портативный прибор контроля и измерения возвратно-отражающей способности световозвращающих изделий

Формула изобретения

1. Портативный прибор контроля и измерения возвратно-отражающей способности световозвращающих изделий, имеющий общий светонепроницаемый корпус и содержащий канал излучения, включающий источник света, канал освещения-отражения ("главный канал"), включающий устройство базирования испытуемого образца изделия, канал фотоприема, включающий фотоприемник, и светоделительное устройство ("светоделитель"), которое лежит на пересечении осей названных каналов, на одинаковом расстоянии от выходного отверстия источника и входного отверстия фотоприемника и обеспечивает пространственную развязку каналов излучения и фотоприема и оптическое согласование их с главным каналом, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня функциональности, входное отверстие фотоприемника выполнено в виде светопропускающих зон на отдельном непрозрачном экране, при этом между экраном и светочувствительным элементом фотоприемника соосно с этим элементом размещена короткофокусная собирающая линза, а светопропускающие зоны смещены от оси фотоприема на расстояние, пропорциональное требуемому углу расхождения.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, входное отверстие фотоприемника выполнено в виде дуговой прорези, центр кривизны которой лежит на оси канала фотоприема.

3. Прибор по п.1 или 2, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, он снабжен дополнительным, контрольным, каналом, ось которого совпадает с изображением оси главного канала в зеркале светоделителя, при этом в корпусе прибора на оси контрольного канала выполнено наблюдательное отверстие.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптико-механического и электронного приборостроения и может быть использовано в приборах измерения и контроля возвратно-отражающей способности автодорожных информационных знаков и автомобильных световозвращателей.

Уровень техники

Известна установка RETRO 1000 (и RETRO 2000, см. [1], с.15, реализованные в соответствии со схемой [2], с.7, фиг.3) для измерения возвратно-отражающей способности (по другой терминологии, "световозвращающей" способности, или "коэффициента световозвращения" R, пропорционального отношению силы I света, возвратно-отраженного "световозвращателем" в данном направлении (близком к направлению освещения) к величине Е его освещенности: R˜I/E) световозвращающих материалов и изделий при заданных углах расхождения а и освещения (другое частое название угла расхождения "угол наблюдения", - это угол между направлением возвратно-отраженного (или "возвращенного") луча и направлением, строго обратным падающему лучу, нормируемые углы наблюдения весьма малы, но, как правило, не равны нулю, так как даже при наблюдении со стороны источника света фотоприемник (глаз наблюдателя - шофера автомобиля) и источник (фара автомобиля) не совпадают по положению. Типичные нормативные требования (см. ГОСТ Р 50577-93, Приложение Г) распространяются на углы расхождения ("наблюдения"), равные 0°12', 0°20', 1°30'. Угол освещения характеризует ориентацию световозвращающей поверхности относительно направления освещения: - острый угол между падающим лучом и нормалью к этой поверхности. Коэффициент световозвращения как функция названных углов R( , ) для хороших световозвращателей очень быстро падает с ростом от 0 до 2° и медленно - с ростом , обеспечивая видимость световозвращающих информационных знаков в возвратно-отраженных лучах вплоть до углов освещения порядка 45° и более), состоящая из 1) источника света, создающего направленное (на испытуемый образец изделия) излучение, 2) устройства (например, гониометра) для базирования испытуемого образца под заданным углом освещения , удаленного на большое (10 м и более) расстояние L (базу фотометрирования) от источника, 3) фотоприемника возвратного излучения, расположенного в одной плоскости с источником (нормальной с направлением излучения) на малом изменяемом расстоянии r<L от источника. В терминах нижеследующих описаний прототипа и заявляемого устройства в данном устройстве-аналоге оптические "каналы излучения" и "фотоприема" практически совмещены с "главным каналом освещения-отражения" образца, ось которого проходит через геометрический центр оправы (диафрагмы) образца, ограничивающей падающий на него световой поток источника (наличие в помещении других источников света недопустимо). Заданный малый (порядка 0.3°) угол расхождения обеспечивается определенным значением смещения (на величину r) центра входного отверстия фотоприемника от оси главного канала: a r/L. Такая установка требует большого, защищенного от внешнего света помещения, при этом чувствительность фотоприема невелика.

