RU2817617C1

RU2817617C1 - Reflective reflector returning incident electromagnetic radiation of the optical range in the reverse direction

Info

Publication number: RU2817617C1
Application number: RU2024102259A
Authority: RU
Inventors: Юрий Георгиевич Сухой
Original assignee: Юрий Георгиевич Сухой
Filing date: 2024-01-30
Publication date: 2024-04-16

Abstract

FIELD: optical instrument making.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument-making and relates to a reflective reflector which returns radiation in the optical range in the reverse direction. Reflector is made of a transparent solid material in the form of a hollow conical volumetric body with an opening angle of the outer side reflecting surface equal to 90 degrees. On the outer side surface of the conical volumetric body there is a reflecting coating, and on the inner surface there is a dielectric film in the form of a circular zone, which provides an annular directivity pattern of the reflected radiation. Under the reflecting coating there is a transparent thin film having a relative refraction index n and a thickness d, which enables to obtain reflected beams in a given wavelength range.

EFFECT: increasing the effective scattering surface, reducing energy losses, providing the possibility of selecting the colour of the reflected light beams and simplifying the manufacturing technology.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к локационной технике и может быть использовано в качестве отражательного устройства в различных диапазонах волн оптического излучения с изменением длины волны (цвета) отраженного сигнала во многих сферах народно-хозяйственной деятельности для контроля, сигнализации, геотехнического мониторинга, определения координат и ориентации подвижных и неподвижных объектов наземного, водного, воздушного и космического базирования, в том числе для точного контроля положения и ориентации космических аппаратов.The invention relates to location technology and can be used as a reflective device in various wavelengths of optical radiation with a change in the wavelength (color) of the reflected signal in many areas of economic activity for control, signaling, geotechnical monitoring, determining the coordinates and orientation of moving and stationary ground, water, air and space-based objects, including for precise control of the position and orientation of spacecraft.

Известен отражательный рефлектор, выполненный в виде призменного уголкового отражателя [1] в форме трехгранной пирамиды с боковыми отражающими гранями, при этом размеры ребер отражателя и показатель преломления определяются из математических соотношений. Недостатком этого отражательного рефлектора является то, что при применении его на космических аппаратах отраженный луч возвращается со смещением, которое зависит от орбиты спутника, с потерей части энергии, обусловленной дифракцией отраженного луча.A known reflective reflector is made in the form of a prismatic corner reflector [1] in the shape of a trihedral pyramid with lateral reflective faces, while the dimensions of the reflector ribs and the refractive index are determined from mathematical relationships. The disadvantage of this reflective reflector is that when used on spacecraft, the reflected beam returns with a displacement that depends on the satellite's orbit, with a loss of part of the energy due to diffraction of the reflected beam.

Известен отражательный рефлектор [2], выполненный, например, из кварца в виде призмы, боковые грани которой выполнены в форме треугольника, при этом на поверхности боковых граней призмы нанесен слой отражающего металлического покрытия, например, из алюминия или серебра, с выполнением условий, обеспечивающих формирование многолепестковой диаграммы направленности с периферийными пятнами освещенности в ее сечении, что позволяет улучшить дифракционную картину отраженного сигнала. Недостатками устройства [2] являются недостаточная точность и надежность локации для спутников, орбита которых находится на расстоянии около 19000 км от Земли.A reflective reflector is known [2], made, for example, of quartz in the form of a prism, the side faces of which are made in the shape of a triangle, while on the surface of the side faces of the prism a layer of reflective metal coating, for example, made of aluminum or silver, is applied, with the fulfillment of conditions ensuring formation of a multi-lobe radiation pattern with peripheral illumination spots in its cross section, which allows improving the diffraction pattern of the reflected signal. The disadvantages of the device [2] are the insufficient accuracy and reliability of location for satellites whose orbit is located at a distance of about 19,000 km from the Earth.

Известен отражательный рефлектор, выполненный в виде уголкового отражателя [3] с диэлектрическим покрытием отражающих граней. В нем устранение смещения отраженного луча за счет дифракции обеспечивается покрытием отражающих граней диэлектрической пленкой определенной толщины, рассчитываемой по приведенным в описании патента формулам. Недостатком такого отражателя является невозможность управления цветом отраженного сигнала с использованием эффекта интерференции отраженных волн, так как толщина тонкой пленки выбирается только из условия получения несмещенного отраженного луча.A known reflective reflector is made in the form of a corner reflector [3] with a dielectric coating of the reflecting edges. In it, the elimination of the displacement of the reflected beam due to diffraction is ensured by covering the reflecting edges with a dielectric film of a certain thickness, calculated according to the formulas given in the patent description. The disadvantage of such a reflector is the impossibility of controlling the color of the reflected signal using the effect of interference of reflected waves, since the thickness of the thin film is selected only from the condition of obtaining an unbiased reflected beam.

Известен отражательный рефлектор в виде уголкового отражателя направленного действия со светоотражающим покрытием граней [4] для управления сигнальными огнями на водных путях, в котором для управления цветом используется светоотражающее покрытие с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения. Используется полупроводниковый диод, излучающий поток света с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня, соответствующего цвету светоотражающего покрытия, а выбор цвета определяется сложившейся навигационной обстановкой на внутренних водных путях. Недостатком этого изобретения является сложность управления сигнальными огнями и применимость этого устройства только для излучения сигнальных огней, без возможности управления цветом отраженного сигнала.A reflective reflector is known in the form of a directional corner reflector with a reflective coating on the edges [4] for controlling signal lights on waterways, in which a reflective coating with white, red, green or yellow glow colors is used to control color. A semiconductor diode is used that emits a stream of light with white, red, green or yellow colors of the signal light, corresponding to the color of the reflective coating, and the choice of color is determined by the current navigation situation on inland waterways. The disadvantage of this invention is the complexity of controlling signal lights and the applicability of this device only for emitting signal lights, without the ability to control the color of the reflected signal.

