CN107797171B - 光学引导装置用光栅的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学引导装置用光栅的设计方法，所述光栅包括主光栅和指示光栅，所述主光栅直立放置，所述指示光栅由两片上下对称设置的光栅板组成，与所述主光栅成固定夹角放置，形成三角形结构；所述光栅的设计方法包括：光栅数目的确定、占空比的确定、光栅固定夹角的确定。通过上述方式，本发明的光栅显示效果更佳，准确度更高。

Description

光学引导装置用光栅的设计方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种光学引导装置用光栅的设计方法。

背景技术

由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅(grating)。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。

现有的光栅主要应用于广告灯箱展示、影片摄制等。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种光学引导装置用光栅的设计方法，光栅显示效果更佳，准确度更高。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光学引导装置用光栅的设计方法，所述光栅包括主光栅和指示光栅，所述主光栅直立放置，所述指示光栅由两片上下对称设置的光栅板组成，与所述主光栅成固定夹角放置，形成三角形结构；所述光栅的设计方法包括：

(1)光栅数目的确定：根据人眼视力与分辨角的关系，计算光栅间距，再根据光栅间距和指示宽度初步确定光栅数目，最后根据指示光栅夹角的调节范围最终确定光栅数目；

所述主光栅和指示光栅的光栅数目一致；

(2)占空比的确定：通过solidworks建模，然后比对光栅显示效果，选取光栅显示效果最佳时的占空比；

所述主光栅和指示光栅的占空比一致；

(3)光栅固定夹角的确定：通过solidworks建模，然后对1×1m和0.5×0.5m光栅不同观察偏移角下的显示效果进行比对，选取光栅显示效果最佳时的光栅固定夹角。

在本发明一个较佳实施例中，所述光栅数目的确定过程中，要求距离50m处不能明显观察到光栅本身，以视力5.3为准，此时分辨角为0.501′，计算光栅间距x：

光栅间距

因此，光栅间距应小于7.3mm，而指示宽度为400mm，据此计算光栅数目至少为400÷7.3≈55条；由于空间较小，指示光栅夹角调节范围较小，因此设计放大一倍，光栅数目设置为110。

在本发明一个较佳实施例中，所述占空比为0.35/0.65。

在本发明一个较佳实施例中，所述光栅固定夹角的确定过程中，选取指示光栅夹角为60度，此时在观察偏移角为0.3度时，获得的指示夹角为60度。

在本发明一个较佳实施例中，所述主光栅和指示光栅为内侧印刷有光栅条纹的钢化玻璃。

在本发明一个较佳实施例中，所述光栅条纹是通过磁控溅射透明导电膜ITO而成的。

在本发明一个较佳实施例中，所述主光栅和指示光栅的方阻小于20欧姆。

在本发明一个较佳实施例中，所述光栅的透光率为30％。

本发明的有益效果是：通过光栅结构的优化设计，采用两片指示光栅与主光栅成固定夹角的结构，应用光学莫尔效应，自动形成引导标志(指示箭头)，能够引导气垫艇修正航向；同时通过光栅数目的确定、占空比的确定、光栅固定夹角的确定，使得光栅显示效果更佳，准确度更高。

附图说明

图1是本发明一种光学引导装置用光栅的设计方法的示意图；

附图中各部件的标记如下：1、主光栅，2、指示光栅，3、光栅条纹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种光学引导装置用光栅的设计方法，用于光学引导装置的舱内引导灯箱和舱外引导灯箱中，为气垫艇引导航线，所述光栅包括主光栅1和指示光栅2，所述主光栅1直立放置，所述指示光栅2由两片上下对称设置的光栅板组成，与所述主光栅1成固定夹角放置，形成三角形结构。当观察角度左右偏移时，会观察到左右对称、方向相反的莫尔条纹，从而产生指示箭头。具体效果是：当人员正对引导装置时，会观察到竖直条纹；当人员偏右时，会观察到向左的指示箭头(指示夹角)；当人员偏左时，会观察到向右的指示箭头(指示夹角)，能够引导气垫艇修正航向。

