利用圓錐鏡和標準角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束擴散的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學領域，設及一種利用圓錐鏡和標準角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束擴散的 方法。
【背景技術】
[0002] 角錐棱鏡，又稱角反射器或后向角反射器，它是一種高精度的光學元件，其基本功 能是實現(xiàn)對入射光束的原方向返回。角錐棱鏡廣泛應用于光電測距和光電跟蹤的合作目 標、激光通信和光學變換等領域。當激光器發(fā)射的光束傳輸?shù)浇清F棱鏡時，將被原路返回至 與激光器處于同一位置的探測器，從而實現(xiàn)光電測距或光電跟蹤。在一些特殊的應用場合 中，角錐棱鏡固定在空中運動平臺（如機載和星載平臺）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，地面激光器發(fā)射的光束不能經(jīng)過空中標準角錐棱鏡反射 至探測器處。為提高探測概率，需將空中隨動角錐棱鏡反射的光束擴散為半徑為R的實屯、光 斑(地面位置處），只需滿足3>柏，便可確保探測器能成功接收到反射光束。
[0003] -個標準角錐棱鏡含有四個面，其中含一個入射面和Ξ個直角面。入射面為等邊 Ξ角形，邊長皆為L，^個頂點可W設為A、B、C。^個直角面皆為等腰直角Ξ角形，且共一個 頂點0,即Ξ個直角面分別為046、08(：、0〔4，則每個直角面的斜邊長為^直角邊長為^1/72。 則頂點0距離入射面ABC的距離為Ho,瑞二一般情況下，為了便于角錐棱鏡的安裝，會 將角錐棱鏡進行圓切割，切割圓與角錐棱鏡入射面的Ξ條邊相切，則內(nèi)切圓的直徑(亦稱為 通光口徑)為0 =L/VI，光束正入射時角錐棱鏡的反射面積為5 =地^4。為W示區(qū)別，將圓 切割后的標準角錐棱鏡稱為圓切割標準角錐棱鏡。
[0004] 由于標準角錐棱鏡的優(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元件替代品。因此，有學 者對標準的角錐棱鏡進行了結(jié)構(gòu)改造，實現(xiàn)對反射光束的擴散。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]，光學學報，23(4) ,2003)和國防科 技大學(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反射光束的傳輸特性，在遠場處形成了六 個子光斑，由于反射光束的衍射效應，六個子光斑能連成一體、形成半徑為R的實屯、光斑，從 而實現(xiàn)對反射光束的擴散。采用存在二面角誤差角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束擴散的方法可簡稱 為角誤差方法。
[0005] 角誤差方法的基本思路是:保持標準角錐棱鏡入射面Α、ΒΧΞ點坐標不變，將頂點 0與入射面ABC的距離減小Δ h至0'，則Ζ Α0' Β、Ζ Α0' C、ΖΒ0' CS個角度的值變?yōu)閊 + 5，則Δ h與δ的關系為
適過光學模擬軟件（如美國光學模擬軟件 Zemax)可W得到，采用角誤差為δ的角錐棱鏡時，反射光束將分解為六個子光斑，由于反射 光束的衍射效應，六個子光斑能連成一體、形成發(fā)散半角為θ的實屯、光斑，從而實現(xiàn)對反射 光束的擴散;但反射光斑在圓周上存在福照強度差異，可能導致探測器接收的反射光強度 忽強忽弱。當角錐棱鏡采用服7材料，且δ小范圍變化時，Θ a 0.013 X δ。含角誤差的角錐棱鏡 為非標準角錐棱鏡。
[0006] 由于角誤差方法在遠場形成的光斑在圓周上存在強度上的差異，可能導致探測器 接收的反射光強度忽強忽弱，不利于實現(xiàn)對空中運動目標的閉環(huán)鎖定跟蹤，容易出現(xiàn)丟失 目標的情況。為提高遠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，當完全均勻時，該比值為1)，可W將Ν個相同的帶角誤差的角錐棱鏡進行組 陣，每個角錐棱鏡的入射面處于同一平面上。組陣形式可W是圓形，也可W是其它不規(guī)則圖 形，但在組陣時，W其中任意一個角錐棱鏡為基準，將其編號為1，其它角錐棱鏡W入射面的 法線為軸旋轉(zhuǎn)角g
