CN1023913C - 导向信标显示器 - Google Patents

Abstract

一种用于显示一定方向的导向信标显示器，由一前一后两只屏构成，在屏上用透明间隙将不透明分隔开来，两只屏上透明间隙加上不透线的宽度之和相等，一只屏为平面，另一只屏从中间弯成钝角，钝角背向平面屏，两只屏间相距为k，k应满足Lau效应成像条件，后屏后面配置纳灯或高压灯光源。观察者不仅可在超远距离内观察到指明其偏离方向的干涉条纹，而且可使条纹的条数和宽度将随观察距离而变化，还可定量给出观察者偏离导向线的距离。

Description

本发明涉及用于显示一定方向的高精度仪器。

与本发明相关的装置在美国专利4，474，430、4，166，699及3，604，813中曾有揭示，而美国专利4，629，325对上述专利装置的结构及其缺点作了论述，并做了进一步改进：装置由两只屏（光栅）构成，一只屏在前，一只屏在后，在屏上用透明间隙将不透明线分隔开来。两只屏上不透明线具有相同宽度，而不透明线的间距不同，在一只屏上透明间隙的宽度完全相同，这两只屏中至少有一只从中间弯成钝角。在屏面宽度相同的情况下，一只屏上不透明线比另一只屏上不透明线少一条，在多一条不透明线的那只屏上，透明间隙的宽度加上不透明线的宽度大于或等于不透明线宽度的1.5倍，但要小于1.9倍，改变这个倍数可控制屏上所形成莫尔条纹的宽度，一只屏上中心的不透明线总是与另一只屏上中心处的透明间隙重叠，在后屏的后边配置钠灯或高压灯之类光源，当沿垂直于屏的方向上观察该装置时，屏上就会出现一条竖直的黑条纹，当偏出垂直于屏的方向时屏上就会出现一条箭头状条纹，箭头方向与观察者偏离的方向相反，从而达到导向作用。

上述专利中所涉及到的装置，在理论上应用了莫尔效应，即屏上的条纹是由两只屏上透明间隙和不透明线的重迭而形成的莫尔条纹。根据莫尔效应理论可知，当前后光栅周期分别为T₁、T₂并且光栅刻线平行时，得到莫尔条纹间距为：

$\mathrm{m\; =}\frac{T_1{T}_2}{T_1{\mathrm{-\; T}}_2}$

要加大莫尔条纹的间距，直至在正对屏时只能看到一条条纹，就必须使T₁-T₂很小，这就导致在屏宽一定时则一只屏上的不透明线比另一只屏上的不透明线多一条，从而得到在此屏宽下T₁-T₂的极小值，这将给屏的加工带来很大困难，因为要使T₁-T₂极小，则要求分度十分复杂，尤其在屏较宽时难度就更大，甚至无法制造超远距离的导向装置所需要的屏面。根据莫尔效应理论分析可知，莫尔条纹是由两只光栅上栅线的几何投影形成的，因此成像在屏上的莫尔条纹的宽度不会随观察距离而变化，这样使观察者对其距导向装置的距离不能做定量判断，而且由于受人眼最小分辨角的限制，上述导向装置只具有一定的有效作用距离，要保证在远距离下使用则必须加大屏幕，这就给加工上造成极大困难。此外，该装置对于条纹宽度与整个屏宽之比（最大为1∶3），在调整方法上是单一的。

本发明的任务是采用莫尔技术与Lau效应相结合的方法，使所设计的导向仪器不仅能使观察者可在超远距离内观察到指明其偏出方向的干涉条纹，而且可使干涉条纹的条数和宽度将随观察距离而变化，同时还可定量给出偏离导向线的距离。另一个任务是使光栅的加工工艺简单，容易制造，从而可降低仪器成本，以广泛用于导航、导向。本发明任务的实施方案如下：仪器主要由前后两只屏（光栅）构成，其中一只屏为平面，另一只屏从中间被弯成钝角，在屏上由透明间隙将不透明线分割开来，本发明的特征在于前后两只屏的分度相同，即光栅周期T（光栅上透明间隙加上不透明线的宽度之和）相同，一只屏上一条透明间隙与另一只屏上一条透明间隙的宽度之和≤T，两只屏之间必须保持一定距离K，而L值应满足Lau效应的成像条件，同时弯成钝角的屏其钝角应背向另一只平面屏。

按照以上方案，本发明采用以下两种配置方法：图1为本发明的第一种配置方法，在每只屏1、2上 由透明间隙3将不透明线4分隔开来，屏1作为前屏，屏2作为后屏，从箭头5的方向看去两只屏是一前一后相重迭的，用紧固的方法将两只屏固定在仪器的外壳上，在后屏2的后面配置钠灯或高压灯光源。屏2从中间被弯折成钝角，其角度在120°～178°之间，角度大小则根据仪器的灵敏度来决定，灵敏度即观察者偏离导向仪器后而仪器所显示的干涉系纹图样发生变化的灵敏度，角度小的时候，偏离导向仪器很小即可使干涉条纹图样发生变化，角度大时，偏离导向仪器足够大时才使干涉条纹图样发生变化。两只屏之间相距为K，K值应满足Lau效应的成像（光栅成像）条件，即：