Известен также отражательный рефлектор [5] выполненный, например, из кварца в виде призмы с боковыми гранями в форме треугольника, на которых имеется отражающее покрытие, выбранный в качестве прототипа. В нем повышение точности и надежности локации, а также повышение соотношения «сигнал/шум» достигается за счет того, что на входную преломляющую грань призмы нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны с выполнением определенных условий по ее расположению и площади с целью получения требуемой дифракционной картины. При этом, толщина пленки выбирается так, чтобы обеспечить сдвиг фаз между центральным и периферийным пучком, равный п. Интерференция этих параллельных пучков в дальней зоне (на бесконечности) приводит к выдавливанию энергии на периферию отраженного пучка. Уголковый отражатель с нанесенным на его грань покрытием является радиальным амплитудно-фазовым дифракционным элементом, свойства которого зависят от состояния поляризации падающего излучения. Это обеспечивает в дальней зоне особый вид диаграммы направленности и позволяет управлять как ее угловой шириной, так и распределением энергии внутри нее. Это позволяет достичь эффекта, подобного изобретению [3], путем покрытия диэлектрической пленкой только входной плоской грани уголкового отражателя, без нанесения диэлектрической пленки на отражающие грани.A reflective reflector [5] is also known, made, for example, from quartz in the form of a prism with side faces in the shape of a triangle, on which there is a reflective coating, chosen as a prototype. In it, an increase in the accuracy and reliability of location, as well as an increase in the signal-to-noise ratio, is achieved due to the fact that a dielectric film in the form of a circular zone is applied to the input refractive face of the prism with the fulfillment of certain conditions for its location and area in order to obtain the required diffraction pattern . In this case, the film thickness is chosen to ensure a phase shift between the central and peripheral beams equal to n. The interference of these parallel beams in the far zone (at infinity) leads to the extrusion of energy onto the periphery of the reflected beam. A corner reflector with a coating applied to its edge is a radial amplitude-phase diffraction element, the properties of which depend on the polarization state of the incident radiation. This provides a special type of radiation pattern in the far zone and allows you to control both its angular width and the energy distribution within it. This makes it possible to achieve an effect similar to the invention [3], by covering only the input flat face of the corner reflector with a dielectric film, without applying a dielectric film to the reflective faces.

Основным недостатком всех рассмотренных аналогов и прототипа является то, что эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) ограничена формой отражательного рефлектора, выполненного в виде уголкового отражателя.The main disadvantage of all considered analogues and the prototype is that the effective scattering surface (ESR) is limited by the shape of the reflector, made in the form of a corner reflector.

Вторым недостатком аналогов и прототипа является потеря энергии входящей световой волны в результате попадания в области, близкие к стыку граней и на сами линии соединения отражающих граней.The second disadvantage of the analogues and the prototype is the loss of energy of the incoming light wave as a result of hitting areas close to the junction of the faces and on the connection lines of the reflective faces themselves.

Третий недостаток заключается в невозможности изменения цвета отраженных волн для расширения функций контроля и сигнализации без окрашивания в заданный цвет отражательной поверхности или использования световых волн заданного цвета, в том числе для определения ориентации объектов, на которых установлены уголковые отражатели.The third disadvantage is the inability to change the color of the reflected waves to expand control and signaling functions without painting the reflective surface in a given color or using light waves of a given color, including to determine the orientation of objects on which corner reflectors are installed.

Четвертый недостаток, главным образом, прототипа заключается в том, что наблюдаются существенные потери отраженной энергии при больших углах падения световых лучей относительно перпендикуляра к плоской поверхности входной грани. Процент отражения на границе раздела фаз «воздух, вакуум - стекло, кварц» определяется относительным показателем преломления. Для стекла или кварца с показателем преломления 1,5 при нормальном падении лучей (угол падения равен 0°) на входную грань отражается около 4,3% световой энергии. При увеличении угла падения луча до 45° от входной грани отражается до 7% световой энергии, а 93% проникают внутрь уголкового отражателя, выполненного в виде призмы с боковыми гранями в форме треугольника.The fourth drawback, mainly, of the prototype is that significant losses of reflected energy are observed at large angles of incidence of light rays relative to the perpendicular to the flat surface of the input face. The percentage of reflection at the interface between the phases “air, vacuum - glass, quartz” is determined by the relative refractive index. For glass or quartz with a refractive index of 1.5, with normal incidence of rays (angle of incidence equal to 0°), about 4.3% of the light energy is reflected onto the input face. When the angle of incidence of the beam increases to 45°, up to 7% of the light energy is reflected from the input face, and 93% penetrates into the corner reflector, made in the form of a prism with side faces in the shape of a triangle.

