專利名稱：導(dǎo)向信標(biāo)顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于顯示一定方向的高精度儀器。
與本發(fā)明相關(guān)的裝置在美國專利4，474，430、4，166，699及3，604，813中曾有揭示，而美國專利4，629，325對上述專利裝置的結(jié)構(gòu)及其缺點(diǎn)作了論述，并做了進(jìn)一步改進(jìn)裝置由兩只屏(光柵)構(gòu)成，一只屏在前，一只屏在后，在屏上用透明間隙將不透明線分隔開來。兩只屏上不透明線具有相同寬度，而不透明線的間距不同，在一只屏上透明間隙的寬度完全相同，這兩只屏中至少有一只從中間彎成鈍角。在屏面寬度相同的情況下，一只屏上不透明線比另一只屏上不透明線少一條，在多一條不透明線的那只屏上，透明間隙的寬度加上不透明線的寬度大于或等于不透明線寬度的1.5倍，但要小于1.9倍，改變這個倍數(shù)可控制屏上所形成莫爾條紋的寬度。一只屏上中心的不透明線總是與另一只屏上中心處的透明間隙重疊，在后屏的后邊配置鈉燈或高壓燈之類光源，當(dāng)沿垂直于屏的方向上觀察該裝置時，屏上就會出現(xiàn)一條豎直的黑條紋，當(dāng)偏出垂直于屏的方向時屏上就會出現(xiàn)一條箭頭狀條紋，箭頭方向與觀察者偏離的方向相反，從而達(dá)到導(dǎo)向作用。
上述專利中所涉及到的裝置，在理論上應(yīng)用了莫爾效應(yīng)，即屏上的條紋是由兩只屏上透明間隙和不透明線的重迭而形成的莫爾條紋。根據(jù)莫爾效應(yīng)理論可知，當(dāng)前后光柵周期分別為T1、T2并且光柵刻線平行時，得到莫爾條紋間距為m＝ (T1T2)/(T1-T2) ，
要加大莫爾條紋的間距，直至在正對屏?xí)r只能看到一條條紋，就必須使T1-T2很小，這就導(dǎo)致在屏寬一定時則一只屏上的不透明線比另一只屏上的不透明線多一條，從而得到在此屏寬下T1-T2的極小值，這將給屏的加工帶來很大困難，因?yàn)橐筎1-T2極小，則要求分度十分復(fù)雜，尤其在屏較寬時難度就更大，甚至無法制造超遠(yuǎn)距離的導(dǎo)向裝置所需要的屏面。根據(jù)莫爾效應(yīng)理論分析可知，莫爾條紋是由兩只光柵上柵線的幾何投影形成的，因此成像在屏上的莫爾條紋的寬度不會隨觀察距離而變化，這樣使觀察者對其距導(dǎo)向裝置的距離不能做定量判斷，而且由于受人眼最小分辨角的限制，上述導(dǎo)向裝置只具有一定的有效作用距離，要保證在遠(yuǎn)距離下使用則必須加大屏幕，這就給加工上造成極大困難。此外，該裝置對于條紋寬度與整個屏寬之比(最大為1∶3)，在調(diào)整方法上是單一的。
本發(fā)明的任務(wù)是采用莫爾技術(shù)與Lau效應(yīng)相結(jié)合的方法，使所設(shè)計的導(dǎo)向儀器不僅能使觀察者可在超遠(yuǎn)距離內(nèi)觀察到指明其偏出方向的干涉條紋，而且可使干涉條紋的條數(shù)和寬度將隨觀察距離而變化，同時還可定量給出偏離導(dǎo)向線的距離。另一個任務(wù)是使光柵的加工工藝簡單，容易制造，從而可降低儀器成本，以廣泛用于導(dǎo)航、導(dǎo)向。
本發(fā)明任務(wù)的實(shí)施方案如下儀器主要由前后兩只屏(光柵)構(gòu)成，其中一只屏為平面，另一只屏從中間被彎成鈍角，在屏上由透明間隙將不透明線分割開來，本發(fā)明的特征在于前后兩只屏的分度相同，即光柵周期T(光柵上透明間隙加上不透明線的寬度之和)相同，一只屏上一條透明間隙與另一只屏上一條透明間隙的寬度之和≤T，兩只屏之間必須保持一定距離k，而k值應(yīng)滿足Lau效應(yīng)的成像條件，同時彎成鈍角的屏其鈍角應(yīng)背向另一只平面屏。