$\mathrm{k\; =}\frac{\alpha }{\beta }·\frac{T^2}{\lambda }$

式中α、β为正整数，T为光栅周期，λ为光源光的波长。改变K值可改变干涉条纹的宽度，这是保证干涉条纹具有高对比度的措施之一。设前屏1上一条透明间隙的宽度为h₁，后屏2上一条透明间隙宽度为h₂，则：

h₁+h₂≤T

这样可使干涉条纹具有良好的对比度。

图2为本发明的第二种配置方法，屏6为前屏，屏7为后屏，其他条件与第一种配置方方法完全相同。

按照本发明的仪器，当观察者在导向线上（即正对屏1或6），随观察距离由小到大时，所观察到屏面上条纹图样将由多条对称条纹（图3）逐渐变成一条竖直的黑色条纹（图4），并且随着距离的增加，条纹越来越宽，当观察者位于导向线左侧时，随着观察距离的增加，屏面上由多条箭头状条纹（图5）逐渐变成几条宽的黑色箭头状条纹（图6），条纹的宽度将随观察距离的增加而增加。另外条纹箭头的角度将随观察者偏离导向线距离的增加而减少（即箭头变锐）。干涉条纹箭头不仅指明了回到导向线的方向，而且由箭头角度的大小还可使观察者定量判明其偏离导向线的距离。当观察者位于导向线右侧时，仪器屏面条纹图样除了箭头向左指向外，其他变化情况和上述相同，如图7和图8所示，箭头同样指明了回到导向线的方向。

本发明仪器中光栅的配置方法是采用了莫尔技术和Lau效应相结合的方法。

用一扩展光源S照明两块相距一定距离K（K＝α/β·T²/λ）并且光栅周期T相同的光栅G₁、G₂（如图9所示），在距光栅无穷远处能观察到平行的干涉条纹，这一现象称为Lau效应。用菲涅耳衍射理论及部分相干传递函数进行分析可知，Lau效应所产生的条纹（Lau条纹）的周期为：

T_L∝ (T)/(B) (L)/(K) （1）

式中：T-光栅周期，L-观察距离，β-Lau成像条件中的β值，K-两光栅间的距离，Lau条纹的亮纹宽度为：

$\mathrm{W\; \propto }\frac{h_{1}L}{k}+\frac{h_{2}L}{k}\mathrm{(2)}$

式中：h₁-光栅G₁的透明间隙宽度，h₁-光栅G₂的透明间隙宽度，L-观察距离，K-两光栅间的距离。

由（1）、（2）两式可知，Lau条纹的周期和条纹宽度与观察距离L成正比，当L较小时，条纹周期小，宽度窄，在光栅G屏面上就出现多条平行的干涉条纹，随L的增加，条纹的周期和宽度也增加，当条纹周期T大于光栅屏面宽度时，屏面上只能出现一条粗的黑色条纹。这一现象与由莫尔效应所产生的莫尔条纹具有本质区别，Lau条纹是由干涉产生的条纹，而莫尔条纹则为简单的几何投影所形成的条纹，与观察距离无关。本发明仪器光栅的配置方法采用了Lau效应方法，与图9中的配置方法所不同的是将其中一只光栅从中间弯折成钝角，实验和理论分析证明，这种情况所产生的Lau条纹不再是平行的干涉条纹，而是由具有一定形状的干涉条纹构成的图样，但条纹的周期和宽度与观察距离成正比的性质不变。

本发明仪器光栅的配置方法还应用了镜面莫尔轮廓法，在图10中当一光栅G₁与一平面镜M成角放置时，经漫射光照射光栅G₁，则G₁与其在镜面中的虚像叠合而产生莫尔条纹，现将入射光l₁和反射光l₃与光栅G₁交点的横坐标X₁、X₃代入莫尔条纹的序数方程：

X₃-X₁＝NT（3）

式中：N-莫尔条纹级次，T-光栅周期，由（3） 式可标出N，如果将图10中的平面镜M换成和G₁周期相同的光栅G₂，并以扩展光源照射G₂、G₁，在G₁前方仍可观察到莫尔条纹。为了得到高对比度且有一定形状的莫尔条纹，采用本发明中图1和图2的光栅配置法，两光栅间的距离K必须满足Lau效应的成像条件，现用秀射光线代替上述的l₁、l₃并认为两条透射光线满足l₁，l₃所遵从的反射定律。将坐标原点取在前光栅1或6的中心处，竖直轴为Y轴，建立这两条透射光线的直线方程，求出它们与前光栅交点的横坐标X₁、X₃代入莫尔序数方程后则可得到下面方程：

$\mathrm{X\; =}\frac{{\mathrm{NT}}^{-}}{\mathrm{〔\; 1\; +}\frac{\mathrm{y\; tg\; \alpha }}{\mathrm{(k\; +\; l)cos2\alpha \; -\; ytg\; \alpha }}-\frac{L}{\mathrm{k\; +\; L\; +\; ytg\alpha }}〕}\mathrm{(4)}$