Известна схема переносного прибора (см. [3], с.4, фиг.3) для контроля световозвращателей, в котором для увеличения фотосигнала при заданном угле расхождения к используется кольцевой фотоэлемент среднего радиуса r ·L, охватывающий ось общего канала излучения, освещения-отражения и фотоприема (проходящую через центральное отверстие в фотоэлементе), а источник расположен позади фотоэлемента. На выходе прибора имеется собирающая линза, обеспечивающая постоянство угла освещения по площади образца при укороченном базовом расстоянии L. Недостатком является неизменный угол расхождения (для его изменения требуется замена фотоэлемента сложной формы), причем в габаритах переносного прибора технологически трудно по данной схеме обеспечить значения , меньшие 1° (отсутствие развязки каналов излучения и фотоприема не позволяет реализовать достаточно малые значения r).

Известна используемая в качестве прототипа короткобазная (следовательно, пригодная для разработки портативного прибора) схема Новикова (см. [3], с.5, фиг.7), также включающая источник света, устройство базирования образца и фотоприемник, и, кроме того, светоделительное устройство (светоделитель), обеспечивающее пространственную развязку каналов излучения и фотоприема и оптическое согласование их с главным каналом освещения-отражения испытуемого образца. Прибор защищен (от внешней засветки) общим светонепроницаемым корпусом. Оптические каналы излучения и фотоприема пересекаются под прямым углом, а в качестве светоделителя используется полупрозрачное зеркало, причем расстояние от центра зеркала до источника и до фотоприемника равно одной и той же величине L ₀, которая в сумме с расстоянием L₁ между зеркалом и испытуемым образцом образует базу фотометрирования L=L₀+L₁. Схема обеспечивает измерение возвратно-отражающей способности при угле расхождения 0, но в ней не предусмотрена возможность измерений при более важных (с точки зрения информативности возвратно-отражающих изделий) значениях угла - малых, но не равных 0, и отсутствует возможность контроля угла .

Предпосылки усовершенствования

Цель изобретения: увеличение точности измерений возвратно-отражающей способности световозвращающих изделий портативными (короткобазными, защищенными от внешнего света) моделями прибора путем более точного выбора (выделения из общего отраженного потока) лучей возвратно-отраженных под заданными углами расхождения и повышения уровня функциональности (расширение диапазона параметров функционирования) за счет обеспечения перенастройки прибора на различные углы расхождения.

Сущность изобретения

Цель достигается в приборе для измерения и контроля возвратно-отражающей способности образцов световозвращающих изделий и материалов, имеющем общий светонепроницаемый корпус и содержащем 1) канал излучения, включающий источник света, 2) канал освещения-отражения ("главный канал"), включающий устройство базирования испытуемого образца изделия, 3) канал фотоприема, включающий фотоприемник, и 4) светоделительное устройство ("светоделитель"), например, в виде полупрозрачного зеркала, которое размещено на пересечении осей названных каналов, на одинаковом расстоянии от выходного отверстия источника и входного отверстия фотоприемника и обеспечивает пространственную развязку (пространственное разделение) каналов излучения и фотоприема и оптическое согласование их с главным каналом освещения-отражения (так, что ось одного - любого - из каналов излучения и фотоприема является геометрическим продолжением главного канала, а ось другого совпадает с зеркальным изображением первого), отличающемся тем, что входное отверстие фотоприемника выполнено в виде светопропускающих зон на отдельном - сменном или подвижном - непрозрачном экране, при этом между экраном и светочувствительным элементом фотоприемника (малогабаритным фотоэлементом или фотоумножителем) соосно с этим элементом размещена короткофокусная собирающая линза, а светопропускающие зоны смещены от оси фотоприема на расстояние, пропорциональное требуемому углу расхождения (при этом общая ось линзы и фотоэлемента и ось фотоприема могут совпадать, а могут не совпадать).

Входное отверстие фотоприемника может быть выполнено в виде дуговой, в частности кольцевой, прорези, центр кривизны которой лежит на оси фотоприема (что, в качестве дополнительного эффекта, позволяет существенно увеличить чувствительность измерений за счет увеличения площади приемного отверстия).

Прибор снабжен дополнительным контрольным каналом, ось которого пространственно совпадает с положением зеркального изображения оси главного канала (канала освещения-отражения), при этом в корпусе прибора на оси контрольного канала выполнено дополнительное наблюдательное отверстие.