按照以上方案，本發(fā)明采用以下兩種配置方法圖1為本發(fā)明的第一種配置方法，在每只屏1、2上由透明間隙3將不透明線4分隔開來，屏1作為前屏，屏2作為后屏，從箭頭5的方向看去兩只屏是一前一后相重迭的，用緊固的方法將兩只屏固定在儀器的外殼上，在后屏2的后面配置鈉燈或高壓燈光源。屏2從中間被彎折成鈍角，其角度在120°～178°之間，角度大小則根據(jù)儀器的靈敏度來決定，靈敏度即觀察者偏離導(dǎo)向儀器后而儀器所顯示的干涉系紋圖樣發(fā)生變化的靈敏度，角度小的時候，偏離導(dǎo)向儀器很小即可使干涉條紋圖樣發(fā)生變化，角度大時，偏離導(dǎo)向儀器足夠大時才使干涉條紋圖樣發(fā)生變化。兩只屏之間相距為k，k值應(yīng)滿足Lau效應(yīng)的成像(光柵成像)條件，即k= (a)/(β) · (T2)/(λ)式中α、β為正整數(shù)，T為光柵周期，λ為光源光的波長。改變k值可改變干涉條紋的寬度，這是保證干涉條紋具有高對比度的措施之一。設(shè)前屏1上一條透明間隙的寬度為h1，后屏2上一條透明間隙寬度為h1，則h1+h2≤T這樣可使干涉條紋具有良好的對比度。
圖2為本發(fā)明的第二種配置方法，屏6為前屏，屏7為后屏，其他條件與第一種配置方方法完全相同。
按照本發(fā)明的儀器，當(dāng)觀察者在導(dǎo)向線上(即正對屏1或6)，隨觀察距離由小到大時，所觀察到屏面上條紋圖樣將由多條對稱條紋(圖3)逐漸變成一條豎直的黑色條紋(圖4)，并且隨著距離的增加，條紋越來越寬。當(dāng)觀察者位于導(dǎo)向線左側(cè)時，隨著觀察距離的增加，屏面上由多條箭頭狀條紋(圖5)逐漸變成幾條寬的黑色箭頭狀條紋(圖6)，條紋的寬度將隨觀察距離的增加而增加。另外條紋箭頭的角度將隨觀察者偏離導(dǎo)向線距離的增加而減少(即箭頭變銳)。干涉條紋箭頭不僅指明了回到導(dǎo)向線的方向，而且由箭頭角度的大小還可使觀察者定量判明其偏離導(dǎo)向線的距離。當(dāng)觀察者位于導(dǎo)向線右側(cè)時，儀器屏面條紋圖樣除了箭頭向左指向外，其他變化情況和上述相同，如圖7和圖8所示，箭頭同樣指明了回到導(dǎo)向線的方向。
本發(fā)明儀器中光柵的配置方法是采用了莫爾技術(shù)和Lau效應(yīng)相結(jié)合的方法。
用一擴(kuò)展光源S照明兩塊相距一定距離k(k= (a)/(β) · (T2)/(λ) )并且光柵周期T相同的光柵G1、G2(如圖9所示)，在距光柵無窮遠(yuǎn)處能觀察到平行的干涉條紋，這一現(xiàn)象稱為Lau效應(yīng)。用菲涅耳衍射理論及部分相干傳遞函數(shù)進(jìn)行分析可知，Lau效應(yīng)所產(chǎn)生的條紋(Lau條紋)的周期為TL∝ (T)/(B) (L)/(K) (1)式中T-光柵周期，L-觀察距離，β-Lau成像條件中的β值，k-兩光柵間的距離。Lau條紋的亮紋寬度為W∝ (h1L)/(k) + (h2L)/(k) (2)式中h1-光柵G1的透明間隙寬度，h2-光柵G2的透明間隙寬度，L-觀察距離，k-兩光柵間的距離。
由(1)、(2)兩式可知，Lau條紋的周期和條紋寬度與觀察距離L成正比，當(dāng)L較小時，條紋周期小，寬度窄，在光柵G屏面上就出現(xiàn)多條平行的干涉條紋，隨L的增加，條紋的周期和寬度也增加，當(dāng)條紋周期T大于光柵屏面寬度時，屏面上只能出現(xiàn)一條粗的黑色條紋。這一現(xiàn)象與由莫爾效應(yīng)所產(chǎn)生的莫爾條紋具有本質(zhì)區(qū)別，Lau條紋是由干涉產(chǎn)生的條紋，而莫爾條紋則為簡單的幾何投影所形成的條紋，與觀察距離無關(guān)。本發(fā)明儀器光柵的配置方法采用了Lau效應(yīng)方法，與圖9中的配置方法所不同的是將其中一只光柵從中間彎折成鈍角，實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，這種情況所產(chǎn)生的Lau條紋不再是平行的干涉條紋，而是由具有一定形狀的干涉條紋構(gòu)成的圖樣，但條紋的周期和寬度與觀察距離成正比的性質(zhì)不變。
