CN105572867A - 利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法，目的是解决角误差方法在远场形成六个子光束及加工成本较高的缺陷。技术方案是先确定圆切割标准角锥棱镜及双楔形板的通光口径D，然后加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜，并根据偏转光束的偏转角θ加工通光口径为D、楔形角为α的圆切割凸双楔形板或圆切割凹双楔形板，再将双楔形板和圆切割标准角锥棱镜组装在一起，反射光束从圆切割标准角锥棱镜出射后再进入双楔形板出射，圆切割标准角锥棱镜对光束进行反射，双楔形板负责对光束进行偏转。本发明有效降低了角误差方法中子光束过多的问题，且结构简单，降低了光学元件加工难度和成本。

Description

利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法。
背景技术
角锥棱镜，又称角反射器或后向角反射器，它是一种高精度的光学元件，其基本功能是实现对入射光束的原方向返回。角锥棱镜广泛应用于光电测距和光电跟踪的合作目标、激光通信和光学变换等领域。当激光器发射的光束传输到角锥棱镜时，将被原路返回至与激光器处于同一位置的探测器，从而实现光电测距或光电跟踪。
一个标准角锥棱镜含有四个面，其中含一个入射面和三个直角面。入射面为等边三角形，边长皆为L，三个顶点可以设为A、B、C。三个直角面皆为等腰直角三角形，且共一个顶点O，即三个直角面分别为OAB、OBC、OCA，则每个直角面的斜边长为L，直角边长为则顶点O距离入射面ABC的距离为H0，一般情况下，为了便于角锥棱镜的安装，会将角锥棱镜进行圆切割，切割圆与角锥棱镜入射面的三条边相切，则内切圆的直径(亦称为通光口径)为光束正入射时角锥棱镜的反射面积为S＝πD2/4。为以示区别，将圆切割后的角锥棱镜称为圆切割标准角锥棱镜。
在一些应用场合中，角锥棱镜位于静止平台上，但激光器和探测器处于不同位置，两者间的距离为R0。采用标准的角锥棱镜难以将激光器发射的光束反射至探测器处。因此，必须采用特殊的角反射器结构或采用其他光学元件对反射光束进行偏转。由于角锥棱镜的优良特性，任意方向入射的光束都能被原方向返回，很难找到更好的光学元件替代品。因此，有学者对标准的角锥棱镜进行了结构改造，使反射光束和入射光束产生一定夹角，从而实现对反射光束的偏转。中国工程物理研究院(叶一东,彭勇,陈天江等.角锥后向反射器的数值模拟研究[J],光学学报,23(4),2003)和国防科技大学(杨雨川,罗辉.角锥棱镜后向衍射特性的Zemax分析[J],红外与激光工程,39(3),2010)等单位研究了角锥棱镜存在二面角误差时反射光束的传输特性，在远场处形成了六个子光斑，由于反射光束的衍射效应，六个子光斑能连成一体、形成半径为R的实心光斑，从而实现对反射光束的扩散。只需满足R＞R0，便可确保探测器能成功接收到反射光束。采用存在二面角误差角锥棱镜实现反射光束扩散的方法可简称为角误差方法。
角误差方法的基本思路是：保持标准角锥棱镜入射面A、B、C三点坐标不变，将顶点O与入射面ABC的距离减小Δh，可将∠AOB、∠AOC、∠BOC的角度同时增加δ，即此时三个角度的值为则有通过光学模拟软件(如美国光学模拟软件Zemax)可以得到，采用角误差为δ的角锥棱镜时，反射光束将分解为六个子光斑，由于反射光束的衍射效应，六个子光斑能连成一体、形成发散半角为θ的实心光斑，从而实现对反射光束的扩散；但该光斑在圆周上存在辐照强度差异。当角锥棱镜采用BK7材料，且δ小范围变化时，θ≈0.013×δ。含角误差的角锥棱镜为非标准角锥棱镜。
在激光器、探测器、角锥棱镜都处于相对静止的应用场合中，含角误差角锥棱镜反射形成的六个子光束空间位置确定且不会发生变化，只需将探测器放置在其中一个子光束位置即可。因此，其他五个子光束则显得多余。另外，含角误差的角锥棱镜加工及检测较为复杂，加工成本较高。因此，需要研究新的可用于静止平台上的反射光束偏转方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对在激光器、探测器和角锥棱镜处于相对静止的应用场合中，角误差方法在远场形成六个子光束及加工成本较高的缺陷，利用标准角锥棱镜光线入射点与出射点不同且关于入射面中心点对称的特性，提出一种利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法。
