利用凹透鏡和標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡實(shí)現(xiàn)反射光束擴(kuò)散的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種利用凹透鏡和標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡實(shí)現(xiàn)反射光束擴(kuò)束的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 角錐棱鏡，又稱角反射器或后向角反射器，是一種高精度的光學(xué)元件，其基本功能 是實(shí)現(xiàn)對入射光束的原方向返回。角錐棱鏡廣泛應(yīng)用于光電測距和光電跟蹤的合作目標(biāo)、 激光通信和光學(xué)變換等領(lǐng)域。當(dāng)激光器發(fā)射的光束傳輸?shù)浇清F棱鏡時(shí)，將被原路返回至與 激光器處于同一位置的探測器，從而實(shí)現(xiàn)光電測距或光電跟蹤。在一些特殊的應(yīng)用場合中， 角錐棱鏡固定在空中運(yùn)動(dòng)平臺（如機(jī)載和星載平臺）上，激光器和探測器位于地面不同位置 處，兩者間的距離為Ro,此時(shí)，地面激光器發(fā)射的光束難以經(jīng)過空中標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡反射至探 測器處。為提高探測概率，需將空中隨動(dòng)角錐棱鏡反射的光束擴(kuò)散為半徑為R的實(shí)心光斑 (地面位置處），只需滿足R> R〇，便可確保探測器能成功接收到反射光束。
[0003] -個(gè)標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡含有四個(gè)面，其中含一個(gè)入射面和三個(gè)直角面。入射面為等邊 三角形，邊長皆為L，三個(gè)頂點(diǎn)可以設(shè)為A、B、C。三個(gè)直角面皆為等腰直角三角形，且共一個(gè)
頂點(diǎn)〇,即三個(gè)直角面分別為(^、(^、(^，則每個(gè)直角面的斜邊長為^ 則頂點(diǎn)0距離入射面ABC的距離為H〇，
一般情況下，為了便于角錐棱鏡的安裝，會(huì) 將角錐棱鏡進(jìn)行圓切割，切割圓與角錐棱鏡入射面的三條邊相切，則內(nèi)切圓的直徑(亦稱為 通光口徑)為
光束正入射時(shí)角錐棱鏡的反射面積為S = 3iD2/4。為以示區(qū)別，將圓 切割后的標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡稱為圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡。
[0004] 由于標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡的優(yōu)良特性，任意方向入射的光束都能被原方向返回，在存在 俯仰、航向、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)角誤差的空中平臺中，很難找到更好的光學(xué)元件替代品。因此，有學(xué) 者對標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，實(shí)現(xiàn)對反射光束的擴(kuò)散。中國工程物理研究院（葉一 東，彭勇，陳天江等.角錐后向反射器的數(shù)值模擬研究[J]，光學(xué)學(xué)報(bào)，23(4)，2003)和國防科 技大學(xué)(楊雨川，羅輝.角錐棱鏡后向衍射特性的Zemax分析[J]，紅外與激光工程，39(3)， 2010)等單位研究了角錐棱鏡存在二面角誤差時(shí)反射光束的傳輸特性，在遠(yuǎn)場處形成了六 個(gè)子光斑，由于反射光束的衍射效應(yīng)，六個(gè)子光斑能連成一體、形成半徑為R的實(shí)心光斑，從 而實(shí)現(xiàn)對反射光束的擴(kuò)散。采用存在二面角誤差角錐棱鏡實(shí)現(xiàn)反射光束擴(kuò)散的方法可簡稱 為角誤差方法。
[0005] 角誤差方法的基本思路是:保持標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡入射面A、B、C三點(diǎn)坐標(biāo)不變，將頂點(diǎn) 0與入射面ABC的距離減小Δ h至0 '，則Z AO ' B、Z AO ' C、Z BO ' C三個(gè)角度的值變?yōu)?br>h與δ的關(guān)系為：
