CN109283684B - 基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法及棱镜 - Google Patents

基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法及棱镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法及棱镜，其具体设计步骤如下：(1)棱镜角度计算；(2)选取角度；(3)棱镜高度计算；(4)棱镜最优角度；所述棱镜为不规则的透明多面体，所述棱镜的上表面设有具有一定夹角的倾斜面a，所述棱镜的两侧面上均设置有直角槽，所述的直角槽上均设置有具有一定夹角的倾斜面b，所述棱镜的正面设置有横截面为圆弧状的凹槽，相对于传统的缺点本发明基于Light tools仿真辅助技术人员根据封闭区的结构和尺寸快速确定棱镜外形的方案，辅助操作人员目视检查过程最大范围的观测到透明件封闭区的结构。

Description

基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计 方法及棱镜
技术领域
本发明涉及对航空行业座舱盖透明件边缘封闭区结构故障检测呈像装置领域，具体是基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法及棱镜。
背景技术
棱镜是透明材料做成的多面体，在光学仪器中应用很广，如玻璃、水晶等，棱镜按其性质和用途可分为若干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜”，较常用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方向，从而调整其成像位置的称“全反射棱镜”，一般都采用直角棱镜。
文件一：如2006年9月第3期的《边缘软连接座舱盖及外场使用检查》P39页的4.2条中阐述了用三棱镜检查透明件边缘封闭区缺陷的原理，内容如下：通过一定角度，将玻璃边缘情况反映在三棱镜端面。使用三棱镜检查时，先在被检查处涂布介质，如甘油、高号机油、滑油类使三棱镜和玻璃接触没有空气，如果光线不好，可在被检查处用特制工作灯照明，原理如图1所示，图1中的1为棱镜，2为照明灯，3为封闭区，4为骨架，5为检测区段，6为甘油，7为眼睛观察位置，但是由于远离棱镜的被观测面则只需通过折射就可以观测到，而靠近棱镜的被观测面需要通过全反射才能到达视野范围内，其观测深度会受到影响，不同机型以及不同区域的透明件封闭区结构不一致，当透明件厚度、封闭区深度等参数发生变化时，棱镜外形比较单一时，观测效果较差，靠近棱镜的被观测面存在较大的视觉盲区，无法观测。
文件二：如中国公开号为CN102221564A公开了透明件边缘封闭结构的可视化检查装置，如图2所示，图2中的1为覆盖物，2为目标图像，3为耦合剂，4为透明件，5为保护边，6为人眼或摄像装置，7为观察面，8为照明光源，9为可视化检查装置，同样公布了一种用于透明件边缘封闭结构的可视化检查装置，相对于图1，棱镜外形做了局部优化，由三棱改为四棱，增加了保护边，其工作原理与图1相同，但是只公布了原理，未能公开棱镜的尺寸参数，棱镜的角度和高度等参数对观测以及呈像的范围有较大影响，同时原话中的“通过一定角度”，却未描述如何确定棱镜的角度最有利于观测，因此在观察时朋友缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法及棱镜。
基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法,其具体步骤如下：
(1)棱镜角度计算：结合封闭区及透明件尺寸，利用MATLAB数学软件计算呈像面最大的角度范围；
(2)选取角度：当在45°-84°的角度范围内时，结构胶的表面可以最大化的从棱镜中观测到；
(3)棱镜高度计算：结合封闭区及透明件尺寸，利用MATLAB数学软件计算呈像面最大的高度范围，综合棱镜的体积设计，棱镜高度在45mm为最优；
(4)棱镜最优角度：a：用Light tools仿真软件模拟的通过棱镜和透明件封闭区的光路图并结合MATLAB数学软件计算的棱镜角度结果45°-84°；
b：确定光线出射的最优角度以及光线均匀性最优的角度，结合封闭区及透明件尺寸，可确定棱镜最优的角度为55°-75°；
c：用Light tools仿真软件，再次利用逆向光线追迹原理，寻找并确定到最佳成像的视野和成像位置，最终将棱镜的角度定型，最优角度确定为65°。
所述的步骤(3)中的高度计算需要将高度分别设置在25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、75mm、200mm上并综合棱镜体积选取最优高度。