本发明实现反射光束偏转的步骤分为四步：
第一步，由反射面积S确定圆切割标准角锥棱镜及双楔形板的通光口径。圆切割标准角锥棱镜的通光口径S为反射面积，S为目标值，由用户直接给出。为了共形，双楔形板的通光口径与标准角锥棱镜的通光口径D相等。
第二步，加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜。由于圆切割标准角锥棱镜的加工和检测方法成熟，定制加工圆切割标准角锥棱镜的成本较含角误差的非标准角锥棱镜低得多。
第三步，根据偏转光束的偏转角θ(θ值为设计目标值，由用户直接给出)，设计加工通光口径为D、楔形角为α的圆切割凸双楔形板或圆切割凹双楔形板。常见的单楔形板形状由一个梯形向垂直于梯形平面方向拉伸得到。梯形的高度为h，梯形的底边宽度d1，顶边的宽度为d2，d1>d2。该梯形向垂直方向拉伸的长度为l(l≥2D)得到单楔形板。则单楔形板的楔形角为将梯形底边向垂直方向拉伸形成的面称为底面，则底面是边长分别为l和d1的矩形；将梯形顶边向垂直方向拉伸形成的面称为顶面，则顶面是边长分别为l和d2的矩形。
将两个相同的单楔形板的底面完全重合在一起后形成的结构称为凸双楔形板。对凸双楔形板进行圆切割，在凸双楔形板的脊，即两个单楔形板的重合面(底面)中心处，即在垂直方向l/2处，作半径为D/2的圆，并进行光学切割，则得到通光口径为D、楔形角(该楔形角与构成该凸双楔形板的2块单楔形板的楔形角是同一个角)为α的圆切割凸双楔形板。本发明实现的反射光束偏转角θ依赖双楔形板的楔形角α，研究表明，光束偏转角θ≈α/2。在具体设计中，可以利用光学仿真软件(如美国光学模拟软件Zemax)进行模拟设计，得到反射光束偏转角θ与圆切割凸双楔形板的楔形角α的确切关系。
将两个相同的单楔形板的顶面完全重合在一起后形成的结构称为凹双楔形板。对凹双楔形板进行圆切割，在凹双楔形板的脊、即两个单楔形板的重合面(顶面)的中心处，即在垂直方向l/2处，作半径为D/2的圆，并进行光学切割，则得到通光口径为D、楔形角(该楔形角与构成该凹双楔形板的2块单楔形板的楔形角是同一个角，是同一个角)为α的圆切割凹双楔形板。本发明实现的反射光束偏转角θ依赖双楔形板的楔形角α，研究表明，光束偏转角θ≈α/2。在具体设计中，可以利用光学仿真软件(如美国光学模拟软件Zemax)进行模拟设计，得到反射光束偏转角θ与圆切割凹双楔形板的楔形角α的确切关系。
圆切割凸双楔形板和圆切割凹双楔形板可以统称为圆切割双楔形板。由于对反射光束的偏转效果只与楔形角α有关，因此，在本发明中，具有相同楔形角α的凸双楔形板与凹双楔形板对反射光束的偏转效果相同，可择一使用。
第四步，将圆切割双楔形板和圆切割标准角锥棱镜组装在一起。圆切割双楔形板底面中心点O2与圆切割标准角锥棱镜入射面中心点O1连成的直线与圆切割双楔形板底面及标准角锥入射面垂直，圆切割双楔形板底面与圆切割标准角锥棱镜入射面的距离为d0，d0≥0即可；若要求组装后装置紧凑，则让d0＝0。反射光束从圆切割标准角锥棱镜出射后再进入圆切割双楔形板出射。
圆切割双楔形板和圆切割标准角锥棱镜组装在一起后，圆切割标准角锥棱镜负责对从激光器来的光束进行反射，圆切割双楔形板负责对光束进行偏转，且出射光在远场能形成两个子光束，两个子光束的距离为Lt(Lt＝d·tanθ，其中d为探测器与圆切割标准角锥棱镜的距离)。在激光器、圆切割标准角锥棱镜和探测器相对静止的应用场合中，激光器和圆切割标准角锥棱镜之间的连线，与圆切割标准角锥棱镜和探测器之间的连线成θ/2角度，即可探测到偏转后的反射光束。
本发明相对角误差方法有两个显著优点：一是有效降低了角误差方法中子光束过多的问题；二是本发明只需一个圆切割标准角锥棱镜和一块圆切割双楔形板，结构简单，降低了光学元件加工难度和成本，因此，本发明较角误差方法等已知的反射光束偏转的方法具有明显的技术优势。该方法在远场只形成两个子光束，相比含角误差角锥棱镜反射分成六个子光束的情况，降低了子光束的数量，提高了单个子光束的面积。
附图说明
图1是本发明总体流程图；
图2是入射面为圆形的圆切割标准角锥棱镜示意图，图2(a)为正视图；图2(b)是等轴视图；图2(c)是俯视图；图2(d)是右视图)；
图3是单楔形板示意图，图3(a)是仰视图；图3(b)是正视图；
图4是凸双楔形板示意图，图4(a)是仰视图；图4(b)是正视图；
图5是圆切割凸双楔形板示意图：图5(a)是仰视图；图5(b)是正视图；图5(c)是侧视图；
图6是凹双楔形板示意图：图6(a)是仰视图；图6(b)是正视图；