Пятым недостатком отражательного рефлектора, выполненного в виде уголкового отражателя с плоскими отражательными гранями, является сложность технологии изготовления строго перпендикулярных отражательных граней ввиду необходимости соблюдения точности изготовления граней под прямыми углами не хуже 0,1-0,2 угловых секунды. Это приводит к тому, что часть изготовленных отражателей подобной формы бракуется при контроле изготовленных образцов.The fifth disadvantage of a reflective reflector made in the form of a corner reflector with flat reflective edges is the complexity of the technology for manufacturing strictly perpendicular reflective edges due to the need to maintain the accuracy of manufacturing edges at right angles of no worse than 0.1-0.2 arc seconds. This leads to the fact that some of the manufactured reflectors of a similar shape are rejected during the inspection of manufactured samples.

Для устранения приведенных недостатков предлагается конструкция оптического отражательного рефлектора, возвращающего падающее на него электромагнитное излучение оптического диапазона в обратном направлении, по первому варианту, выполненного из прозрачного твердого материала, например, из кварца или оптического стекла, на внешнюю боковую поверхность которого нанесено отражающее покрытие, на его преломляющую поверхность со стороны падения излучения нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности отраженного излучения, отражательный рефлектор выполнен в виде полого конического объемного тела с углом раствора внешней боковой отражающей поверхности равным 90 градусов; диэлектрическая пленка, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности, нанесена на внутреннюю поверхность стенки конического объемного тела; на внешнюю боковую отражающую поверхность полого конического объемного тела под отражающим покрытием нанесена прозрачная тонкая пленка, имеющая относительный коэффициент преломления n и толщину d, обеспечивающие получение отраженных лучей в заданном диапазоне волн λ оптического спектра в соответствии с формулой где m - число полных длин волн, проходящих через пленку.To eliminate these disadvantages, we propose the design of an optical reflective reflector that returns the electromagnetic radiation of the optical range incident on it in the opposite direction, according to the first option, made of a transparent solid material, for example, quartz or optical glass, on the outer side surface of which a reflective coating is applied, on its refractive surface on the side of incidence of radiation is coated with a dielectric film in the form of a circular zone, providing a circular directional pattern of reflected radiation, the reflective reflector is made in the form of a hollow conical volumetric body with an opening angle of the outer side reflecting surface equal to 90 degrees; a dielectric film providing an annular radiation pattern is applied to the inner surface of the wall of a conical volumetric body; A transparent thin film is applied to the outer side reflecting surface of a hollow conical volumetric body under a reflective coating, having a relative refractive index n and thickness d, ensuring the receipt of reflected rays in a given wavelength range λ of the optical spectrum in accordance with the formula where m is the number of full wavelengths passing through the film.

В отражательном рефлекторе стенка полого конического объемного тела может иметь одинаковую толщину.In a reflective reflector, the wall of a hollow conical volumetric body can have the same thickness.

В отражательном рефлекторе стенка полого конического объемного тела может иметь неравномерную толщину с образованием внутри конуса ближе к вершине закругления или плоской площадки.In a reflective reflector, the wall of a hollow conical volumetric body may have an uneven thickness with the formation of a rounded or flat area inside the cone closer to the apex.

По второму варианту предлагается конструкция оптического отражательного рефлектора, возвращающего падающее на него электромагнитное излучение оптического диапазона в обратном направлении, выполненного из прозрачного твердого материала, например, из кварца или оптического стекла, на внешнюю боковую поверхность которого нанесено отражающее покрытие, на его преломляющую поверхность со стороны падения излучения нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности отраженного излучения, отражательный рефлектор выполнен в виде полого конического объемного тела с углом раствора внешней боковой отражающей поверхности, равным 90 градусов; вершина внешней части конического объемного тела выполнена закругленной с радиусом закругления, обеспечивающим концентрацию электромагнитных волн оптического диапазона на требуемом расстоянии, при этом стенка полого конического объемного тела имеет неравномерную толщину с образованием внутри конуса ближе к вершине закругления или плоской площадки; диэлектрическая пленка, обеспечивающая кольцевую диаграмму направленности, нанесена на внутреннюю поверхность стенки конического объемного тела; на внешнюю боковую отражающую поверхность полого конического объемного тела под отражающим покрытием нанесена прозрачная тонкая пленка, имеющая относительный коэффициент преломления n и толщину d, обеспечивающие получение отраженных лучей в заданном диапазоне волн λ оптического спектра в соответствии с формулой где m - число полных длин волн, проходящих через пленку.According to the second option, the design of an optical reflective reflector is proposed, which returns the electromagnetic radiation of the optical range incident on it in the opposite direction, made of a transparent solid material, for example, quartz or optical glass, on the outer side surface of which a reflective coating is applied, on its refractive surface from the side falling radiation, a dielectric film is applied in the form of a circular zone, providing a ring directional pattern of the reflected radiation, the reflective reflector is made in the form of a hollow conical volumetric body with an opening angle of the outer side reflecting surface equal to 90 degrees; the top of the outer part of the conical volumetric body is made rounded with a radius of curvature that ensures the concentration of electromagnetic waves of the optical range at the required distance, while the wall of the hollow conical volumetric body has an uneven thickness with the formation of a rounded or flat area inside the cone closer to the top; a dielectric film providing an annular radiation pattern is applied to the inner surface of the wall of a conical volumetric body; A transparent thin film is applied to the outer side reflecting surface of a hollow conical volumetric body under a reflective coating, having a relative refractive index n and thickness d, ensuring the receipt of reflected rays in a given wavelength range λ of the optical spectrum in accordance with the formula where m is the number of full wavelengths passing through the film.