所述的步骤(4)的b中采用光路仿真可观察到光路全反射并达到观测面。
基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,所述棱镜为不规则的透明多面体，所述棱镜的上表面设有具有一定夹角的倾斜面a，所述棱镜的两侧面上均设置有直角槽，所述的直角槽上均设置有具有一定夹角的倾斜面b，所述棱镜的正面设置有横截面为圆弧状的凹槽。
所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为45°-84°。
所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为55°-75°。
所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为65°。
所述的直角槽与棱镜自身的夹角为30°。
所述的凹槽的半径为2.50mm，所述凹槽与任一倾斜面b配合。
所述棱镜的长宽高分别为75mm、55mm、45mm，所述棱镜的直角槽的底端到棱镜底端的距离为33mm。
本发明的有益效果是：相对于传统的透明件厚度、封闭区深度等参数发生变化后，棱镜外形比较单一时，观测效果较差，靠近棱镜的被观测面存在较大的视觉盲区，无法观测的缺点，本发明基于Light tools仿真辅助技术人员根据封闭区的结构和尺寸快速确定棱镜外形的最优设计方案，辅助操作人员目视检查过程最大范围的观测到透明件封闭区的结构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为背景技术的文件一结构示意图；
图2为背景技术的文件二结构示意图；
图3为本发明的典型透明件边缘软连接结构示意图；
图4为本发明的棱镜立体结构示意图；
图5为本发明的棱镜正视结构示意图；
图6为本发明的棱镜侧视结构示意图；
图7为本发明的棱镜俯视结构示意图；
图8为本发明的图6的A-A结构示意图；
图9为本发明的棱镜角度范围的计算结构示意图；
图10为本发明的棱镜高度范围的计算结构示意图；
图11为本发明的棱镜光路仿真结构示意图；
图12为本发明的棱镜光线最优出射角度范围结构示意图；
图13为本发明的棱镜仿真软件数据结构示意图；
图14为本发明的棱镜角度确定结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图14所示，基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法,其具体步骤如下：
(1)棱镜角度计算：结合封闭区及透明件尺寸，利用MATLAB数学软件计算呈像面最大的角度范围；
(2)选取角度：当在45°-84°的角度范围内时，结构胶的表面可以最大化的从棱镜中观测到；
(3)棱镜高度计算：结合封闭区及透明件尺寸，利用MATLAB数学软件计算呈像面最大的高度范围，综合棱镜的体积设计，棱镜高度在45mm为最优；
(4)棱镜最优角度：a：用Light tools仿真软件模拟的通过棱镜和透明件封闭区的光路图并结合MATLAB数学软件计算的棱镜角度结果45°-84°；
b：确定光线出射的最优角度以及光线均匀性最优的角度，结合封闭区及透明件尺寸，可确定棱镜最优的角度为55°-75°；
c：用Light tools仿真软件，再次利用逆向光线追迹原理，寻找并确定到最佳成像的视野和成像位置，最终将棱镜的角度定型，最优角度确定为65°。
所述的步骤(3)中的高度计算需要将高度分别设置在25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、75mm、200mm上并综合棱镜体积选取最优高度，如下表所示：
Figure GDA0003147738080000041
所述的步骤(4)的b中采用光路仿真可观察到光路全反射并达到观测面。
基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,所述棱镜为不规则的透明多面体，所述棱镜的上表面设有具有一定夹角的倾斜面a，所述棱镜的两侧面上均设置有直角槽，所述的直角槽上均设置有具有一定夹角的倾斜面b，所述棱镜的正面设置有横截面为圆弧状的凹槽。
所述的直角槽的直线距离为10mm。
所述的直角槽距离凹槽的横向、纵向距离均为3mm。
由于靠近棱镜的被侧面需要通过全反射才能到达视野范围内，而远离棱镜的面则只需通过折射就可以观测到，其观测深度会受到影响，根据几何光学发生的全反射原理和费马原理，光线从光密介质传输到光疏介质时，当达到临界角时，会发生全反射，从而可以增大观测的视场角，如下列公式所示：
全反射临界角：ic＝arcsin(n2/n1)i2＝90°
全反射条件：i1＞ic＝arcsin(n2/n1)n2＜n1
如图3所示，图中1为棱镜，2为目标图像区域，3为覆盖物，4为透明件，5为耦合剂涂抹区，6为观察面及目光停留。
