CN105629484B - 利用圆锥镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用圆锥镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，目的是解决含角误差角锥阵列方法结构复杂、加工成本高的问题。技术方案是确定圆切割标准角锥棱镜及圆锥镜的通光口径；加工通光口径为D的圆切割标准角锥棱镜；设计加工通光口径为D、锥角为α的圆锥镜，圆锥镜有凹圆锥镜或凸圆锥镜2种；将圆锥镜和圆切割标准角锥棱镜组装在一起，圆切割标准角锥棱镜对光束进行反射，圆锥镜对光束进行扩散，且出射光在远场形成一个辐照强度均匀的圆带。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，导致探测器接收反射光强度忽强忽弱的问题；且本发明结构简单，降低了光学元件的个数和加工难度、加工成本。

Description

利用圆锥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，涉及一种利用圆锥镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法。

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。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不能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，有学者对标准的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均匀性接近1的实心光斑，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阵列越远，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，提出一种利用圆锥镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，既提高圆周均匀性，又有效降低加工成本。

采用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圆锥镜的通光口径。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，直接给出。为了共形，圆锥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的非标准角锥棱镜低的多。

第三步，根据反射光束的扩散半角θ(θ值为设计目标值，直接给出)设计加工通光口径为D、锥角为α的圆锥镜。表征圆锥镜的结构参数主要有三个，分别是通光口径D，锥角α和高度h。圆锥镜关于其中心轴线OO’旋转对称。一般情况下，为增加圆锥镜的高度，常规的圆锥镜含有一段高为h₀、口径为D的圆柱体。则圆锥镜的高度h包含两部分，即h＝h₀+Δh，h₀为圆锥镜中圆柱部分的高度，其中Δh为圆锥面的垂直高度。圆锥镜关于中心轴旋转对称，共有三个面，底面为圆形，侧面为圆柱面，顶面为圆锥面。圆锥镜在通过中心轴的任意剖面的形状为两个相同梯形的相加，两个梯形关于中心轴镜面对称。梯形的底边长度为h₀+Δh，顶边的长度为h₀，高为D/2。当两个梯形的顶边重合时，为凹圆锥镜的剖面图，以该剖面的对称轴OO’为中心轴圆周旋转所形成的体即为凹圆锥镜；当梯形的底边重合时，为凸圆锥镜的剖面图，以该剖面的对称轴OO’为中心轴圆周旋转所形成的体即为凸圆锥镜。凹圆锥镜和凸圆锥镜统称为圆锥镜。两个梯形斜边形成的角度为圆锥镜的锥角α(0°<α<180°)，则有本发明实现的反射光束扩散半角θ依赖圆锥镜的锥角α，研究表明，反射光束扩散半角θ≈(π-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，得到反射光束扩散角θ与圆锥镜的锥角α的确切关系。

第四步，将圆锥镜和圆切割标准角锥棱镜组装在一起。将凹圆锥镜底面中心点O₂或凸圆锥镜底面中心点O₃与圆切割标准角锥棱镜入射面中心点O₁连成的直线与圆锥镜底面及标准角锥入射面垂直，圆锥镜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，可设d₀＝0。入射光线经过圆锥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圆锥镜后出射。

圆锥镜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光束进行反射，圆锥镜负责对光束进行扩散，且出射光在远场(探测器处)能形成一个半径为R(R＝d_s·tanθ，其中d_s为远场即探测器与圆锥镜的距离)的辐照强度均匀的圆带，只要将探测器放置在距离激光器为R的圆周任意位置处，都能探测得到强度均匀的反射光束。

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标准角反射器和圆锥镜，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。该方法能在远场形成圆周光带，提高远场处探测器的探测概率，且能有效降低加工成本。

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)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是圆锥镜示意图，图3(a)是凹圆锥镜过中心轴的剖面图，图3(b)是凸圆锥镜过中心轴的剖面图；

图4是凹圆锥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；

图5是凸圆锥镜与标准角锥棱镜组装图：图5(a)是三维立体图；图5(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圆锥镜的通光口径D；第二步，加工通光口径为D的标准角锥棱镜；第三步，设计加工通光口径为D、锥角为α的圆锥镜；第四步，将圆锥镜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的标准角锥棱镜，即圆切割标准角锥棱镜。该圆切割标准角锥棱镜通光口径为D，即入射面圆形的直径为D。