Предлагаемое устройство поясняется схематическими чертежами, где показаны наThe proposed device is illustrated by schematic drawings, which show

фиг. 1 - сечение отражательного рефлектора по оси симметрии ОХ со стенками одинаковой толщины (вариант 1);fig. 1 - cross-section of a reflector along the axis of symmetry OX with walls of the same thickness (option 1);

фиг. 2 - внешний вид отражательного рефлектора под углом к оси ОХ (по варианту 1);fig. 2 - appearance of the reflector at an angle to the OX axis (according to option 1);

фиг. 3 - сечение отражательного рефлектора по оси симметрии ОХ с неравномерной толщиной стенок (вариант 1);fig. 3 - cross-section of a reflector along the axis of symmetry OX with uneven wall thickness (option 1);

фиг. 4 - сечение отражательного рефлектора (вариант 2).fig. 4 - cross-section of the reflector (option 2).

Предлагаемый отражательный рефлектор по первому варианту, фиг. 1, выполнен из прозрачного твердого материала, например, из кварца или оптического стекла, в виде полого конического объемного тела 1 с углом раствора 2 внешней боковой отражающей поверхности, равным 90 градусов. На фиг. 1 стенки 4 полого объемного конического тела 1 имеют одинаковую толщину. Расстояние между наружной и внутренней поверхностями конического объемного тела (толщина стенок) может быть различным, например, от 1-3 мм до 30-40 мм, в зависимости от размеров отражателя, прочности используемых материалов, а также исходя из требований обеспечения прочности всего полого конического объемного тела. Оно подбирается с учетом характеристик материала, из которого изготавливается объемное тело (оптическое стекло, кварц и т.д.), в зависимости от условий эксплуатации. Диэлектрическая пленка 3 в виде круговой зоны с обеспечением кольцевой диаграммы направленности нанесена на стенки 4 конического объемного тела со стороны внутренней полости. На внешнюю боковую отражающую поверхность полого конического объемного тела под отражающим покрытием 5 нанесена прозрачная тонкая пленка 6, имеющая относительный коэффициент преломления n и толщину d, обеспечивающие получение отраженных лучей в заданном диапазоне волн λ оптического спектра в соответствии с формулой (1)The proposed reflective reflector according to the first option, Fig. 1, is made of a transparent solid material, for example, quartz or optical glass, in the form of a hollow conical volumetric body 1 with an opening angle 2 of the outer lateral reflective surface equal to 90 degrees. In fig. 1, the walls 4 of the hollow volumetric conical body 1 have the same thickness. The distance between the outer and inner surfaces of a conical volumetric body (wall thickness) can be different, for example, from 1-3 mm to 30-40 mm, depending on the size of the reflector, the strength of the materials used, and also based on the requirements for ensuring the strength of the entire hollow conical volumetric body. It is selected taking into account the characteristics of the material from which the volumetric body is made (optical glass, quartz, etc.), depending on the operating conditions. Dielectric film 3 in the form of a circular zone providing a circular radiation pattern is applied to the walls 4 of a conical volumetric body from the side of the internal cavity. A transparent thin film 6 is applied to the outer side reflecting surface of the hollow conical volumetric body under the reflective coating 5, having a relative refractive index n and thickness d, ensuring the receipt of reflected rays in a given wavelength range λ of the optical spectrum in accordance with formula (1)

где m - число полных длин волн, проходящих через пленку.where m is the number of full wavelengths passing through the film.

Внешний вид отражательного рефлектора под углом к оси ОХ представлен на фиг. 2.The appearance of the reflector at an angle to the OX axis is shown in Fig. 2.

Стенки полого конического объемного тела 1 могут иметь неравномерную толщину с образованием внутри конуса ближе к вершине закругленной или плоской площадки. Площадка используется для удобства нанесения диэлектрической пленки 3 в виде круговой зоны с выполнением заданных требований по ее расположению и площади с целью получения требуемой дифракционной картины, чем достигается повышение точности и надежности локации, а также повышение соотношения «сигнал/шум».The walls of the hollow conical volumetric body 1 may have an uneven thickness with the formation of a rounded or flat area inside the cone closer to the top. The platform is used for the convenience of applying dielectric film 3 in the form of a circular zone, fulfilling the specified requirements for its location and area in order to obtain the required diffraction pattern, thereby increasing the accuracy and reliability of location, as well as increasing the signal-to-noise ratio.

Вид отражательного рефлектора с неравномерной толщиной стенок 4 представлен на фиг. 3.A view of a reflective reflector with uneven wall thickness 4 is shown in Fig. 3.

Предлагаемый отражательный рефлектор по второму варианту, представленный на фиг. 4, выполненный из прозрачного твердого материала, например, из кварца или оптического стекла, выполнен в виде полого конического объемного тела с углом раствора внешней боковой отражающей поверхности равным 90 градусов. Вершина внешней части 7 конического объемного тела выполнена закругленной с радиусом закругления, обеспечивающим концентрацию (фокусировку) отраженных электромагнитных волн оптического диапазона на требуемом расстоянии. Это позволяет контролировать расстояние до объектов, оснащенных отражательными рефлекторами, посредством использования приемных устройств, фиксирующих степень расхождения части отраженных лучей, попадающих на закругленную вершину конусообразного отражательного рефлектора.The proposed reflective reflector according to the second option, shown in Fig. 4, made of a transparent solid material, for example, quartz or optical glass, is made in the form of a hollow conical volumetric body with an opening angle of the outer side reflecting surface equal to 90 degrees. The top of the outer part 7 of the conical volumetric body is made rounded with a radius of curvature that ensures concentration (focusing) of reflected electromagnetic waves of the optical range at the required distance. This makes it possible to control the distance to objects equipped with reflective reflectors through the use of receiving devices that record the degree of divergence of part of the reflected rays falling on the rounded top of the cone-shaped reflector.