所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为45°-84°。
所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为55°-75°。
所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为65°。
所述的直角槽与棱镜自身的夹角为30°。
所述的凹槽的半径为2.50mm，所述凹槽与任一倾斜面b配合。
所述的图9与图10中的XY分别为棱镜角度的余角及棱镜的高度。
相对于传统的透明件厚度、封闭区深度等参数发生变化后，棱镜外形比较单一时，观测效果较差，靠近棱镜的被观测面存在较大的视觉盲区，无法观测的缺点，本发明基于Light tools仿真辅助技术人员根据封闭区的结构和尺寸快速确定棱镜外形的最优设计方案，辅助操作人员目视检查过程最大范围的观测到透明件封闭区的结构。
所述的图12中的横坐标为棱镜的余角。
所述棱镜的长宽高分别为75mm、55mm、45mm，所述棱镜的直角槽的底端到棱镜底端的距离为33mm。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法,其特征在于：其具体步骤如下：
(1)棱镜角度计算：结合封闭区及透明件尺寸，利用MATLAB数学软件计算呈像面最大的角度范围；
(2)选取角度：当在45°-84°的角度范围内时，结构胶的表面可以最大化的从棱镜中观测到；
(3)棱镜高度计算：结合封闭区及透明件尺寸，利用MATLAB数学软件计算呈像面最大的高度范围，综合棱镜的体积设计，棱镜高度在45mm为最优；
(4)棱镜最优角度：a：用Light tools仿真软件模拟的通过棱镜和透明件封闭区的光路图并结合MATLAB数学软件计算的棱镜角度结果45°-84°；
b：确定光线出射的最优角度以及光线均匀性最优的角度，结合封闭区及透明件尺寸，可确定棱镜最优的角度为55°-75°；
c：用Light tools仿真软件，再次利用逆向光线追迹原理，寻找并确定到最佳成像的视野和成像位置，最终将棱镜的角度定型，最优角度确定为65°；所述的步骤(3)中的高度计算需要将高度分别设置在25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、75mm、200mm上并综合棱镜体积选取最优高度，所述的步骤(4)的b中采用光路仿真可观察到光路全反射并达到观测面；
棱镜为不规则的透明多面体，所述棱镜的上表面设有倾斜面a，所述棱镜的两侧面上均设置有直角槽，所述的直角槽上均设置有倾斜面b，所述棱镜的正面设置有横截面为圆弧状的凹槽。
2.利用权利要求1所述的基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,其特征在于：所述棱镜为不规则的透明多面体，所述棱镜的上表面设有倾斜面a，所述棱镜的两侧面上均设置有直角槽，所述的直角槽上均设置有倾斜面b，所述棱镜的正面设置有横截面为圆弧状的凹槽。
3.根据权利要求2所述的基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,其特征在于：所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为45°-84°。
4.根据权利要求3所述的基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,其特征在于：所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为55°-75°。
5.根据权利要求4所述的基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,其特征在于：所述棱镜的后表面与倾斜面a的夹角为65°。
6.根据权利要求1所述的基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,其特征在于：所述的直角槽与棱镜自身的夹角为30°。
7.根据权利要求1所述的基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,其特征在于：所述的凹槽的半径为2.50mm，所述凹槽与任一倾斜面b配合。
8.根据权利要求1所述的基于Light tools仿真的透明件边缘封闭区观测棱镜的设计方法成型的棱镜,其特征在于：所述棱镜的长宽高分别为75mm、55mm、45mm，所述棱镜的直角槽的底端到棱镜底端的距离为33mm。
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