所述光栅的设计方法包括：

(1)光栅数目的确定：根据人眼视力与分辨角的关系，见表1：

表1人眼视力与分辨角

视力	分辨角(’)	50m分辨尺寸(m)
			5.0(1.0)	1	0.0145
5.1(1.2)	0.794	0.0115
			5.2(1.5)	0.631	0.0092
5.3(2.0)	0.501	0.0073

要求距离50m处不能明显观察到光栅本身，以视力5.3为准，此时分辨角为0.501′，计算光栅间距x：

光栅间距

因此，光栅间距应小于7.3mm，而指示宽度为400mm，据此计算光栅数目至少为400÷7.3≈55条。再次，考虑到影响光栅数的另一个因素是角灵敏度和装置厚度尺寸限制(即指示光栅的夹角)；由于空间较小，指示光栅夹角调节范围较小，因此设计放大一倍，光栅数目设置为110；

所述主光栅和指示光栅的光栅数目一致：主光栅的光栅数与指示光栅数差n(n为正前方观察所需的莫尔条纹数)；光栅组宽度与指示光栅组宽度一致，从而产生光栅差。

(2)占空比的确定：通过solidworks建模，然后比对光栅显示效果，选取光栅显示效果最佳时的占空比；

光栅的占空比对角偏移灵敏度影响不大，但对指示莫尔条纹的宽度影响较大。占空比越低，黑色条纹越宽。当占空比为0.35/0.65时，显示效果最佳；

所述主光栅和指示光栅的占空比一致。

(3)光栅固定夹角的确定：通过solidworks建模，然后对1×1m和0.5×0.5m光栅不同观察偏移角下的显示效果进行比对，选取光栅显示效果最佳时的光栅固定夹角。

利用存在一定夹角的主光栅1和指示光栅2之间的莫尔条纹放大作用，将偏离光学引导装置中心的小角度进行光学放大，从而实现看见指示箭头。

通常指示光栅数量多为1个，这样在观察角为0°时，两者之间就会形成1条中间黑色的莫尔条纹，条纹宽度由光栅开口率决定，开口率越低越宽。由于指示光栅和主光栅之间存在一定夹角，腰部光栅间距离为较小，通常接近0，上下两端存在一定的距离，该距离由光栅尺寸和两者之间的夹角决定；当以小角度观察光学引导装置时，腰部的莫尔条纹不变，上下两端的莫尔条纹则随着离中间的距离的增加而向一侧逐步偏移，从而形成整体的莫尔箭头。箭头的方向和指示灵敏度由光栅结构和观察角度决定。

所述光栅固定夹角的确定过程中，选取指示光栅夹角为60度，此时在观察偏移角为0.3度时，获得的指示夹角为60度，人眼完全可以分辨，满足水平分辨率0.5度的技术要求。

为保证显示条纹的质量，需要保证光栅条纹的加工精度，并且光栅整体面板需要有足够刚度，以控制光栅整体的变形量。光栅间隙变化会造成指示图形出现锯齿，而光栅面版扭曲则会造成指示角弯曲、不对称。

因此，采用了在钢化玻璃上印刷光栅条纹的方法，即：所述主光栅1和指示光栅2为内侧印刷有光栅条纹3的钢化玻璃，透光率为30％。既保证了条纹精度，同时又增大了光栅整体面板的刚度，得以有效控制光栅变形量，取得良好效果。

又因为引导灯箱内的光源(钠灯)工作时，由于瞬间气体击穿放电，形成较大的瞬间电流，因此会产生大量的电磁辐射，灯箱采用金属结构，周边能完全屏蔽电磁辐射，但出光面则无法满足电磁兼容性要求。同时灯箱还必须满足环境适应性要求，能够达到防护等级。因此必须在灯箱的出光面增加电磁、气、液密封防护。