Во всех предлагаемых вариантах толщина прозрачного тонкого покрытия (тонкой пленки) 6, нанесенного под отражающим покрытием 5 позволяет за счет интерференции световых волн изменить диапазон волн (цвет) отраженного сигнала и выбирается в соответствии с назначением отражательного рефлектора.In all proposed options, the thickness of a transparent thin coating (thin film) 6 applied under the reflective coating 5 allows, due to the interference of light waves, to change the wavelength range (color) of the reflected signal and is selected in accordance with the purpose of the reflective reflector.

Технический результат, достигаемый использованием данной конструкции, заключается в следующем.The technical result achieved by using this design is as follows.

Увеличение эффективной поверхности рассеяния и, соответственно, уменьшение потерь энергии возвращаемых световых волн конического отражательного рефлектора по сравнению с уголковыми отражателями с плоскими гранями обусловлено увеличением эффективной площади отражающей поверхности. Максимум диаграммы рассеяния или максимум эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) σ_m для уголкового отражателя четырехугольной формы соответствует случаю, когда направление падающих световых лучей совпадает с геометрической осью симметрии уголкового отражателя, проходящей через его вершину. Максимальное значение ЭПР σ_m такого отражателя определяется по формуле [6]An increase in the effective scattering surface and, accordingly, a decrease in energy losses of the returned light waves of a conical reflective reflector compared to corner reflectors with flat edges is due to an increase in the effective area of the reflective surface. The maximum of the scattering diagram or the maximum of the effective scattering surface (ESR) σ _m for a corner reflector of a quadrangular shape corresponds to the case when the direction of the incident light rays coincides with the geometric axis of symmetry of the corner reflector passing through its vertex. The maximum RCS value σ _m of such a reflector is determined by the formula [6]

где а - размер ребра отражателя [м], λ - длина световой волны [м].where a is the size of the reflector edge [m], λ is the light wavelength [m].

Данное выражение учитывает эффективную площадь отражения входного светового потока, которая определяется площадью фигуры, вписанной во внешний контур отражателя. Для предлагаемой конструкции отражательного рефлектора, выполненного в виде конического объемного тела, аналогичного по размерам четырехугольному отражателю (окружность основания конического объемного тела проходит через концы диагональных линий граней четырехугольного отражателя так, чтобы четырехугольный отражатель был вписан внутрь конического объемного тела, при этом отрезок размером 2^0.5a является боковой образующей предлагаемого конического отражательного рефлектора), ЭПР можно определить по формулеThis expression takes into account the effective reflection area of the input light flux, which is determined by the area of the figure inscribed in the outer contour of the reflector. For the proposed design of a reflective reflector, made in the form of a conical volumetric body, similar in size to a quadrangular reflector (the circle of the base of the conical volumetric body passes through the ends of the diagonal lines of the faces of the quadrangular reflector so that the quadrangular reflector is inscribed inside the conical volumetric body, with a segment of size 2 ^0.5 a is the lateral generatrix of the proposed conical reflector), the EPR can be determined by the formula

откуда следует, что ЭПР предлагаемого конического отражательного рефлектора с одним сферическим углом 90° примерно в 3,3 раза больше, чем у аналогичного максимально приближенного к нему по внешнему контуру четырехугольного отражателя. Это позволяет достигнуть требуемого значения ЭПР с использованием предлагаемого конического отражательного рефлектора меньшего размера, чем используемые треугольные и четырехугольные уголковые отражатели.from which it follows that the EPR of the proposed conical reflector with one spherical angle of 90° is approximately 3.3 times greater than that of a similar quadrangular reflector that is as close as possible to it along the outer contour. This makes it possible to achieve the required RCS value using the proposed conical reflector of a smaller size than the triangular and quadrangular corner reflectors used.

