ДИФФУЗНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области оптической локации, оптических измерений и может быть использована при экспериментальном определении характеристик отражения искусственных и естественных объектов.
В ряде задач оптической локации требуется обеспечить определение характеристик отражения объектов в условиях зондирования, т.е. при одних и тех же углах освещения и наблюдения. Характеристики отражения объектов могут быть выражены в виде коэффициентов яркости, показателей световозвращения, эффективной площади рассеяния или эффективной отражающей площади объектов.
При определении характеристик отражения натурных объектов наиболее часто используют метод сравнения, заключающийся в получении сигналов от объекта и меры сравнения, находящихся в одних условиях освещения и наблюдения. Его реализация позволяет значительно минимизировать влияние возмущающих факторов, повысить точность и упростить процедуру измерений.
Необходимым условием реализации метода является наличие меры сравнения, в нашем случае - меры отражения поверхности.
Для определения отражательных характеристик объектов в качестве меры сравнения может быть использована диффузная поверхность, близкая к ламбертовской [Непогодий И.А. “Основные виды отражательных характеристик тел в направлении приема и методы их применения в оптике”. Импульсная фотометрия. Л., 1981, вып. 7, с. 124-131]. Диффузные отражатели характеризуются тем, что отбрасывают излучение от внешних источников во всю полусферу. Несмотря на то, что эти отражатели имеют известный, а в особых случаях специально калиброванный коэффициент отражения, их использование в ряде задач локации невозможно из-за сильной зависимости доли излучения, диффузно отраженного в направлении наблюдения, от угла падения излучения на поверхность.
Известен диффузный отражатель, используемый в качестве меры отражения в задачах дистанционного измерения отражательных характеристик объектов [Патент RU 2149431, приоритет 03.12.1997 г., МПК G02B 5/12], выбран в качестве прототипа. Диффузный отражатель представляет собой пластину, изготовленную из стекла К8, поверхность которой выполнена шероховатой. Степень шероховатости регулируется обработкой поверхности разными абразивами. Для увеличения коэффициента отражения на шероховатую поверхность пластины нанесено отражающее алюминиевое покрытие. Недостатком диффузного отражателя - прототипа является выраженная зависимость доли излучения, диффузно отраженной в направлении наблюдения, от угла падения излучения на поверхность.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей полезной модели является создание диффузного отражателя, обеспечивающего высокое значение величины излучения, диффузно отраженного в направлении наблюдения, постоянное в широком диапазоне углов падения излучения на поверхность отражателя.
Техническим результатом, который достигается при реализации полезной модели, является обеспечение высокого значения величины излучения, диффузно отраженного в направлении наблюдения, постоянного в широком диапазоне углов падения излучения на поверхность отражателя.
z
z
Указанный технический результат достигается тем, что диффузный отражатель, включающий пластину, имеющую шероховатую поверхность, на которую нанесено отражающее покрытие, в соответствии с заявляемым техническим решением дополнительно содержит две такие же пластины, соединенные так, что шероховатые поверхности образуют прямой трехгранный угол, при этом шероховатость поверхности пластин выполняется такой, что удовлетворяет условию R≥λ, где R - параметр шероховатости поверхности, характеризующий среднее значение высоты микронеровностей поверхности, λ - рабочая длина волны.
Если в диффузном отражателе пластины выполнить из стекла, то это будет характеризовать одну из частных форм выполнения полезной модели.
Если в диффузном отражателе пластины выполнить из пластика, то это будет характеризовать одну из частных форм выполнения полезной модели.
Если в диффузном отражателе пластины выполнить из металла, то это будет характеризовать одну из частных форм выполнения полезной модели.
Если в диффузном отражателе на отражающее покрытие пластин дополнительно нанести защитный слой, прозрачный в рабочей спектральной области, то это будет повышать долговечность и эксплуатационные характеристики диффузного отражателя при сохранении его технических параметров.
На Фиг. 1 показан чертеж диффузного отражателя, когда пластины представляют собой равнобедренные прямоугольные треугольники, соединенные так, что шероховатые поверхности A, B, C образуют прямой трехгранный угол.
На Фиг. 2 приведена зависимость эффективной отражающей площади образца диффузного отражателя от угла наблюдения (равного углу падения излучения) в схеме обратного рассеяния на рабочей длине волны λ=510,6 нм.