式中：X-第N级条纹的横坐标，Y-第N级条纹的纵坐标，K-两光栅间的距离，α＝ (180°-ψ)/2 ，ψ-光栅1或6所弯折成的纯角，N-条纹级次，取N＝0，±1，±2，……，T-光栅周期，L-观察距离。

由（4）式可知，当T、α、K给定后则可确定屏上所观察到的条纹图样，如观察者在导向线上时所观察到的条纹图样如图11所示，当Y＝0，N＝1时，则（4）式为：

$\mathrm{X\; =}\frac{T}{\mathrm{1\; -}\frac{L}{\mathrm{k\; +\; L}}}=\frac{\mathrm{(k\; +\; L)T}}{k}\mathrm{=\; T}$

（5）式则为在屏高1/2处沿水平方向上的条纹周期，将其定义为T₀。比较（5）式和（1）式可以发现，它们具有类似的性质，即条纹周期和观察距离L成正比。

（5）式还可定量给出观察者偏离导向线的距离△X，当观察者偏离导向线时，屏面上的条纹会随之移动，当屏面上的条纹由零级变为第N级时，偏差距离则为：

△X＝NT₀

按本发明的仪器，亦可估算出观察者至导向仪器的距离，将T₀随L的变化情况可近似表示为：

△T₀＝T₀/L

△T即为单位长度上条件间距T₀的变化量，则：

L＝T₀/△T₀（6）

例如：若屏宽为40cm，L＝100m，T、K为一定值时，按（5）式可算得T＝50cm，△T＝0.5/100＝0.5×10^-2m，因此观察者在导向线上时，就只能观察到一条条纹。当屏上出现三条条纹时，T₀＝40/2＝20cm，则L＝0.2/0.5×10^-2＝40m。

本发明仪器由于采用了莫尔技术与Lau效应相结合的方法来配置光栅，因此克服了现有导向装置只采用莫尔技术来配置光栅的某些缺点，观察者不仅可在超远距离内观察到指明其偏离方向的干涉条纹，而且可使干涉条纹的条数和宽度将随观察距离而变化，同时还可定量给出观察者距导向仪器的距离及偏离导向线的距离。另外由于两只光栅的周期是相同的，因此加工工艺简单，容易制造，从而降低了仪器的成本，可广泛用于导航、导向。

附图说明：

图1为本发明仪器中光栅的第一种配置方法，1为前屏，2为后屏，屏2从中间被弯折成120°～178°角，从箭头5的方向看去两屏一前一后相重迭，图中3为透明间隙，4为不透明线，K为两只屏之间的距离，K值满足Lau效应的成像条件。图2为本发明仪器中光栅的第二种配置方法，6为前屏，7为后屏，屏6从中间弯折成120°～178°角，从箭头8的方向看去两只屏一前一后相重迭，3为透明间隙，4为不透明线，K为两只屏之间的距离，K值满足Lau效应的成像条件。

图3和图4是观察者在导向线上并且观察距离由近到远时所观察到的仪器屏上的条纹图样。

图5和图6是观察者位于导向线左侧时并且观察距离由近到远时所观察到的仪器屏上的条纹图样。

图7和图8是观察者位于导向线右侧时并且观察距离由近到远时所观察到的仪器屏上的条纹图样。

图9为Lau效应原理图，S为扩展光源，G₁、G₂为周期T相同的两光栅，K为两光栅间的距离，其值满足Lau效应的成像条件。

图10为镜面莫尔轮廓法的原理图，G₁为光栅，M为平面镜，l₁为入射光线，l₃为反射光线。

图11是当观察者在导向线上时，用镜面莫尔轮廓法所描述的观察到的条纹图样。

实验例：

采用图1所示的光栅配置方法，光栅材料为有机玻璃，栅线用刨床制成，光栅屏面宽、高各400mm，屏2从中间被弯折成171°28′，光栅周期T＝0.33mm，h₁＝0.158mm，h＝0.170mm，K＝171mm，两只光栅用紧固方法固定在仪器的金属外壳上，用高压纳灯做光源，仪器导向精度＜0.5，条纹对比度较好。

Claims (2)

1、一种用于显示一定方向的导向信标显示器，主要由一前一后的两只屏构成，在屏上用透明间隙将不透明线分割开来，一只屏为平面，另一只屏从中间被弯折成钝角，在后屏后面配置钠灯或高压灯光源，从而观察仪器时就产生一种条纹图样，其特征在于两只屏上透明间隙加上不透明线的宽度之和T相等，一只屏上一条透明间隙与另一只屏上一条透明间隙的宽度之和≤T，两只屏之间距离为K，K值满足Lau效应的成像条件，弯折成钝角的屏其钝角应背向另一只平面屏，两只屏从正面看去是一前一后相重迭的，屏面设计成：正对屏面由近到远观察显示器时，由多条对称条纹逐渐减少到一条竖直黑色条纹，并且条纹逐渐加宽。

2、根据权利要求1所述的导向信标显示器，其特征在于所述的弯折成钝角的那只屏的角度为120°～178°。

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