本發(fā)明儀器光柵的配置方法還應(yīng)用了鏡面莫爾輪廓法，在圖10中當(dāng)一光柵G1與一平面鏡M成角放置時，經(jīng)漫射光照射光柵G1，則G1與其在鏡面中的虛像疊合而產(chǎn)生莫爾條紋，現(xiàn)將入射光l1和反射光l3與光柵G1交點(diǎn)的橫坐標(biāo)x1、x3代入莫爾條紋的序數(shù)方程x3-x1＝NT (3)式中N-莫爾條紋級次，T-光柵周期，由(3)式可標(biāo)出N。如果將圖10中的平面鏡M換成和G1周期相同的光柵G2，并以擴(kuò)展光源照射G2、G1，在G1前方仍可觀察到莫爾條紋。為了得到高對比度且有一定形狀的莫爾條紋，采用本發(fā)明中圖1和圖2的光柵配置法，兩光柵間的距離k必須滿足Lau效應(yīng)的成像條件，現(xiàn)用透射光線代替上述的l1、l3并認(rèn)為兩條透射光線滿足l1，l3所遵從的反射定律。將坐標(biāo)原點(diǎn)取在前光柵1或6的中心處，豎直軸為y軸，建立這兩條透射光線的直線方程，求出它們與前光柵交點(diǎn)的橫坐標(biāo)x1、x3，代入莫爾序數(shù)方程后則可得到下面方程x=NT［ 1+ytgα(K+L)cos2α - ytgα-LK + L +ytgα］]]>(4)式中x-第N級條紋的橫坐標(biāo)，y-第N級條紋的縱坐標(biāo)，k-兩光柵間的距離，α＝ (180°-φ)/2 ，φ-光柵1或6所彎折成的純角，N-條紋級次，取N＝0，±1，±2，……，T-光柵周期，L-觀察距離。
由(4)式可知，當(dāng)T、α、k給定后則可確定屏上所觀察到的條紋圖樣，如觀察者在導(dǎo)向線上時所觀察到的條紋圖樣如圖11所示。當(dāng)y＝0，N＝1時，則(4)式為X=T1-LK+L=(K+L)TK=TO]]>(5)(5)式則為在屏高1/2處沿水平方向上的條紋周期，將其定義為T0。比較(5)式和(1)式可以發(fā)現(xiàn)，它們具有類似的性質(zhì)，即條紋周期和觀察距離L成正比。
(5)式還可定量給出觀察者偏離導(dǎo)向線的距離△x，當(dāng)觀察者偏離導(dǎo)向線時，屏面上的條紋會隨之移動，當(dāng)屏面上的條紋由零級變?yōu)榈贜級時，偏差距離則為
△x＝NT。
按本發(fā)明的儀器，亦可估算出觀察者至導(dǎo)向儀器的距離，將T0隨L的變化情況可近似表示為△TO= (TO)/(L)△T即為單位長度上條件間距T0的變化量，則L= (TO)/(△TO) (6)例如若屏寬為40cm，L＝100m，T、k為一定值時，按(5)式可算得T＝50cm，△T＝ 0.5/100 ＝0.5×10-2m，因此觀察者在導(dǎo)向線上時，就只能觀察到一條條紋。當(dāng)屏上出現(xiàn)三條條紋時，T0＝ 40/2 ＝20cm，則L＝ 0.2/(0.5×10-2) ＝40m。
本發(fā)明儀器由于采用了莫爾技術(shù)與Lau效應(yīng)相結(jié)合的方法來配置光柵，因此克服了現(xiàn)有導(dǎo)向裝置只采用莫爾技術(shù)來配置光柵的某些缺點(diǎn)，觀察者不僅可在超遠(yuǎn)距離內(nèi)觀察到指明其偏離方向的干涉條紋，而且可使干涉條紋的條數(shù)和寬度將隨觀察距離而變化，同時還可定量給出觀察者距導(dǎo)向儀器的距離及偏離導(dǎo)向線的距離。另外由于兩只光柵的周期是相同的，因此加工工藝簡單，容易制造，從而降低了儀器的成本，可廣泛用于導(dǎo)航、導(dǎo)向。