> 通過光學(xué)模擬軟件（如美國光學(xué)模擬軟件 Zemax)可以得到，采用角誤差為δ的角錐棱鏡時(shí)，反射光束將分解為六個(gè)子光斑，由于反射 光束的衍射效應(yīng)，六個(gè)子光斑能連成一體、形成發(fā)散半角為Θ的實(shí)心光斑，從而實(shí)現(xiàn)對反射 光束的擴(kuò)散;但反射光斑在圓周上存在輻照強(qiáng)度差異，可能導(dǎo)致探測器接收的反射光強(qiáng)度 忽強(qiáng)忽弱。當(dāng)角錐棱鏡采用ΒΚ7材料，且δ小范圍變化時(shí)，Θ ? 〇. 013 X δ。含角誤差的角錐棱鏡 為非標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡。
[0006] 由于角誤差方法在遠(yuǎn)場形成的光斑在圓周上存在強(qiáng)度上的差異，可能導(dǎo)致探測器 接收的反射光強(qiáng)度忽強(qiáng)忽弱，不利于實(shí)現(xiàn)對空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的閉環(huán)鎖定跟蹤，容易出現(xiàn)丟失 目標(biāo)的情況。為提高遠(yuǎn)場光斑的圓周均勻性（圓周均勻性指圓周上最小功率密度與最大功 率密度的比值，當(dāng)完全均勻時(shí)，該比值為1)，可以將Ν個(gè)相同的帶角誤差的角錐棱鏡進(jìn)行組 陣，每個(gè)角錐棱鏡的入射面處于同一平面上。組陣形式可以是圓形，也可以是其它不規(guī)則圖 形，但在組陣時(shí)，以其中任意一個(gè)角錐棱鏡為基準(zhǔn)，將其編號為1，其它角錐棱鏡以入射面的
其中η為除基準(zhǔn)棱鏡1外其它角錐棱鏡的編號，η = 2， 3……Ν)。則在遠(yuǎn)場處能得到6Ν個(gè)子光束，為等間隔分布。6Ν個(gè)子光束因衍射效應(yīng)能形成圓 周較為均勻的實(shí)心光斑，但圓周均勻性仍小于1，擴(kuò)散半角為Θ。
[0007] 采用含角誤差的角錐棱鏡陣列，角錐棱鏡個(gè)數(shù)主要取決于探測器的大小及探測器 距離角錐棱鏡的距離，探測器越小，角錐棱鏡個(gè)數(shù)越多;探測器距離角錐棱鏡越遠(yuǎn)，角錐棱 鏡個(gè)數(shù)越多。因此，利用含角誤差的角錐棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)反射光束擴(kuò)散的方法，具有結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、裝配難度系數(shù)較大的特點(diǎn)。利用該方法實(shí)現(xiàn)反射擴(kuò)散的加工成本一般較高。如何提高遠(yuǎn) 場光斑圓周均勻性及有效降低加工成本是本領(lǐng)域技術(shù)人員極為關(guān)注的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對含角誤差角錐陣列方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高的 問題，利用標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡光線入射點(diǎn)與出射點(diǎn)不同且關(guān)于入射面中心點(diǎn)對稱的特性，提出 一種利用凹透鏡和標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡實(shí)現(xiàn)反射光束擴(kuò)散的方法，既提高反射光斑輻照強(qiáng)度圓周 均勻性，又有效降低加工成本。
[0009] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)反射光束擴(kuò)散的步驟分為四步：
[0010] 第一步，由反射面積確定圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡及凹透鏡的通光口徑。圓切割標(biāo)準(zhǔn) 角錐棱鏡的通光口徑
S為反射面積，S為目標(biāo)值，由用戶直接給出。為了共形，凹 透鏡的通光口徑與圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡的通光口徑D相等。
[0011] 第二步，加工通光口徑為D的圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡。由于圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡的加 工和檢測方法成熟，定制加工圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡的成本較含角誤差角錐棱鏡低得多。