本发明主光栅1采用钢化玻璃，为起到电磁屏蔽作用，在光栅钢化玻璃内侧磁控溅射透明导电膜ITO，使得方阻小于20欧姆，以满足电磁兼容设计要求。

安装时，耐温要求是120度，因此灯箱密封件需采用耐高温材料。本发明中采用26型氟橡胶作为光栅与箱体、箱体与反光板之间的密封材料。光栅与箱体之间用结构支架固定，以保证光栅的安装位置，同时在接缝处涂抹耐高温玻璃胶，进一步增强光栅安装结构强度及密封性能。

主光栅1位于引导装置的最前方，由一片光栅板和固定用机械组件组成，设计包括光栅数目、占空比等关键参数。指示光栅2的光栅板的光学设计包括指示光栅数目、占空比、倾斜方向与倾斜角度等关键参数。光栅板之间的夹角越大、光栅密度越高指示灵敏度就越高。光栅占空比越小，指示黑条纹的宽度越宽但整体光输出量也越低。指示光栅2与主光栅1的光栅数差即为最少条纹时，通常正前方小角度观察时的指示箭头条数。

本发明揭示了一种光学引导装置用光栅的设计方法，通过光栅结构的优化设计，采用两片指示光栅与主光栅成固定夹角的结构，应用光学莫尔效应，自动形成引导标志(指示箭头)，能够引导气垫艇修正航向；同时通过光栅数目的确定、占空比的确定、光栅固定夹角的确定，使得光栅显示效果更佳，准确度更高。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种光学引导装置用光栅的设计方法，其特征在于，所述光栅包括主光栅和指示光栅，所述主光栅直立放置，所述指示光栅由两片上下对称设置的光栅板组成，与所述主光栅成固定夹角放置，形成三角形结构；所述光栅的设计方法包括：

（1）光栅数目的确定：根据人眼视力与分辨角的关系，计算光栅间距，再根据光栅间距和指示宽度初步确定光栅数目，最后根据指示光栅夹角的调节范围最终确定光栅数目；

所述主光栅和指示光栅的光栅数目一致；

（2）占空比的确定：通过solidworks建模，然后比对光栅显示效果，选取光栅显示效果最佳时的占空比；

所述主光栅和指示光栅的占空比一致；

（3）光栅固定夹角的确定：通过solidworks建模，然后对1×1m和0.5×0.5m光栅不同观察偏移角下的显示效果进行比对，选取光栅显示效果最佳时的光栅固定夹角；

所述光栅数目的确定过程中，要求距离50m处不能明显观察到光栅本身，以视力5.3为准，此时分辨角为0.501′，计算光栅间距x：

光栅间距

；

因此，光栅间距应小于7.3mm，而指示宽度为400mm，据此计算光栅数目至少为400÷7.3≈55条；由于空间较小，指示光栅夹角调节范围较小，因此设计放大一倍，光栅数目设置为110。

2.根据权利要求1所述的光学引导装置用光栅的设计方法，其特征在于，所述占空比为0.35/0.65。

3.根据权利要求1所述的光学引导装置用光栅的设计方法，其特征在于，所述光栅固定夹角的确定过程中，选取指示光栅夹角为60度，此时在观察偏移角为0.3度时，获得的指示夹角为60度。

4.根据权利要求1所述的光学引导装置用光栅的设计方法，其特征在于，所述主光栅和指示光栅为内侧印刷有光栅条纹的钢化玻璃。

5.根据权利要求4所述的光学引导装置用光栅的设计方法，其特征在于，所述光栅条纹是通过磁控溅射透明导电膜ITO而成的。

6.根据权利要求5所述的光学引导装置用光栅的设计方法，其特征在于，所述主光栅和指示光栅的方阻小于20欧姆。

7.根据权利要求1所述的光学引导装置用光栅的设计方法，其特征在于，所述主光栅和所述指示光栅的透光率为30%。

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