312п - 260,211

при 1, 1,59;

а 0,283п4 - 2,532п3 + 8,393п2 - 12,038п + 7,108 при 1.59 п 2,5;

для s 2 1 а -1,570п3 + 8,666п2-16,533п + 11,453

при 1, 1,773; а 2,426г.3 - 14,150п2 + 26,955п - 16,155

при 1, 2,145;

а 6.159п3 - 44,025п2 + 105.059п - 82,854

при 2,145 п 2,5;

зля s 3

для

1 а -0,453п° + 4,833п4 - 20,709п3 +

+44,784п2 - 49,449п + 23,149

при 1.40К п 2,5;

Заявляемое устройство соответствует критерию новизна так как характеризуется наличием нового признака, а именно специальным подбором в зависимости от показателя преломления длин боковых ребер отражателя,

Сравнение заявляемого технического решения с другими техническими решениями показывает, что оно соответствует критерию существенные отличия, так как введение нового признака приводит к проявлению устройством нового свойства - формированию отраженного излучения с большей осевой силой,

Изобретение поясняется фиг. 1-5, На фиг.1 приведен общий вид предлагаемого устройства. Оно выполнено в форме трехгранной пирамиды 1 с тремя боковыми отражающими гранями 2, 3 и 4 и входной фронтальной гранью 5. Двугранные углы между гранями 2 и 4, 3 и 4 равны лг/2, а между гранями 2 и 3 - (з+1). На гранях 2,3 и 4 свет испытывает полное внутреннее отражение. Длина бокового ребра 6 между гранями 2 и 4 равна RI, ребра 7 между гранями 3 и 4 - R2, ребра 8 между гранями 2 и 3 - RS. Длины боковых ребер 6,7 и 8 связаны соотношением (1). Совокупность точек входа и выхода света из отражателя 1 образует его рабочую апертуру 9 (граница рабочей апертуры выделена толстой линией), которая представляет собой вытянутый симметричный шестиугольник, расположенный на фронтальной грани 5. Она получается как общая часть пересечения фронтальной

грани 5 и ее зеркально-симметричного изображения относительно точки входа центрального луча (основание перпендикуляра, опущенного из вершины трехгранного угла на фронтальную грань 5). Рабочая апертура 9 состоит из совокупности 4s+6 секторов, границы между которыми совпадают с проекциями на фронтальную грань 5, в направлении перпендикулярном к ней, боковых ребер 6, 7 и 8 отражателя и их зеркальных изображений в боковых гранях 2, 3 и 4. На фиг.2 в скобках показаны последовательности прохождения светом боковых граней 2, 3 и 4 при выходе из соответствующего сектора рабочей апертуры. На фиг.З, 4

и 5 приведены кривые 10,11, 12, характеризующие конструкцию заявляемого отражателя, т.е. зависимость (предельную при 1,361 п 1,495 для s 1; при 1,390 п 1,773 для при 1,401 п 2,5 для )

соотношения длин боковых ребер Ri/Рз от показателя преломления п материала отражателя, в соответствии с формулой (1).

Устройство работает следующим образом.

Падающий коллимированный пучок света входит в отражатель 1 через его рабочую апертуру 9 и после 2s+3 полных внутренних отражений от граней 2, 3 и 4 выходит из отражателя в направлении, противоположном направлению падения. При полностью освещенной рабочей апертуре 9 падающий пучок разделяется в отражателе на 4s+6 парциальных пучков, которые распространяются в нем различными путями. В соответствии с этим выходной пучок представляет собой суперпозицию 4s+6 пространственно разнесенных пучков. При полных внутренних отражениях от боковых граней 2, 3 и 4 происходят изменения амплитудно-фазовых характеристик волны. Эти изменения зависят от показателя преломления материала отражателя, состояния поляризации падающего света, набора углов падения волн на отражающие грани (геометрии отражателя), а также от последовательности переотражения волн от граней. Поэтому сектора рабочей апертуры отражателя выступают как отдельные оптические элементы, формирующие волны с различными состояниями поляризации. Распределение энергии отраженного излучения относительно оси визирования в зоне дифракции Фраунгофера, определяющее эффективность действия призменного

уголкового отражателя а оптических приборах и локационных системах, обусловлено интерференцией 4s+6 парциальных пучков. Осевая сила света, т.е. интенсивность в центре дифракционной картины, равна по величине квадрату модуля среднего по площади апертуры значения вектора Джонса выходного излучения

+

4s +6Q V г- 2/ с tpi

I 1 оо

.(2)