Устранение недостатков аналогов и прототипа, которые обусловлены потерями энергии входящих световых лучей за счет их попадания в области, близкие к стыку граней отражательных поверхностей и на саму линию соединения граней, достигается тем, что в отражательной поверхности предлагаемой конструкции отсутствуют стыки граней, так как отражательной поверхностью является боковая поверхность конического объемного тела. Увеличение процента отражения световых волн на границе раздела фаз «воздух, вакуум - стекло, кварц» достигается посредством изготовления входной грани в виде внутренней поверхности полого конического объемного тела 1, что позволяет снизить потери отраженной энергии при больших углах падения светового луча на поверхность входной грани (угол между перпендикуляром к поверхности и падающими лучами). Диапазон возможных углов α попадания входных лучей в рефлекторы, выбранные в качестве аналогов и прототипа, а также в предлагаемый рефлектор для обеспечения отражения лучей в обратном направлении составляет от 0° до 45° (45°≥α≥0°) относительно центральной оси отражательного рефлектора ОХ. В предельном случае, когда входной луч падает на плоскую входную грань прототипа под углом α=45°, преломленный луч может нести в себе около 85-93% энергии входного неполяризованного светового потока, а отраженный луч, не проникающий в отражатель, около 7-15% энергии входного неполяризованного светового потока, в зависимости от применяемого преломляющего материала отражателя. В предлагаемой конструкции отражательного рефлектора, например, с равномерной толщиной стенок, такой входной луч (45° относительно центральной оси отражателя ОХ) падает на преломляющую поверхность внутренней стенки конического объемного тела отражательного рефлектора под углом 0° относительно нормали к преломляющей поверхности, что существенно уменьшает потери в отраженном от преломляющей поверхности луче до 3-7%.Elimination of the shortcomings of analogues and the prototype, which are caused by the loss of energy of incoming light rays due to their entry into areas close to the junction of the edges of the reflective surfaces and on the line of connection of the faces itself, is achieved by the fact that in the reflective surface of the proposed design there are no joints of edges, since the reflective surface is the lateral surface of a conical volumetric body. An increase in the percentage of reflection of light waves at the interface between the phases “air, vacuum - glass, quartz” is achieved by manufacturing the input face in the form of the inner surface of a hollow conical volumetric body 1, which makes it possible to reduce the loss of reflected energy at large angles of incidence of the light beam on the surface of the input face ( angle between the perpendicular to the surface and the incident rays). The range of possible angles α of input rays entering the reflectors selected as analogues and a prototype, as well as the proposed reflector to ensure reflection of the rays in the opposite direction is from 0° to 45° (45°≥α≥0°) relative to the central axis of the reflective reflector OH. In the limiting case, when the input beam falls on the flat input face of the prototype at an angle α = 45°, the refracted beam can carry about 85-93% of the energy of the input unpolarized light flux, and the reflected beam, which does not penetrate the reflector, can carry about 7-15 % energy of the input unpolarized light flux, depending on the refractive reflector material used. In the proposed design of a reflective reflector, for example, with uniform wall thickness, such an input beam (45° relative to the central axis of the reflector OX) falls on the refractive surface of the inner wall of the conical volumetric body of the reflective reflector at an angle of 0° relative to the normal to the refractive surface, which significantly reduces losses in the beam reflected from the refractive surface up to 3-7%.

Изменение цвета отраженных световых лучей для расширения функций контроля и сигнализации в предлагаемой конструкции осуществляется за счет интерференции световых волн при использовании тонких пленок. Толщина прозрачного тонкого покрытия (тонкой пленки) позволяет за счет интерференции световых волн изменить диапазон волн (цвет) отраженного сигнала и выбирается в соответствии с назначением отражательного рефлектора.Changing the color of reflected light rays to expand the control and signaling functions in the proposed design is carried out due to the interference of light waves when using thin films. The thickness of the transparent thin coating (thin film) allows, due to the interference of light waves, to change the wavelength range (color) of the reflected signal and is selected in accordance with the purpose of the reflector.

Оптическая разность хода отраженной от тонкой пленки и отраженной от зеркального отражательного покрытия световой волны (толщина тонкой пленки) определяется по формулеThe optical difference in the path of the light wave reflected from the thin film and reflected from the mirror reflective coating (thin film thickness) is determined by the formula

где n=n₂/n₁, n₂ - показатель преломления тонкой пленки, n₁ - показатель преломления объемного тела конического рефлектора (оптического стекла, кварца), i - угол падения лучей относительно перпендикуляра к поверхности тонкой пленки, λ - длина волны отраженного сигнала, m - число полных длин волн, проходящих через тонкую пленку.where n=n ₂ /n ₁ , n ₂ is the refractive index of the thin film, n ₁ is the refractive index of the volumetric body of the conical reflector (optical glass, quartz), i is the angle of incidence of the rays relative to the perpendicular to the surface of the thin film, λ is the wavelength of the reflected signal, m is the number of full wavelengths passing through the thin film.

Эти волны будут интерферировать, так как соблюдается условие их когерентности. Если освещать пленку белым неполяризованным светом, то условие усиления отраженных лучей с заданной длиной волны (заданного цвета) будет выглядеть следующим образомThese waves will interfere, since the condition of their coherence is met. If the film is illuminated with white unpolarized light, then the condition for amplification of reflected rays with a given wavelength (of a given color) will look like this:

где m=0, 1, 2 …where m=0, 1, 2…

Это позволяет рассчитать толщину тонкой пленки для получения отраженных лучей в заданном цвете по формуле (4).This allows you to calculate the thickness of the thin film to obtain reflected rays in a given color using formula (4).

Так как угол вхождения i лучей относительно оси объемного тела конического рефлектора может меняться от 0° до 45°, то для устойчивой работы отражателя на предельных углах 0° и 45° выбран угол между ними, дающий среднее значение толщины тонкой пленки между толщинами при углах 0° и 45°. Он рассчитывается по формулеSince the angle of entry of i rays relative to the axis of the volumetric body of the conical reflector can vary from 0° to 45°, then for stable operation of the reflector at the limiting angles of 0° and 45°, the angle between them was selected, giving the average value of the thickness of the thin film between the thicknesses at angles 0 ° and 45°. It is calculated by the formula

В результате подстановки этого значения в формулу (4) получена формула (1), по которой рассчитывается толщина тонкой пленки в зависимости от относительного коэффициента преломления п. As a result of substituting this value into formula (4), formula (1) is obtained, by which the thickness of the thin film is calculated depending on the relative refractive index n.