图3为第三步中设计加工的通光口径为D、锥角为α的圆锥镜。圆锥镜分为凹圆锥镜和凸圆锥镜，图3(a)凹圆锥镜过中心轴的剖面图，图3(b)凸圆锥镜过中心轴的剖面图。表征圆锥镜的结构参数主要有三个，分别是通光口径D，锥角α和高度h。圆锥镜关于其中心轴线OO’旋转对称。一般情况下，为增加圆锥镜的高度，常规的圆锥镜含有一段高为h₀，口径为D的圆柱体。则圆锥镜的高度h包含两部分，即h＝h₀+Δh，其中Δh为圆锥面的垂直高度。圆锥镜关于中心轴旋转对称，共有三个面，底面为圆形，侧面为圆柱面，顶面为圆锥面。圆锥镜在通过中心轴的任意剖面的形状为两个相同梯形的相加，两个梯形关于中心轴镜面对称。梯形的底边长度为h₀+Δh，顶边的长度为h₀，高为D/2。当两个梯形的顶边重合时，为凹圆锥镜的剖面图，以该剖面的对称轴OO’为中心轴圆周旋转所形成的体即为凹圆锥镜；当梯形的底边重合时，为凸圆锥镜的剖面图，以该剖面的对称轴OO’为中心轴圆周旋转所形成的体即为凸圆锥镜。凹圆锥镜和凸圆锥镜统称为圆锥镜。两个梯形斜边形成的角度为圆锥镜的锥角α(0°<α<180°)，则有本发明实现的反射光束扩散半角θ依赖圆锥镜的锥角α，研究表明，反射光束扩散半角θ≈(π-α)/2。

图4为第四步中对凹圆锥镜2和圆切割标准角锥棱镜1进行组装的示意图。凹圆锥镜2底面中心点O₂与标准角锥棱镜1入射面中心点O₁连成的直线与凹圆锥镜2底面及圆切割标准角锥棱镜1入射面垂直，即凹圆锥镜2底面与圆切割标准角锥棱镜1的入射面平行，凹圆锥镜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。入射光线经过凹圆锥镜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出射后再进入凹圆锥镜2后出射。

图5为第四步中对凸圆锥镜3和圆切割标准角锥棱镜1进行组装的示意图。凸圆锥镜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连成的直线与凸圆锥镜3底面及圆切割标准角锥棱镜1入射面垂直，即凸圆锥镜3底面与圆切割标准角锥棱镜1的入射面平行，凸圆锥镜3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。入射光线经过凸圆锥镜3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出射后再进入凸圆锥镜3后出射。

Claims (4)

1.一种利用圆锥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)及圆锥镜的通光口径，圆切割标准角锥棱镜(1)的通光口径圆锥镜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、锥角为α的圆锥镜，表征圆锥镜的结构参数有三个，分别是通光口径D，锥角α和高度h，圆锥镜关于其中心轴线OO’旋转对称；圆锥镜的高度h包含两部分，即h＝h₀+Δh，h₀为圆锥镜中圆柱部分的高度，Δh为圆锥面的垂直高度；圆锥镜关于中心轴旋转对称，共有三个面，底面为圆形，侧面为圆柱面，顶面为圆锥面；圆锥镜在通过中心轴的任意剖面的形状为两个相同梯形的相加，两个梯形关于中心轴镜面对称；梯形的底边长度为h₀+Δh，顶边的长度为h₀，高为D/2；当两个梯形的顶边重合时，为凹圆锥镜(2)的剖面图，以该剖面的对称轴OO’为中心轴圆周旋转所形成的体即为凹圆锥镜(2)；当梯形的底边重合时，为凸圆锥镜(3)的剖面图，以该剖面的对称轴OO’为中心轴圆周旋转所形成的体即为凸圆锥镜(3)；凹圆锥镜(2)和凸圆锥镜(3)统称为圆锥镜；两个梯形斜边形成的角度为圆锥镜的锥角α，0°<α<180°，有

第四步，将圆锥镜和圆切割标准角锥棱镜(1)组装在一起：将凹圆锥镜(2)底面中心点O₂或凸圆锥镜(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连成的直线与圆锥镜底面及标准角锥入射面垂直，圆锥镜底面与圆切割标准角锥棱镜(1)入射面的距离为d₀，d₀≥0；入射光线经过圆锥镜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)出射后再进入圆锥镜后出射；圆切割标准角锥棱镜(1)负责对光束进行反射，圆锥镜负责对光束进行扩散，且出射光在远场即探测器处形成一个半径为R的辐照强度均匀的圆带，R＝d_s·tanθ，其中d_s为远场即探测器与圆锥镜的距离，将探测器放置在距离激光器为R的圆周任意位置处，都能探测得到强度均匀的反射光束。

2.如权利要求1所述的利用圆锥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圆锥镜时，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与圆锥镜的锥角α的确切关系。

3.如权利要求2所述的利用圆锥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1所述的利用圆锥镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，其特征在于第四步设d₀＝0。