圖1為本發(fā)明儀器中光柵的第一種配置方法，1為前屏，2為后屏，屏2從中間被彎折成120°～178°角，從箭頭5的方向看去兩屏一前一后相重迭，圖中3為透明間隙，4為不透明線，k為兩只屏之間的距離，k值滿足Lau效應(yīng)的成像條件。圖2為本發(fā)明儀器中光柵的第二種配置方法，6為前屏，7為后屏，屏6從中間彎折成120°～178°角，從箭頭8的方向看去兩只屏一前一后相重迭，3為透明間隙，4為不透明線，k為兩只屏之間的距離，k值滿足Lau效應(yīng)的成像條件。
圖3和圖4是觀察者在導(dǎo)向線上并且觀察距離由近到遠(yuǎn)時所觀察到的儀器屏上的條紋圖樣。
圖5和圖6是觀察者位于導(dǎo)向線左側(cè)時并且觀察距離由近到遠(yuǎn)時所觀察到的儀器屏上的條紋圖樣。
圖7和圖8是觀察者位于導(dǎo)向線右側(cè)時并且觀察距離由近到遠(yuǎn)時所觀察到的儀器屏上的條紋圖樣。
圖9為Lau效應(yīng)原理圖，S為擴(kuò)展光源，G1、G2為周期T相同的兩光柵，k為兩光柵間的距離，其值滿足Lau效應(yīng)的成像條件。
圖10為鏡面莫爾輪廓法的原理圖，G1為光柵，M為平面鏡，l1為入射光線，l3為反射光線。
圖11是當(dāng)觀察者在導(dǎo)向線上時，用鏡面莫爾輪廓法所描述的觀察到的條紋圖樣。
實(shí)驗(yàn)例采用圖1所示的光柵配置方法，光柵材料為有機(jī)玻璃，柵線用铇床铇制成，光柵屏面寬、高各400mm，屏2從中間被彎折成171°28′，光柵周期T＝0.33mm，h1＝0.158mm，h＝0.170mm，k＝171mm，兩只光柵用緊固方法固定在儀器的金屬外殼上，用高壓納燈做光源。儀器導(dǎo)向精度＜0.5，條紋對比度較好。
權(quán)利要求
1.一種用于顯示一定方向的儀器，主要由一前一后的兩只屏構(gòu)成，在屏上用透明間隙將不透明線分割開來，一只屏為平面，另一只屏從中間被彎折成鈍角，在后屏后面配置納燈或高壓燈光源，從而觀察儀器時就產(chǎn)生一種條紋圖樣，其特征在于兩只屏上透明間隙加上不透明線的寬度之和T相等，一只屏上一條透明間隙與另一只屏上一條透明間隙的寬度之和≤T，兩只屏之間距離為K，K值滿足Lau效應(yīng)的成像條件，兩只屏從正面看去是一前一后相重迭的，屏面設(shè)計成正對屏面由近到遠(yuǎn)觀察儀器時，由多條對稱條紋逐漸減少到一條豎直黑色條紋，并且條紋逐漸加寬。
2.按權(quán)利要求1的儀器，其特征在于彎折成鈍角的那只屏，其鈍角為120°～178°，并且鈍角背向另一只平面屏。
全文摘要
一種用于顯示一定方向的導(dǎo)向信標(biāo)顯示器，由一前一后兩只屏構(gòu)成，在屏上用透明間隙將不透明分隔開來，兩只屏上透明間隙加上不透線的寬度之和相等，一只屏為平面，另一只屏從中間彎成鈍角，鈍角背向平面屏，兩只屏間相距為k，k應(yīng)滿足Lau效應(yīng)成像條件，后屏后面配置鈉燈或高壓燈光源。觀察者不僅可在超遠(yuǎn)距離內(nèi)觀察到指明其偏離方向的干涉條紋，而且可使條紋的條數(shù)和寬度將隨觀察距離而變化，還可定量給出觀察者偏離導(dǎo)向線的距離。
文檔編號G01C21/00GK1044530SQ8910037
公開日1990年8月8日 申請日期1989年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月26日
發(fā)明者劉煥禮 申請人:中國民用航空學(xué)院