CN105589205A - 利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法 - Google Patents

利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，目的是既提高反射光斑辐照强度圆周均匀性，又降低加工成本。技术方案是先确定圆切割标准角锥棱镜及凹透镜的通光口径D；接着加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜和凹透镜；将凹透镜和圆切割标准角锥棱镜组装在一起，凹透镜中心轴与圆切割标准角锥棱镜入射面垂直，圆切割标准角锥棱镜对光束进行反射，凹透镜对光束进行扩散，反射光在探测器处形成一个实心光斑。本发明解决了角误差方法中反射光斑辐照强度圆周不均匀导致反射光强度忽强忽弱的问题，且只需一个圆切割标准角反射器和凹透镜，结构简单，降低了光学元件的个数和加工难度，降低了加工成本。

Description

利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩束的方法。
背景技术
角锥棱镜，又称角反射器或后向角反射器，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。在一些特殊的应用场合中，角锥棱镜固定在空中运动平台(如机载和星载平台)上，激光器和探测器位于地面不同位置处，两者间的距离为R0，此时，地面激光器发射的光束难以经过空中标准角锥棱镜反射至探测器处。为提高探测概率，需将空中随动角锥棱镜反射的光束扩散为半径为R的实心光斑(地面位置处)，只需满足R＞R0，便可确保探测器能成功接收到反射光束。
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，将圆切割后的标准角锥棱镜称为圆切割标准角锥棱镜。
由于标准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，在存在俯仰、航向、滚转等姿态角误差的空中平台中，很难找到更好的光学元件替代品。因此，有学者对标准角锥棱镜进行了结构改造，实现对反射光束的扩散。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。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至O’，则∠AO’B、∠AO’C、∠BO’C三个角度的值变为则Δh与δ的关系为：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；但反射光斑在圆周上存在辐照强度差异，可能导致探测器接收的反射光强度忽强忽弱。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。
由于角误差方法在远场形成的光斑在圆周上存在强度上的差异，可能导致探测器接收的反射光强度忽强忽弱，不利于实现对空中运动目标的闭环锁定跟踪，容易出现丢失目标的情况。为提高远场光斑的圆周均匀性(圆周均匀性指圆周上最小功率密度与最大功率密度的比值，当完全均匀时，该比值为1)，可以将N个相同的带角误差的角锥棱镜进行组阵，每个角锥棱镜的入射面处于同一平面上。组阵形式可以是圆形，也可以是其它不规则图形，但在组阵时，以其中任意一个角锥棱镜为基准，将其编号为1，其它角锥棱镜以入射面的法线为轴旋转角度其中n为除基准棱镜1外其它角锥棱镜的编号，n＝2，3……N)。则在远场处能得到6N个子光束，为等间隔分布。6N个子光束因衍射效应能形成圆周较为均匀的实心光斑，但圆周均匀性仍小于1，扩散半角为θ。
采用含角误差的角锥棱镜阵列，角锥棱镜个数主要取决于探测器的大小及探测器距离角锥棱镜的距离，探测器越小，角锥棱镜个数越多；探测器距离角锥棱镜越远，角锥棱镜个数越多。因此，利用含角误差的角锥棱镜阵列实现反射光束扩散的方法，具有结构复杂、装配难度系数较大的特点。利用该方法实现反射扩散的加工成本一般较高。如何提高远场光斑圆周均匀性及有效降低加工成本是本领域技术人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对含角误差角锥阵列方法结构复杂、加工成本高的问题，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，提出一种利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，既提高反射光斑辐照强度圆周均匀性，又有效降低加工成本。
本发明实现反射光束扩散的步骤分为四步：
第一步，由反射面积确定圆切割标准角锥棱镜及凹透镜的通光口径。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，凹透镜的通光口径与圆切割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角锥棱镜低得多。