其中η為除基準棱鏡1外其它角錐棱鏡的編號，n = 2， 3……N)。則在遠場處能得到6N個子光束，為等間隔分布。6N個子光束因衍射效應能形成圓 周均勻性接近1的實屯、光斑，擴散半角為9。
[0007] 采用含角誤差的角錐棱鏡陣列，角錐棱鏡個數(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，角錐棱鏡個數(shù)越多;探測器距離角錐棱鏡陣列越遠，角 錐棱鏡個數(shù)越多。因此，利用含角誤差的角錐棱鏡陣列實現(xiàn)反射光束擴散的方法，具有結(jié)構(gòu) 復雜、裝配難度系數(shù)較大的特點。利用該方法實現(xiàn)反射擴散的加工成本一般較高。如何提高 遠場光斑圓周均勻性及有效降低加工成本是本領域技術人員極為關注的技術問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術問題是針對含角誤差角錐陣列方法結(jié)構(gòu)復雜、加工成本高的 問題，利用標準角錐棱鏡光線入射點與出射點不同且關于入射面中屯、點對稱的特性，提出 一種利用圓錐鏡和標準角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束擴散的方法，既提高圓周均勻性，又有效降 低加工成本。
[0009] 采用本發(fā)明實現(xiàn)反射光束擴散的步驟分為四步：
[0010] 第一步，由反射面積確定圓切割標準角錐棱鏡及圓錐鏡的通光口徑。圓切割標準 角錐棱鏡的通光口徑0 = S為反射面積，S為目標值，直接給出。為了共形，圓錐鏡的 通光口徑與圓切割標準角錐棱鏡的通光口徑D相等。
[0011] 第二步，加工通光口徑為D的圓切割標準角錐棱鏡。由于圓切割標準角錐棱鏡的加 工和檢測方法成熟，定制加工圓切割標準角錐棱鏡的成本較含角誤差的非標準角錐棱鏡低 的多。
[0012] 第Ξ步，根據(jù)反射光束的擴散半角θ(θ值為設計目標值，直接給出）設計加工通光 口徑為D、錐角為α的圓錐鏡。表征圓錐鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有Ξ個，分別是通光口徑D，錐角α 和高度h。圓錐鏡關于其中屯、軸線00'旋轉(zhuǎn)對稱。一般情況下，為增加圓錐鏡的高度，常規(guī)的 圓錐鏡含有一段高為ho、口徑為D的圓柱體。則圓錐鏡的高度h包含兩部分，目化= ho+Ah，ho 為圓錐鏡中圓柱部分的高度，其中Ah為圓錐面的垂直高度。圓錐鏡關于中屯、軸旋轉(zhuǎn)對稱， 共有Ξ個面，底面為圓形，側(cè)面為圓柱面，頂面為圓錐面。圓錐鏡在通過中屯、軸的任意剖面 的形狀為兩個相同梯形的相加，兩個梯形關于中屯、軸鏡面對稱。梯形的底邊長度為ho+Ah, 頂邊的長度為ho,高為D/2。當兩個梯形的頂邊重合時，為凹圓錐鏡的剖面圖，w該剖面的對 稱軸00'為中屯、軸圓周旋轉(zhuǎn)所形成的體即為凹圓錐鏡；當梯形的底邊重合時，為凸圓錐鏡的 剖面圖，W該剖面的對稱軸00'為中屯、軸圓周旋轉(zhuǎn)所形成的體即為凸圓錐鏡。凹圓錐鏡和凸 圓錐鏡統(tǒng)稱為圓錐鏡。兩個梯形斜邊形成的角度為圓錐鏡的錐角α(0°<α<180°)，則有
本發(fā)明實現(xiàn)的反射光束擴散半角Θ依賴圓錐鏡的錐角α，研究表明，反射光 束擴散半角Θ S (π-α)/2。在具體設計中，可W利用光學仿真軟件（如美國光學模擬軟件 Zemax)進行模擬設計，得到反射光束擴散角Θ與圓錐鏡的錐角α的確切關系。
[0013] 第四步，將圓錐鏡和圓切割標準角錐棱鏡組裝在一起。將凹圓錐鏡底面中屯、點化 或凸圓錐鏡底面中屯、點化與圓切割標準角錐棱鏡入射面中屯、點化連成的直線與圓錐鏡底面 及標準角錐入射面垂直，圓錐鏡底面與圓切割標準角錐棱鏡入射面的距離為do,do含0即可； 若要求組裝后裝置緊湊，可設do = 0。入射光線經(jīng)過圓錐鏡后進入圓切割標準角錐棱鏡，反 射光束從圓切割標準角錐棱鏡出射后再進入圓錐鏡后出射。
[0014] 圓錐鏡和圓切割標準角錐棱鏡組裝在一起后，圓切割標準角錐棱鏡負責對光束進 行反射，圓錐鏡負責對光束進行擴散，且出射光在遠場(探測器處)能形成一個半徑為R(R= ds ·化ηθ，其中ds為遠場即探測器與圓錐鏡的距離）的福照強度均勻的圓帶，只要將探測器 放置在距離激光器為R的圓周任意位置處，都能探測得到強度均勻的反射光束。
[0015] 本發(fā)明相對角誤差方法有兩個顯著優(yōu)點：一是本發(fā)明在遠場的反射光斑嚴格圓周 旋轉(zhuǎn)對稱，很好地解決了角誤差方法中反射光斑福