Перечень чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан вариант оптической схемы прибора в целом. На фиг.2, 3 - варианты диафрагмы источника света и экрана-диафрагмы фотоприемника соответственно, а на фиг.4 - совмещение их изображений. На фиг.5, 6 приведены варианты экрана-диафрагмы фотоприемника (с наложением изображения метки источника), обеспечивающие высокую чувствительность к слабому возвратному отражению за счет интегрирования сигналов в разных информационно-значимых направлениях световозвращения. На фиг.4, 5, 6 обозначения позиций, указывающих не на реальные элементы, а на их изображения, создаваемые полупрозрачным зеркалом, подчеркнуты, например, в то время как входное отверстие фотоприемника имеет обозначение "15", его изображение - " 15".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, и работа устройства

Прибор (фиг.1) содержит в общем светонепроницаемом корпусе 1 следующие блоки и элементы: блок источника света 2 с условной точкой О_и в плоскости его выходного отверстия; устройство базирования, в качестве которого используется плоскость главного светового отверстия 3 в корпусе 1 с условным центром О, перекрытое защитным стеклом или линзой 4, и прилегающее (в рабочем состоянии прибора) к испытуемому возвратно-отражающему образцу 5; блок фотоприемника 6 с условной точкой О_ф в плоскости его входного отверстия. В центре О_ц системы - для пространственной развязки канала излучения О _и-О_ц и канала фотоприема О _ц-О_ф и оптического согласования их с главным каналом освещения-отражения О_ц -О - размещено светоделительное устройство 7 в виде полупрозрачного зеркала 8 или клееной светоделительной призмы (В случае изготовления светоделителя 7 в виде призмы следует учитывать некоторый излом (на фиг.1 не показан), который главная и контрольная оси прибора будут претерпевать на преломляющих гранях призмы, так как эти грани должны быть выполнены с отклонением от нормального (к осевым лучам) положения, обеспечивающим отражение неизбежных паразитных (френелевских) бликов на светопоглощающий корпус прибора (т.е. в сторону от фотоприемника)!), содержащей плоскую полупрозрачную внутреннюю грань-зеркало 8. Оптимальный коэффициент отражения светоделителя - 50%.

Кроме главного отверстия 3, в корпусе 1 может быть выполнено вспомогательное отверстие 9 с центром О', которое при наладке и юстировке прибора дополнено (снаружи) наблюдательным устройством 10 (лупой или зрительной трубкой), а в рабочем режиме может быть перекрыто (изнутри) дополнительным фотоэлементом сравнения 11, и образует с центром О _ц системы контрольный канал О_ц-О'. Фотоприемник 6 и фотоэлемент сравнения 11 подключены к общему электронному блоку с дисплеем, служащим для снятия показаний (на фиг.1 не показаны).

Нормаль к плоскости главного отверстия 3 - плоскости базирования образца 5 образует угол с осью О-О_ц, равный требуемому углу освещения образца 5. При необходимости обеспечить постоянный угол освещения по всей площади образца отверстие 3 необходимо перекрыть собирающей линзой 4 с фокусным расстоянием, равным L или (если допустим некоторый разброс угла освещения относительно величины ) большим L.

Оси О_ц-О и О _ц-О' главного и контрольного каналов соотносятся как зеркальные изображения друг друга, создаваемые зеркалом 8 (плоскость зеркала пересекает плоскость угла между осями по биссектрисе), и образуют между собой угол 2 , где - угол от 15 до 75° (в зависимости от компоновки прибора) между главной осью и плоскостью зеркала 8. Оси О_ц-О _и и О_ц-О_ф каналов излучения и фотоприема являются геометрическим продолжением осей О-О_ц и О'-О_ц, причем если О_ц-О_и (или О_ц-О_ф) является продолжением главной оси О-О_ц, то О _ц-О_ф (или О_ц -О_и) - продолжение контрольной оси О'-О _ц. Расстояние от центра О_ц до точки О_и выходного отверстия источника 2 и до точки О_ф экрана входного отверстия фотоприемника 6 равно одной и той же величине L₀, которая в сумме с расстоянием L₁ между зеркалом и испытуемым образцом 5 образует базу фотометрирования L=L ₀+L₁. Таким образом, точка О _ф совпадает с изображением точки О_и в зеркале 8. Вследствие этого точка О_ф определяет путь на фотоприемник 6 луча, испускаемого точкой О_и источника 2 и испытавшего на образце 5 идеальное световозвращение, то есть луча, возвратно-отраженного под углом расхождения =0.