图7是圆切割凹双楔形板示意图：图7(a)是仰视图；图7(b)是正视图；图7(c)是侧视图；
图8是圆切割凸双楔形板与圆切割标准角锥棱镜组装图：图8(a)是三维立体图；图8(b)是F-F剖面图；
图9是圆切割凹双楔形板与圆切割标准角锥棱镜组装图：图9(a)是三维立体图；图9(b)是F-F剖面图。
具体实施方式
图1为本发明总体流程图。共含有四步：第一步，确定圆切割标准角锥棱镜及双楔形板的通光口径D；第二步，加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜；第三步，根据偏转光束的偏转角θ，设计加工通光口径为D、楔形角为α的圆切割双楔形板；第四步，将圆切割双楔形板和标准角锥棱镜进行组装。
图2为第二步中加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜结构图。其通光口径为D，即入射面圆形的直径为D。
图3为第三步中常见的单楔形板形状，图3(a)是仰视图；图3(b)是正视图。单可由一个梯形向垂直于梯形平面方向拉伸得到。梯形的高度为h，梯形的底边宽度d1，顶边的宽度为d2，d1>d2。该梯形向垂直方向拉伸的长度为l(l≥2D)得到单楔形板。则单楔形板的楔形角为将梯形底边向垂直方向拉伸形成的面称为底面，则底面是边长分别为l和d1的矩形；将梯形顶边向垂直方向拉伸形成的面称为顶面，则顶面是边长分别为l和d2的矩形。
图4为将如图3所示的两个相同的单楔形板的底面完全重合在一起后形成的凸双楔形板，图4(a)是仰视图；图4(b)是正视图。
图5为将图4的凸双楔形板进行圆切割得到的圆切割凸双楔形板，图5(a)是仰视图；图5(b)是正视图。对图4所示的凸双楔形板进行圆切割，在凸双楔形板的脊、即两个单楔形板的重合面(底面)中心处，即在垂直方向l/2处，作半径为D/2的圆，并进行光学切割，则得到通光口径为D、楔形角为α的圆切割凸双楔形板。本发明实现的反射光束偏转角θ依赖凸双楔形板的楔形角α，研究表明，光束偏转角θ≈α/2。
图6为将如图3所示的两个相同的单楔形板的底面完全重合在一起后形成的凹双楔形板，图6(a)是仰视图；图6(b)是正视图。
图7为将图6的凹双楔形板进行圆切割得到的圆切割凹双楔形板，图7(a)是仰视图；图7(b)是正视图。对图6所示的凹双楔形板进行圆切割，在凹双楔形板的脊、即两个单楔形板的重合面(顶面)中心处，即在垂直方向l/2处，作半径为D/2的圆，并进行光学切割，则得到通光口径为D、楔形角为α的圆切割凹双楔形板。
图8为第四步对圆切割凸双楔形板2和圆切割标准角锥棱镜1进行组装的示意图。圆切割凸双楔形板2底面中心点O2与圆切割标准角锥棱镜1入射面中心点O1连成的直线与圆切割凸双楔形板2底面及圆切割标准角锥棱镜1入射面垂直，圆切割凸双楔形板2底面与圆切割标准角锥棱镜1入射面的距离为d0，d0≥0即可；若要求组装后装置的紧凑性，可设d0＝0。反射光束从圆切割标准角锥棱镜1出射后再进入圆切割凹双楔形板2出射。
图9为第四步中对圆切割凹双楔形板3和圆切割标准角锥棱镜1进行组装的示意图。圆切割凹双楔形板3底面中心点O3与圆切割标准角锥棱镜1入射面中心点O1连成的直线与圆切割凹双楔形板3底面及圆切割标准角锥棱镜1入射面垂直，圆切割凹双楔形板2底面与圆切割标准角锥棱镜1入射面的距离为d0，d0≥0即可；若要求组装后装置的紧凑性，可设d0＝0。反射光束从圆切割标准角锥棱镜1出射后再进入圆切割凹双楔形板3出射。

Claims (6)

1.一种利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，由用户给的反射面积S确定圆切割标准角锥棱镜(1)及双楔形板的通光口径，圆切割标准角锥棱镜(1)的通光口径双楔形板的通光口径与标准角锥棱镜的通光口径D相等；
第二步，加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜(1)；
第三步，根据偏转光束的偏转角θ即用户给出的设计目标值，设计加工通光口径为D、楔形角为α的圆切割凸双楔形板(2)：单楔形板形状由一个梯形向垂直于梯形平面方向拉伸得到，梯形的高度为h，梯形的底边宽度d1，顶边的宽度为d2，d1>d2，该梯形向垂直方向拉伸的长度为l得到单楔形板，l≥2D；单楔形板的楔形角为将梯形底边向垂直方向拉伸形成的面称为底面，则底面是边长分别为l和d1的矩形；将梯形顶边向垂直方向拉伸形成的面称为顶面，则顶面是边长分别为l和d2的矩形；