第三步，根据反射光束的扩散半角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、厚度为d、曲率半径分别为Rc1和Rc2的凹透镜。厚度d为凹透镜中心处的厚度，其不会影响本发明中的反射光束发散半角，无特殊要求，只需保证机械强度即可；曲率半径Rc1和Rc2分别为凹透镜两个曲面的半径。凹透镜关于其中心轴OO’圆周旋转对称。该凹透镜具有对平行光进行扩束的作用，本发明对反射光束的扩散半角θ依赖于凹透镜的曲率半径Rc1和Rc2。当曲率半径增大，反射光束的扩散半角减小。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，得到反射光束扩散半角θ与凹透镜曲率半径Rc1和Rc2的确切关系。在光学仿真软件初始条件中，可以设Rc1＝Rc2＝dstanθ，其中ds为反射光束远场光斑与凹透镜的距离。通过光学仿真软件，计算得到反射光束的扩散半角θ1，若θ1<目标值θ，则增大Rc1或Rc2；若θ1>目标值θ，则减小Rc1或Rc2，直至θ1＝目标值θ，完成优化设计。在对凹透镜入射曲面和出射曲面无特殊需求的运用场合中，可以将凹透镜的一个曲率半径(Rc2，亦可以是Rc1)设计为无穷大，通过调节另一个曲率半径使反射光束的设计值等于目标值θ。
第四步，将凹透镜和圆切割标准角锥棱镜组装在一起。凹透镜的对称轴经过圆切割标准角锥入射面的中心点，即凹透镜中心轴与圆切割标准角锥棱镜入射面垂直。凹透镜靠近圆切割标准角锥棱镜一侧的曲面中心点与圆切割标准角锥棱镜入射面的距离为d0， Rc为凹透镜靠近圆切割标准角锥棱镜一面的曲率半径：曲率半径为Rc1的一面靠近圆切割标准角锥棱镜时，Rc＝Rc1；当曲率半径为Rc2的一面靠近圆切割标准角锥棱镜时，Rc＝Rc2。若要求组装后装置紧凑，可设此时凹透镜边缘与圆切割标准角锥棱镜入射面贴合。当Rc为无穷大时，靠近圆切割标准角锥棱镜一侧的曲面变为平面，此时d0可取0，即凹透镜与圆切割标准角锥棱镜入射面完全贴合。入射光线经过凹透镜后进入圆切割标准角锥棱镜，反射光束从圆切割标准角锥棱镜出射后再进入凹透镜后出射。
凹透镜和圆切割标准角锥棱镜组装后，圆切割标准角锥棱镜负责对光束进行反射，凹透镜负责对光束进行扩散，反射光在远场(探测器处)形成一个半径为R(R＝ds·tanθ，其中ds为远场即探测器与凹透镜的距离)的实心光斑，而不是像角误差方法一样，只要将探测器放置在距离激光器小于等于R的圆周任意位置处，都能探测到反射光，因此能提高远场处探测器的探测概率。另外，本发明相对角误差方法有两个显著优点：一是本发明在远场的反射光斑严格圆周旋转对称，很好地解决了角误差方法中反射光斑辐照强度圆周不均匀，导致探测器接收反射光强度忽强忽弱的问题；二是本发明只需一个圆切割标准角反射器和凹透镜，结构简单，既降低了光学元件的个数和加工难度，也相应简化了支撑光学元件的机械结构复杂程度及加工成本。因此，本发明较角误差方法等已知的反射光束扩散的方法具有明显的技术优势。
附图说明
图1是本发明总体流程图；
图2是入射面为圆形的标准角锥棱镜(圆切割的标准角锥棱镜)图2(a)是正视图；图2(b)是等轴视图；图2(c)是俯视图；图2(d)是右视图；
图3是凹透镜示意图；
图4是凹透镜与标准角锥棱镜组装图：图4(a)是三维立体图；图4(b)是F-F剖面图。
具体实施方案
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凹透镜的通光口径；第二步，加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜；第三步，设计加工通光口径为D、厚度为d、曲率半径分别为Rc1和Rc2的凹透镜；第四步，将凹透镜和圆切割标准角锥棱镜组装在一起。
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，其入射面是直径为D圆形。图2(a)是圆切割标准角锥棱镜的正视图；图2(b)是圆切割标准角锥棱镜的等轴视图；图2(c)是圆切割标准角锥棱镜的俯视图；图2(d)是圆切割标准角锥棱镜的右视图。
图3为第三步中设计加工通光口径为D、厚度为d、曲率半径分别为Rc1和Rc2的凹透镜。厚度d为凹透镜中心处的厚度，其不会影响本发明中的反射光束发散半角，无特殊要求，只需保证机械强度即可；曲率半径Rc1和Rc2分别为凹透镜两个曲面的半径。凹透镜关于其中心轴OO’圆周旋转对称。该凹透镜具有对平行光进行扩束的作用，本发明对反射光束的扩散半角θ依赖于凹透镜的曲率半径Rc1和Rc2。当曲率半径增大，反射光束的扩散半角减小。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，得到反射光束扩散半角θ与凹透镜曲率半径Rc1和Rc2的确切关系。在模拟软件初始条件中，可以设Rc1＝Rc2＝dstanθ，其中ds为反射光束远场光斑与凹透镜的距离。通过模拟软件，可以计算得到反射光束的扩散半角θ1，若θ1<目标值θ，则增大Rc1或Rc2；若θ1>目标值θ，则减小Rc1或Rc2，直至θ1＝目标值θ，完成优化设计。在对凹透镜入射曲面和出射曲面无特殊需求的运用场合中，可以将凹透镜的一个曲率半径(Rc2，亦可以是Rc1)设计为无穷大，通过调节另一个曲率半径使反射光束的设计值等于目标扩散半角θ。
图4为第四步中对凹透镜2和圆切割标准角锥棱镜1进行组装的示意图。图4(a)为组装后的立体示意图；图4(b)为组装后的剖面图。凹透镜2的对称轴经过圆切割标准角锥棱镜1入射面的中心点，即凹透镜2中心轴与圆切割标准角锥棱镜1入射面垂直。凹透镜2靠近圆切割标准角锥棱镜1一侧的曲面中心点与圆切割标准角锥棱镜1入射面的距离为d0，其中Rc为靠近圆切割标准角锥棱镜入射面侧的凹透镜曲面：当曲率半径为Rc1的一面靠近标准角锥棱镜1时，RC＝RC1；当曲率半径为Rc2的一面靠近圆切割标准角锥棱镜1时，RC＝Rc2。若要求组装后装置的紧凑性，可设此时凹透镜2边缘与圆切割标准角锥棱镜1入射面贴合。当Rc为无穷大时，靠近圆切割标准角锥棱镜1一侧的曲面变为平面，此时d0可取0，即凹透镜2与圆切割标准角锥棱镜1入射面完全贴合。入射光线经过凹透镜2后进入圆切割标准角锥棱镜1，反射光束从圆切割标准角锥棱镜1出射后再进入凹透镜2后出射。