Чем больше коэффициент преломления тонкой пленки по сравнению с коэффициентом преломления конического объемного тела рефлектора (стекла, кварца), тем меньше зависимость толщины пленки от угла падения световых волн. Ввиду этого, необходимо применять пленки с высоким значением коэффициента преломления, например, TiO₂, СеО₂, ZnS, ZnSe. Для объемного тела конического рефлектора необходимо выбирать марку оптического стекла специального состава (флюоритовый крон, боросиликатный крон и др.) или вид кварца, имеющий низкий коэффициент преломления. Например, если использовать в качестве тонкой пленки двуокись титана (рутил), имеющую коэффициент преломления в оптическом диапазоне волн около n₂=2,9, а в качестве объемного тела конического рефлектора - специальное оптическое или кварцевое стекло с коэффициентом преломления n₁=1,47, то n=n₂/n₁/=1,973. При m=1 и mλ+λ/2 толщина пленки согласно формуле (1) будет составлятьThe greater the refractive index of a thin film compared to the refractive index of the conical volumetric reflector body (glass, quartz), the smaller the dependence of the film thickness on the angle of incidence of light waves. In view of this, it is necessary to use films with a high refractive index, for example, TiO ₂ , CeO ₂ , ZnS, ZnSe. For the volumetric body of a conical reflector, it is necessary to choose a brand of optical glass of a special composition (fluorite crown, borosilicate crown, etc.) or a type of quartz that has a low refractive index. For example, if we use titanium dioxide (rutile), which has a refractive index in the optical wavelength range of about n ₂ = 2.9, as a thin film, and special optical or quartz glass with a refractive index n ₁ = 1 as the volumetric body of a conical reflector, 47, then n=n ₂ /n ₁ /=1.973. At m=1 and mλ+λ/2, the film thickness according to formula (1) will be

Так, для окраски отраженных лучей в зеленый цвет, имеющий среднюю длину волны 540 нм, толщина пленки будет составлять около 212,4 нм. Для угла 0° толщина пленки составляет 205,3 нм. Для угла 45° - 219,9 нм. При равномерном покрытии поверхности пленкой с толщиной 212 нм для углов от 0° до 45° диапазон отраженных волн составит от λ=205,3/0,393=522,4 нм до λ=219,9/0,393=559,5 нм. Данный диапазон соответствует спектру зеленого цвета. Подбирая значение n и толщину пленки можно сужать, расширять и смещать цветовой диапазон отраженных оптических волн. Аналогично подбирается толщина тонкой пленки для получения отражательного рефлектора красного, желтого и синего цветов. Для того, чтобы снизить зависимость толщины пленки от угла падения лучей на отражательную поверхность предлагаемого рефлектора, необходимо выбирать значение n как можно больше.Thus, to color reflected rays green, having an average wavelength of 540 nm, the film thickness will be about 212.4 nm. For an angle of 0°, the film thickness is 205.3 nm. For an angle of 45° - 219.9 nm. When the surface is uniformly covered with a film with a thickness of 212 nm for angles from 0° to 45°, the range of reflected waves will be from λ=205.3/0.393=522.4 nm to λ=219.9/0.393=559.5 nm. This range corresponds to the green spectrum. By selecting the value of n and the thickness of the film, you can narrow, expand and shift the color range of reflected optical waves. Similarly, the thickness of the thin film is selected to obtain a reflective reflector in red, yellow and blue colors. In order to reduce the dependence of the film thickness on the angle of incidence of the rays on the reflective surface of the proposed reflector, it is necessary to select the value of n as large as possible.

Если освещать пленку монохроматическим светом, то при выполнении условия усиления лучей (5) с заданной длиной волны отраженный сигнал будет иметь цвет входящего монохроматического излучения. Это важно при использовании лазеров с заданным монохроматическим излучением. При невыполнении условия отражения монохроматического излучения, излучение не будет отражаться. Этот эффект может быть использован в системах сигнализации для отражения световых волн только заданного диапазона.If the film is illuminated with monochromatic light, then if the condition for amplification of rays (5) with a given wavelength is met, the reflected signal will have the color of the incoming monochromatic radiation. This is important when using lasers with a given monochromatic radiation. If the condition of reflection of monochromatic radiation is not met, the radiation will not be reflected. This effect can be used in alarm systems to reflect light waves of only a given range.

Нетрудно видеть, что в предлагаемом рефлекторе при использовании входных лучей всего оптического диапазона можно получить отраженный сигнал в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне. Так для инфракрасного оптического диапазона с центральной длиной 820 нм при выбранных показателях преломления тонкой пленки и оптического стекла отражателя толщина пленки для m=1 составит d=0,393λ=322,3 нм.It is easy to see that in the proposed reflector, when using input rays of the entire optical range, it is possible to obtain a reflected signal in the ultraviolet or infrared range. So for the infrared optical range with a central length of 820 nm, with the selected refractive indices of the thin film and the optical glass of the reflector, the film thickness for m=1 will be d=0.393λ=322.3 nm.

Для угла 0° толщина пленки согласно формуле (1) составляет 311,7 нм. Для угла 45° - 333,9 нм. При равномерном покрытии поверхности отражателя пленкой с толщиной 322,3 нм для углов от 0° до 45° диапазон отраженных волн составит от λ=311,7/0,393=793,1 нм до λ=333,9/0,393=849,6 нм. Данный диапазон полностью соответствует спектру инфракрасного излучения.For an angle of 0°, the film thickness according to formula (1) is 311.7 nm. For an angle of 45° - 333.9 nm. When the surface of the reflector is uniformly covered with a film with a thickness of 322.3 nm for angles from 0° to 45°, the range of reflected waves will be from λ=311.7/0.393=793.1 nm to λ=333.9/0.393=849.6 nm . This range fully corresponds to the spectrum of infrared radiation.