[0012] 第三步，根據(jù)反射光束的擴(kuò)散半角θ(θ值為設(shè)計(jì)目標(biāo)值，由用戶直接給出），設(shè)計(jì)加 工通光口徑為D、厚度為d、曲率半徑分別為1^和1^ 2的凹透鏡。厚度d為凹透鏡中心處的厚 度，其不會(huì)影響本發(fā)明中的反射光束發(fā)散半角，無特殊要求，只需保證機(jī)械強(qiáng)度即可；曲率 半徑R cl和心2分別為凹透鏡兩個(gè)曲面的半徑。凹透鏡關(guān)于其中心軸00'圓周旋轉(zhuǎn)對稱。該凹 透鏡具有對平行光進(jìn)行擴(kuò)束的作用，本發(fā)明對反射光束的擴(kuò)散半角Θ依賴于凹透鏡的曲率 半徑1^和1?。 2。當(dāng)曲率半徑增大，反射光束的擴(kuò)散半角減小。在具體設(shè)計(jì)中，可以利用光學(xué)仿 真軟件(如美國光學(xué)模擬軟件Zemax)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，得到反射光束擴(kuò)散半角Θ與凹透鏡曲率 半徑1^和1?。 2的確切關(guān)系。在光學(xué)仿真軟件初始條件中，可以設(shè)Rc^iRc^icUtane，其中么為 反射光束遠(yuǎn)場光斑與凹透鏡的距離。通過光學(xué)仿真軟件，計(jì)算得到反射光束的擴(kuò)散半角θ:， 若θι〈目標(biāo)值Θ，則增大^或!^;若θχ〉目標(biāo)值Θ，則減小，直至θχ =目標(biāo)值Θ，完成優(yōu)化 設(shè)計(jì)。在對凹透鏡入射曲面和出射曲面無特殊需求的運(yùn)用場合中，可以將凹透鏡的一個(gè)曲 率半徑(Ra亦可以是D設(shè)計(jì)為無窮大，通過調(diào)節(jié)另一個(gè)曲率半徑使反射光束的設(shè)計(jì)值等 于目標(biāo)值Θ。
[0013] 第四步，將凹透鏡和圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡組裝在一起。凹透鏡的對稱軸經(jīng)過圓切 割標(biāo)準(zhǔn)角錐入射面的中心點(diǎn)，即凹透鏡中心軸與圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡入射面垂直。凹透鏡 靠近圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡一側(cè)的曲面中心點(diǎn)與圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡入射面的距離為do，
.Rc為凹透鏡靠近圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡一面的曲率半徑：曲率半徑 為Rcl的一面靠近圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡時(shí)，Rc = Rcl;當(dāng)曲率半徑為Rc2的一面靠近圓切割標(biāo)準(zhǔn) 角錐棱鏡時(shí)，Κ = 若要求組裝后裝置緊湊：
，此時(shí)凹透鏡邊 緣與圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡入射面貼合。當(dāng)R。為無窮大時(shí)，靠近圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡一側(cè)的 曲面變?yōu)槠矫?，此時(shí)do可取0,即凹透鏡與圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡入射面完全貼合。入射光線 經(jīng)過凹透鏡后進(jìn)入圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡，反射光束從圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡出射后再進(jìn)入凹 透鏡后出射。
[0014] 凹透鏡和圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡組裝后，圓切割標(biāo)準(zhǔn)角錐棱鏡負(fù)責(zé)對光束進(jìn)行反 射，凹透鏡負(fù)責(zé)對光束進(jìn)行擴(kuò)散，反射光在遠(yuǎn)場(探測器處)形成一個(gè)半徑為R(R = ds · tan Θ，其中ds為遠(yuǎn)場即探測器與凹透鏡的距離）的實(shí)心光斑，而不是像角誤差方法一樣，只要將 探測器放置在距離激光器小于等于R的圓周任意位置處，都能探測到反射光，因此能提高遠(yuǎn) 場處探測器的探測概率。另外，本發(fā)明相對角誤差方法有兩