Claims (6)

1.一种利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，由用户给出的反射面积S确定圆切割标准角锥棱镜(1)及凹透镜(2)的通光口径：圆切割标准角锥棱镜(1)的通光口径凹透镜(2)的通光口径与圆切割标准角锥棱镜(1)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，根据反射光束的扩散半角θ即用户给出的设计目标值，设计加工通光口径为D、凹透镜(2)中心处厚度为d、曲率半径分别为Rc1和Rc2的凹透镜(2)，Rc1和Rc2分别为凹透镜(2)两个曲面的半径，凹透镜(2)关于其中心轴OO’圆周旋转对称；
第四步，将凹透镜(2)和圆切割标准角锥棱镜(1)组装在一起：凹透镜(2)的对称轴经过圆切割标准角锥入射面的中心点，即凹透镜(2)中心轴与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面垂直；凹透镜(2)靠近圆切割标准角锥棱镜(1)一侧的曲面中心点与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面的距离为d0，Rc为凹透镜(2)靠近圆切割标准角锥棱镜(1)一面的曲率半径；曲率半径为Rc1的一面靠近圆切割标准角锥棱镜(1)时，Rc＝Rc1，当曲率半径为Rc2的一面靠近圆切割标准角锥棱镜(1)时，Rc＝Rc2；入射光线经过凹透镜(2)后进入圆切割标准角锥棱镜(1)，反射光束从圆切割标准角锥棱镜(1)出射后再进入凹透镜(2)后出射；圆切割标准角锥棱镜(1)负责对光束进行反射，凹透镜(2)负责对光束进行扩散，反射光在远场即探测器处形成一个半径为R的实心光斑，R＝ds·tanθ，其中ds为远场即探测器与凹透镜(2)的距离。
2.如权利要求1所述的利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，其特征在于第三步设计加工凹透镜(2)时，利用光学仿真软件进行模拟设计，得到反射光束扩散半角θ与凹透镜(2)曲率半径Rc1和Rc2的确切关系。
3.如权利要求2所述的利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，其特征在于所述光学仿真软件采用美国光学模拟软件Zemax。
4.如权利要求2所述的利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，其特征在于在光学仿真软件初始条件中，设Rc1＝Rc2＝dstanθ，ds为反射光束远场光斑与凹透镜(2)的距离，通过光学仿真软件计算得到反射光束的扩散半角θ1，若θ1<目标值θ，则增大Rc1或Rc2；若θ1>目标值θ，则减小Rc1或Rc2，直至θ1＝目标值θ。
5.如权利要求4所述的利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，其特征在于在对凹透镜(2)入射曲面和出射曲面无特殊需求的运用场合，将凹透镜(2)的一个曲率半径设计为无穷大，通过调节另一个曲率半径使反射光束的设计值等于目标值θ。
6.如权利要求1所述的利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，其特征在于第四步将凹透镜(2)和圆切割标准角锥棱镜(1)组装时，此时凹透镜(2)边缘与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面贴合，当Rc为无穷大时，靠近圆切割标准角锥棱镜(1)一侧的曲面变为平面，此时d0取0，即凹透镜(2)与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面完全贴合。
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