где So - площадь всей рабочей апертуры 9, Si - площадь 1-го сектора рабочей апертуры, Esi и Epi - ортогональные компоненты вектора Джонса волны, выходящей из i-ro сектора. Параметры заявляемого устройства (соотношение длин боковых ребер) оптимизированы таким образом, что оно формирует отраженное излучение с максимально возможной осевой силой, независимо от состояния поляризации падающей волны, сохраняя при этом габаритно-весовые характеристики прототипа, для при п 1,495 и для при п 1,773. Для других показателей преломления (1,361 п 1,495 для . 1,390 п 1,773 для , вся область 1,40К п 2,5 для ) максимумы осевой силы отраженного света приходятся на точки срыва режима полного внутреннего отражения. В этих случаях геометрия отражателя задается непрерывным континиумом соотношений длин ребер от равных между собой до этих критических точек, не включая их (неравенства в (1) для а). Под сохранением габаритно-весовых характеристик понимается выполнение одного из шести условий (фиг.1):

1)сохранение массы (обьема) отражателя VOABC;

2)сохранение площади, отражающих граней

Зотр SOAB + SOAC + Зове;

3)сохранение площади фронтальной грани SABC;

4)сохранение площади рабочей апертуры SDEFGHJ;

5} сохранение полезного объема отражателя

Упол VOABC - VCDEI - VAHKJ - VBGLF;

6) сохранение полезной площади отражающих граней Si-юл Зотр- SAHK - SAKJ - SBGL- SBFL - SCDI - SCEI.

В качестве примера исполнения рассмотрим призменный уголковый отражатель (ж/2, л/2, JT/4) (), изготовленный из стекла с показателем преломления п 1,55.

Конструктивно, в зависимости от сохраняемой габаритно-весовой характеристики, он выполняется следующим образом:

51) Ri R2 0,934 L, Рз 1.145 L;

2)Ri R2 0,9261, Нз 1.135L:

3)Ri R2 0,942 L, Rs 1.154L;

4)Ri - R2 - 0,874 L, Вз 1,071 L; (OL OK 0,409 L, 01 0,609 L

5)Ri R2 0,897 L, Rs - 1.099 L; (OL OK 0,420 L, 01 0,625 L)

6)Ri R2 0,893 L, Ra 1,094 L; (OL OK 0,4181.01 0,622 L).

Во всех случаях отношение Ri/R3 0,816 удовлетворяет (1), а осевая сила света согласно (2) равна 1 0,676, что является максимально возможной величиной при данном показателе преломления и на 5%

больше, чем у прототипа (Ri . R2 Нз L, 1прот 0,646). На фиг.З, 4 и 5 приведены значения I зависимости от п для заявляемого устройства (кривые 13, 14 и 15 для, соответственно, ,2.3). Кривые 16, 17 и 18

соответствуют аналогичной зависимости для прототипа. Из фиг.З, 4, 5 непосредственно видно, что достигаемое увеличение осевой силы особенно существенно при некоторых значениях показателей преломления, например, для при 1,4 п 1,6 (п 1,45, I 0.641, 1прот 0.600, рост на 7%).

Таким образом, предлагаемый призменный уголковый отражатель уменьшает

расходимость отраженного излучения. Это приводит к увеличению дальности действия локационных систем и повышает четкость изображения, формируемого оптическими приборами, в которыхотражатель используется в качестве световозвраидающего элемента.

Формула изобретения

Призменный уголковый отражатель, выполненный в виде трехгранной пирамиды, два двугранных угла которой между боковыми отражающими гранями равны л/2, третий двугранный угол равен (5+1). где

3 1,2, 3, отличающийся тем, что, с целью повышения осевой силы отраженного света при сохранении габаритно-весовых характеристик, длины ребер трехгранного угла, противолежащего фронтальной грани,

относятся как а:а:1, где величина а, относящаяся к ребрам прямых двугранных углов, связана с показателем преломления материала следующим образом:

для s 1

1 а 1,994п2-7,207п + 7,115

при 1,361 п Ј 1,495; .а - 70,098п3 - 326,011п2 + 505,312п - 260,211

при 1,495 п 1,59:

а 0,283п4 - 2,532п3 + 8,393п2 - 12,038п + 7,108 при 1,59 п 2,5;

5

.Я

Фиг Л

для s 2 а -1,570nJ + 8,666n-16,533п +11,453

пои1, S 1,773; а 2,426п3 - 14,150п2 + 26,955п -16,155

при 1, 2,145;

а 6,159п3 - 44,025п2 + 105,059п - 82.854

при 2,145 п 2,5;

для s 3 1 а -0,453п5 + 4,833п4 - 20,709п3 +

+44,784п2 - 49,449п + 23,149 при 1.40К п 2,5.

8

XV Vf I (

-9 н

{х-пу 3 Н-7 (Z. (

4 / ч /

(ггг) (г-сг)чу

и-K)

2 лиф

0,&

OJ

,S

Фиг,0,9

0,8

0,7

/,5

Редактор С. Кулакова

$иг.5

Составитель А. Титов Техред М.Моргентал

0,й

0,6

/,Лз /

А 5

а г

44

/7

г. 5

Корректор С. Пекарь