Заявляемый диффузный отражатель работает следующим образом.
z
z
z
Зондирующее излучение облучает апертуру диффузного отражателя. Поверхности пластин отражателя имеют шероховатость и изготавливаются таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия R≥λ, где R - параметр шероховатости поверхности, характеризующий среднее значение высоты микронеровностей поверхности, λ - рабочая длина волны. Соотношение R≥λ, взятое из [А.С. Топорец «Оптика шероховатой поверхности». - Л., Машиностроение, 1988, 191 с], является критерием обеспечения однозначно диффузного характера отражения падающего на шероховатую поверхность излучения. Пластины соединены так, что диффузно отражающие поверхности образуют прямой трехгранный угол, вследствие чего возникает эффект световозвращения диффузно отраженного излучения в направлении падающего излучения (аналогично эффекту световозвращения зеркально отраженного излучения от идеально гладких граней уголкового отражателя). Суммарное действие шероховатости поверхностей пластин, подобранной так, чтобы увеличить долю диффузно отраженного от поверхности излучения, и последующее переотражение этого диффузно отраженного излучения от каждой из пластин за счет соединения их в виде прямого трехгранного угла, обеспечивают возвращение значительной доли диффузно отраженного излучения в направлении наблюдения, совпадающего с направлением зондирования. Как показали наши эксперименты, таким путем можно обеспечить высокое значение величины диффузного отраженного излучения, постоянное в пределах широкого интервала углов падения излучения.
z
Пластины для диффузного отражателя могут быть выполнены из стекла, пластика, металла. Методы и средства для создания шероховатости, удовлетворяющей соотношению R≥λ, для любого из упомянутых материалов пластин, известны. Рабочая шероховатая поверхность пластин покрывается отражающим слоем, для чего может быть использован алюминий, серебро или другой материал, способный обеспечить высокий коэффициент отражения поверхности в рабочем спектральном диапазоне. Для повышения долговечности и эксплуатационных характеристик отражателя без ухудшения его технических возможностей на отражающее покрытие пластин может быть дополнительно нанесен защитный слой, прозрачный в рабочей спектральной области.
2
z
z
В соответствии с заявляемым техническим решением был изготовлен образец диффузного отражателя, состоящий из трех пластин, изготовленных из стекла К-8, представляющих собой прямоугольные равнобедренные треугольники размером 81×81 мм, соединенные в виде трехгранного угла так, как показано на Фиг. 1. Рабочая длина волны для отражателя была равна 510,6 нм (излучение лазера на парах меди). Поверхность пластин шлифовалась абразивами М10 для достижения значения параметра R=1,2 мкм. Здесь R - параметр шероховатости поверхности, характеризующий среднее значение высоты микронеровностей поверхности в соответствии с ГОСТ 2789-73. Процедура шлифования обеспечивает создание шероховатой поверхности со стохастическим расположением неровностей. На поверхность пластин напылялось высокоотражающее алюминиевое покрытие, на которое дополнительно наносился защитный слой из двуокиси кремния. Пластины соединялись так, чтобы образовать прямой трехгранный угол.
В качестве характеристики отражения была выбрана эффективная отражающая площадь объектов ЭОП [Непогодий И.А. “Основные виды отражательных характеристик тел в направлении приема и методы их применения в оптике”. Импульсная фотометрия. Л., 1981, вып. 7, с. 124-131], являющаяся одной из наиболее информативных характеристик объектов в задачах оптической локации. Измерения проводились на установке, собранной по коаксиальной схеме, в которой оптические оси излучающего и приемного канала совмещены, что позволяет регистрировать обратное рассеяние излучения. Измеренная зависимость ЭОП образца диффузного отражателя в зависимости от угла наблюдения (равного углу падения излучения) в схеме обратного рассеяния на рабочей длине волны λ=510,6 нм приведена на Фиг. 2. Как видно из Фиг. 2, ЭОП образца сохраняется практически постоянной в пределах углов ±10°. В диапазоне углов от ±10° до ±30° значение ЭОП изменяется, но незначительно. Для сравнения можно отметить, что аналогичные измерения для отдельной пластины с такими же профилем и покрытием поверхности, что и у пластин образца диффузного отражателя, показали, что уже в пределах углов ±10° значение ЭОП пластины с той же апертурой изменяется практически на порядок, достигая максимального значения при угле освещения/наблюдения 0°, и практически отсутствует при увеличении угла освещения/наблюдения выше ±10°.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает высокое значение величины излучения, диффузно отраженного в направлении наблюдения, постоянное в широком диапазоне углов падения излучения на поверхность отражателя. Это открывает значительные возможности использования его в качестве меры сравнения при измерениях отражательных характеристик тел, особенно при локации малоразмерных объектов, площади которых соизмеримы с апертурой меры сравнения. Диффузный отражатель прост в реализации. Изменяя шероховатость поверхности и коэффициент отражения покрытия, можно варьировать характеристики и рабочий диапазон углов отражателя. Для увеличения значений ЭОП в натурных экспериментах можно объединять вместе несколько единичных отражателей.