Блок источника 2 включает либо диафрагму с выходным отверстием 12 заданной, чаще круглой формы диаметра d _и; центр отверстия (фиг.2) - на оси О_ц -О_и. Диафрагма освещается лампой накаливания или другим источником с компактным светящим телом 13. Освещение либо непосредственное (тогда светящее тело должно быть больше отверстия 12 диафрагмы), либо через линзу 14, создающую изображение (увеличенное примерно в a/b раз, где a и b расстояния от линзы до светящего тела и диафрагмы соответственно) тела 13 вблизи диафрагмы, покрывающее ее выходное отверстие 12. Но "выходным отверстием" источника может быть и само светящее тело или его изображение, если оно компактное ("точечное"). Диафрагма в этом случае отсутствует или заменяется, для уменьшения паразитной засветки, светозащитным экраном с отверстием 12, большим тела 13 (или его изображения).

Входное отверстие 15 фотоприемника 6 - круглое диаметра d_ф (фиг.3) или более сложной формы (фиг.4, 5) - выполнено на непрозрачном экране 16, пересекающем ось фотоприема в точке О_ф, и его светопропускающие зоны отстоят от точки О _ф на заданную величину r= ·L (где - в радианах). Это смещение светового отверстия 15 от оси О_ф-О_ц, определяющее габариты экрана 16, может быть существенно больше габаритов светочувствительной части приемника - фотоэлемента 17. Поэтому непосредственно за экраном размещена короткофокусная собирающая линза 18, а уже затем - вблизи плоскости изображения главного отверстия 3 прибора, создаваемого линзой 18 - сам светочувствительный элемент 17. Размер фотоэлемента 17 согласован с размером изображения отверстия 3 (совпадающего с размером светящей зоны образца 5): оно должно умещаться на светочувствительной зоне фотоэлемента и может быть во много раз (а именно, в L/f, где f - фокусное расстояние линзы 18) меньше отверстия 3 прибора. Габариты (диаметр) линзы 18 (и экрана 16) согласуются с максимальным значением угла d (при центральном положении точки О_ф диаметр линзы не меньше величины 2 ·L+d_ф).

Положение (относительно оси О_ф-О_ц), форма и размер входного светопропускающего отверстия 15 в экране 16 задают значение угла расхождения , a также положение плоскости наблюдения (плоскости угла ) относительно плоскости освещения (плоскости угла ) и баланс между точностью задания угла и чувствительностью прибора. Соответствующим выбором положения и формы светового отверстия 15 (для чего экран может быть сменным) можно обеспечить измерение возвратно-отражающей способности образца 5 при различных значениях угла и в различных плоскостях угла (относительно плоскости угла освещения ), а также интегральных характеристик (суммарного возвратного отражения в направлениях, отвечающих практически наиболее информационно значимым величинам ).

Например, если входное отверстие фотоприемника имеет форму дуговой или даже кольцевой прорези радиуса r и ширины h r/3 (фиг.5), причем выходное отверстие 12 источника (фиг.2) - круглое, диаметра d_и˜h, и если расположение этих элементов по отношению к зеркалу 8 обеспечивает соосность отверстия 12 и изображения (в зеркале) дугового (кольцевого) отверстия 15 (это может быть проконтролировано при наблюдении через отверстие 9), то при измерениях будет проинтегрирован сигнал от образца 5 во всех плоскостях отражения при значениях =r/L±h/L, что существенно увеличивает чувствительность замеров возвратного отражения для заданного угла расхождения за счет увеличения площади приемного отверстия.

На фиг.6 приведен другой вариант светопропускающей зоны 15, которая вытянута в радиальном направлении от r1 до r2. Здесь - угол между плоскостью b-b' освещения (образца 5) и плоскостью фотометрирования отраженных лучей (т.е. между плоскостями углов и ). Прибор измеряет в этом случае некоторую интегральную (по величине ) характеристику исследуемого образца 5, моделирующую наиболее типичную ситуацию в практике использования световозвращающих материалов на автодорогах (водитель движущегося автомобиля наблюдает в свете собственных фар световозвращающий информационный знак. Угол наблюдения при этом меняется (уменьшаясь) от значения r2/L до r1/L; угол примерно характеризует плоскость наблюдения).