将两个相同的单楔形板的底面完全重合在一起后形成的结构称为凸双楔形板，对凸双楔形板进行圆切割，在凸双楔形板的脊即两个单楔形板的重合面即底面的中心处，即在垂直方向l/2处，作半径为D/2的圆，并进行光学切割，则得到通光口径为D、楔形角为α的圆切割凸双楔形板(2)；
第四步，将圆切割凸双楔形板(2)和圆切割标准角锥棱镜(1)组装在一起，圆切割凸双楔形板(2)底面中心点O2与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面中心点O1连成的直线与圆切割凸双楔形板(2)底面及圆切割标准角锥棱镜(1)入射面垂直，圆切割凸双楔形板(2)底面与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面的距离为d0，d0≥0；反射光束从圆切割标准角锥棱镜(1)出射后再进入圆切割凸双楔形板(2)出射；
圆切割标准角锥棱镜负责对从激光器来的光束进行反射，圆切割凸双楔形板(2)负责对光束进行偏转，且出射光在远场能形成两个子光束，两个子光束的距离为Lt，Lt＝d·tanθ，d为探测器与圆切割标准角锥棱镜的距离。
2.一种利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，由用户给的反射面积S确定圆切割标准角锥棱镜(1)及双楔形板的通光口径，圆切割标准角锥棱镜的通光口径双楔形板的通光口径与标准角锥棱镜的通光口径D相等；
第二步，加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜(1)；
第三步，根据偏转光束的偏转角θ即用户给出的设计目标值，设计加工通光口径为D、楔形角为α的圆切割凹双楔形板(3)：单楔形板形状由一个梯形向垂直于梯形平面方向拉伸得到，梯形的高度为h，梯形的底边宽度d1，顶边的宽度为d2，d1>d2，该梯形向垂直方向拉伸的长度为l得到单楔形板，l≥2D；单楔形板的楔形角为将梯形底边向垂直方向拉伸形成的面称为底面，则底面是边长分别为l和d1的矩形；将梯形顶边向垂直方向拉伸形成的面称为顶面，则顶面是边长分别为l和d2的矩形；
将两个相同的单楔形板的顶面完全重合在一起后形成的结构称为凹双楔形板，对凹双楔形板进行圆切割，在凹双楔形板的脊、即两个单楔形板的重合面即顶面的中心处，即在垂直方向l/2处，作半径为D/2的圆，并进行光学切割，则得到通光口径为D、楔形角为α的圆切割凹双楔形板(3)；
第四步，将圆切割凹双楔形板和圆切割标准角锥棱镜组装在一起，圆切割凹双楔形板(3)底面中心点O3与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面中心点O1连成的直线与圆切割凹双楔形板(3)底面及圆切割标准角锥棱镜(1)入射面垂直，圆切割凹双楔形板(3)底面与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面的距离为d0，d0≥0；反射光束从圆切割标准角锥棱镜(1)出射后再进入圆切割凹双楔形板(3)出射；圆切割标准角锥棱镜(1)负责对从激光器来的光束进行反射，圆切割凹双楔形板(3)负责对光束进行偏转，且出射光在远场能形成两个子光束，两个子光束的距离为Lt，Lt＝d·tanθ，其中d为探测器与圆切割标准角锥棱镜的距离。
3.如权利要求1或2所述的利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法，其特征在于第三步利用光学仿真软件进行模拟设计，得到反射光束偏转角θ与圆切割凸双楔形板(2)或圆切割凹双楔形板(3)的楔形角α的确切关系。
4.如权利要求3所述的利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法，其特征在于所述光学仿真软件采用美国光学模拟软件Zemax。
5.如权利要求1或2所述的利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法，其特征在于第四步设d0＝0。
6.如权利要求1或2所述的利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法，其特征在于第四步在激光器、圆切割标准角锥棱镜和探测器相对静止的应用场合中，激光器和圆切割标准角锥棱镜之间的连线与圆切割标准角锥棱镜和探测器之间的连线成θ/2角度。
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