Упрощение технологии изготовления предлагаемого отражательного рефлектора достигается путем высверливания и шлифовки изнутри и снаружи конусообразной формы отражательного рефлектора с использованием вращающихся шлифовальных инструментов, например, шлифовальных станков для заготовок конической формы, бесцентрово-шлифовальных станков, что невозможно сделать при изготовлении уголковых отражателей с плоскими гранями.Simplification of the manufacturing technology of the proposed reflective reflector is achieved by drilling and grinding from the inside and outside of the cone-shaped reflector using rotating grinding tools, for example, grinding machines for conical workpieces, centerless grinding machines, which cannot be done in the manufacture of corner reflectors with flat edges.

Предлагаемые типы отражательных рефлекторов могут найти широкое применение во многих сферах народно-хозяйственной деятельности для контроля, сигнализации, геотехнического мониторинга подвижных и неподвижных объектов наземного, водного, воздушного и космического базирования. Они могут быть использованы в дорожных знаках, отражателях на судах и другом транспорте без нанесения покрытия из краски и использования осветительных элементов для достижения заданного цвета отраженных световых лучей. При установке на различных частях подвижных объектов возможно определение их ориентации путем фиксации расположения их частей по отражателям определенного цвета.The proposed types of reflective reflectors can find wide application in many areas of national economic activity for control, signaling, geotechnical monitoring of moving and stationary objects of ground, water, air and space based. They can be used in road signs, reflectors on ships and other vehicles without applying a coating of paint or using lighting elements to achieve a given color of the reflected light rays. When installed on various parts of moving objects, it is possible to determine their orientation by fixing the location of their parts using reflectors of a certain color.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ на изобретение №2101740, М. кл. H01Q 15/18, опубл. 30.09.1994.1. RF patent for invention No. 2101740, M. class. H01Q 15/18, publ. 09/30/1994.

2. Патент РФ на полезную модель №84141, МПК G02B 5/122, опубл. 27.06.2009.2. RF patent for utility model No. 84141, IPC G02B 5/122, publ. 06/27/2009.

3. Патент республики Беларусь BY №8027 С1, МПК G02B 5/122, опубл. 30.03.2005.3. Patent of the Republic of Belarus BY No. 8027 C1, IPC G02B 5/122, publ. 03/30/2005.

4. Патент РФ на изобретение RU №2634550 С2, М. кл. В63В 22/02, H01Q 15/18, опубл. 31.10.2017.4. RF patent for invention RU No. 2634550 C2, M. class. B63B 22/02, H01Q 15/18, publ. 10/31/2017.

5. Патент РФ на изобретение RU №2458368 C1, М. кл. G02B 5/122, опубл. 10.02.2012 (прототип).5. RF patent for invention RU No. 2458368 C1, M. class. G02B 5/122, publ. 02/10/2012 (prototype).

6. В. Лиференко, В. Королев, Д. Колесник. Моделирование эталонных отражателей, используемых при построении радиолокационного изображения спутников. СВЧ Электроника. Приложение к журналу «Электронные компоненты», 2018, №1, стр. 44-45.6. V. Liferenko, V. Korolev, D. Kolesnik. Modeling of reference reflectors used in the construction of radar images of satellites. Microwave Electronics. Supplement to the journal "Electronic Components", 2018, No. 1, pp. 44-45.

Claims

1. A reflective reflector that returns electromagnetic radiation of the optical range incident on it in the opposite direction, made of a transparent solid material, for example, quartz or optical glass, on the outer side surface of which a reflective coating is applied, and a dielectric film is applied to its refractive surface on the side of incident radiation in the form of a circular zone, providing an annular radiation pattern of reflected radiation, characterized in that

the reflective reflector is made in the form of a hollow conical volumetric body with an opening angle of the outer side reflecting surface equal to 90 degrees;

a dielectric film providing an annular radiation pattern is applied to the inner surface of the wall of a conical volumetric body;

a transparent thin film is applied to the outer side reflecting surface of a hollow conical volumetric body under a reflective coating, having a relative refractive index n and a thickness d, ensuring the receipt of reflected rays in a given wavelength range λ of the optical spectrum in accordance with the formula d=(mλ±λ/2) /2/(0.5n ² +0.5n(n ² -0.5) ^0.5 -0.125) ^0.5 , where m is the number of full wavelengths passing through the film.

2. Reflective reflector according to claim 1, characterized in that the wall of the hollow conical volumetric body has the same thickness.

3. The reflective reflector according to claim 1, characterized in that the wall of the hollow conical volumetric body has an uneven thickness with the formation of a rounded or flat area inside the cone closer to the apex.

4. A reflective reflector that returns electromagnetic radiation of the optical range incident on it in the opposite direction, made of a transparent solid material, for example, quartz or optical glass, on the outer side surface of which a reflective coating is applied, and a dielectric film is applied to its refractive surface on the side of incident radiation in the form of a circular zone, providing an annular radiation pattern of reflected radiation, characterized in that

the top of the outer part of the conical volumetric body is made rounded with a radius of curvature that ensures the concentration of electromagnetic waves of the optical range at the required distance,

in this case, the wall of the hollow conical volumetric body has an uneven thickness with the formation of a rounded or flat area inside the cone closer to the apex;