На передней (обращенной к центру О_ц) стороне диафрагмы источника 2 может быть нанесена различимая (с помощью наблюдательного устройства 10) разметка (перекрестье), указывающая положение точки О_и, облегчающая юстировку оптической системы прибора. То же касается диафрагмы-экрана 16 фотоприемника 6, его отсчетная точка О_ф наносится чаще всего (в частности, по фиг.1, 5, 6) в центре экрана 16 - на оси фотоэлемента 17 и линзы 18, но может быть и в стороне от этой оси (ср.фиг.3, 4, где ось фотоприема О _ц-О_ф не совпадает с осью блока элементов 17 и 18 прибора), что позволяет уменьшить габариты экрана 16 (и диаметр линзы 18) при заданном угле .

Настройка прибора на применение для измерений при заданном значении угла расхождения осуществляется с использованием контрольного канала О'-О _ц следующим образом. Открываются наблюдательное отверстие 9 (и извлекается фотоэлемент сравнения 11, перекрывающий отверстие, если он есть) и главное отверстие 3 (световозвращающий образец не требуется). Через отверстие 3 любым посторонним источником света (собственный источник 2 отключен) освещаются внутренние узлы прибора, и (с помощью наблюдательного устройства 10) контролируется совмещение изображений опорных точек О_и и О_ф на диафрагмах источника 2 и фотоприемника 6, точнее совмещение одной из точек О_и и О_ф с изображением (создаваемым зеркалом 8) другой (фиг.4-6). При отсутствии совмещения оно должно быть достигнуто либо необходимым поперечным смещением одного из блоков 2 и 6, либо плавным изменением наклона зеркала 8 (по меньшей мере, один из этих трех вариантов подстроенных смещений (наименьшее число нежелательных побочных эффектов, с точки зрения возможного влияния на условия освещения образца 5, следует ожидать от смещений блока 6) желательно предусмотреть в конструкции прибора заранее).

В рабочем режиме отверстие 9 должно быть закрыто (от проникновения внешней засветки), фотоэлемент сравнения 11 установлен в контрольном канале О'-О_ц, главное отверстие 3 приведено в контакт с испытуемым возвратно-отражающим образцом 5, источник 2 включен. Свет источника 2, преодолев светоделительное устройство 7, разделяется на два пучка, один из которых поглощается фотоэлементом 11, другой - под углом освещения падает на образец 5, испытывает возвратное отражение и, снова преодолев светоделитель 7, частично теряется ("вернувшись" на источник 2), частично падает на фотоприемник 6. Лучи, "возвращаемые" образцом 5 под углом расхождения , на который настроен прибор, проходят через светопропускающие зоны 15 экрана 16, направляются собирающей линзой 18 на фотоэлемент 7, создают фототок и образуют электронный сигнал, который на дисплее преобразуется в информацию о возвратно-отражающей способности образца 5. Сигнал от фотоэлемента 11 сравнения, пропорциональный яркости источника 2, вносит коррекцию в конечный результат измерений, зависящую от возможной нестабильности этой яркости.

Эффективность изобретения заключается в повышении уровня функциональности и увеличении точности измерений возвратно-отражающей способности (коэффициента световозвращения) портативными (короткобазными, переносными) схемами приборов, что обеспечивается возможностью легкой перенастройки прибора на различные углы расхождения за счет использования подвижной в поперечном направлении или (сменной) диафрагмы-экрана фотоприемника со смещенным от ее центра световым отверстием и устранением неопределенности угла расхождения благодаря использованию контрольного канала. Дополнительный эффект - в увеличении чувствительности измерений за счет увеличения площади приемного отверстия (например, в виде кольца), интегрирующего сигналы, возвратно-отраженных в разных направлениях. Возможная база фотометрирования L (она же определяет основные габариты прибора), при которой наиболее целесообразно применение заявляемой схемы в портативных и переносных приборах от 0,3 м до 0,7 м. Но возможно и применение схемы в короткобазных стационарных установках до 2-3 м, при этом допустимые углы расхождения ограничены разумными (до 10 см) габаритами линзы 18.

Источники информации

1. Рекламный проспект "LMT Photometers Colorimeters", 1998, Productinformation, p.15.

2. International Standard ISO 6742/2. Cycles - Lighting and retro-reflective devices - Photometric and physical requirements - Part 2: Retro-reflective devices, 1985, p.7, fig.3.

3. Реферативный сб. "Автотракторное электрооборудование", вып.2, 1967, с.1-6.