CN109597155B - 一种方形下凹阶梯回复反射器及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方形下凹阶梯回复反射器及其阵列，该方形下凹阶梯回复反射器包括由上至下依次衔接的多层方形阶梯层，所述的方形阶梯层中轴线相互重合，各方形阶梯层四周逐步向下方底面中心凹进，每层方形阶梯层在四角内侧分别形成一个立方角回复反射器。与现有技术相比，本发明方形下凹阶梯回复反射器及其阵列较一般的单立方角回复反射器具有扩大的工作视场角，且在入光口面积一定的情况下提高可回射入射光的有效工作面积，在便携式设备中作为光接收器的应用具有很大的意义。

Description

一种方形下凹阶梯回复反射器及其阵列

技术领域

本发明涉及一种回复反射器，尤其是涉及一种方形下凹阶梯回复反射器及其阵列。

背景技术

回复反射器(Retro-flector)目前已广泛应用于安全生产、自行车灯、道路交通标识当中。立方角回复反射器如图1所示，它将三面反射镜互相垂直放置，形成一个立体角，从而用三个90°角将入射的光束原方向反射回去。区别于平面镜只有在入射光线与平面镜垂直时才会将光线原方向反射回去，回复反射器结构可以保证在一定范围内从不同角度入射的光束都可以原路返回，扩大回复反射器接收并反射光束的角度范围。

回复反射器除广泛应用于交通器材领域以保证行车安全外，还可以应用于长腔激光器结构中。如图2所示，在长腔激光器的两端放置回复反射器，光子在回复反射器之间就可以无关入射角地反复反射振荡，反向反射器接收范围内的光束被多次折返进入增益介质进行放大，最终在谐振腔内产生了一束受激辐射的谐振光束。根据回复反射器的特点，两个回复反射器之间可以在广角范围内形成一个谐振腔，从而自动地生成对准线，无须专门设计对准装置，因此，发送端和接收端之间形成的谐振光束可以在无机电系统运动控制的情况下实现自对准。此外，任何进入两个回复反射器瞄准线范围(即激光谐振腔)的异物将阻挡光子的路线，破坏正反馈的形成，自动切断谐振光束。因此由回复反射器构成的长腔激光器可以应用于无线能量传输系统，实现自动对准且安全的高功率能量传输。

回复反射器结构可以保证在一定范围内从不同角度入射的光束都可以原路返回，扩大回复反射器接收并反射光束的角度范围。然而，使用单个回复反射器，其所能反射的光束的入射角度以及光源的距离依然受到限制。事实上，若单个回复反射器的直角边为l，其有效反射面积为

左右，最大接收角仅为40°左右，超过该角度会使一部分光线在一个或两个反射面折射，造成较大的光能损失。因此，为提高光源位置与距离的灵活性，增大回复反射器光学结构回射入射光束的有效面积和入射光的入射角度范围，将多个回复反射器进行排列组合是必要的。这种组合可以是简单的线性组合或平面组合，核心目的是为了增大有效反射面积和入射光接受角的范围，且在设计过程中满足在整体结构面积一定的情况下，尽可能增大有效面积和角度，同时避免复杂的工艺需求和光学限制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方形下凹阶梯回复反射器及其阵列。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种方形下凹阶梯回复反射器，该方形下凹阶梯回复反射器包括由上至下依次衔接的多层方形阶梯层，所述的方形阶梯层中轴线相互重合，各方形阶梯层四周逐步向下方底面中心凹进，每层方形阶梯层在四角内侧分别形成一个立方角回复反射器。

所述的方形阶梯层包括四个方形条状侧墙和一个方形环状底面，所述的四个方形条状侧墙依次连接形成方形围墙，相邻两个方形条状侧墙互相垂直，所述的方形环状底面设置在方形围墙下方且四个方形条状侧墙均垂直于所述的方形环状底面，所述的方形围墙底部边缘与方形环状底面外圈吻合连接；

在多层方形阶梯层中，下一层的方形阶梯层的方形围墙顶部边缘与上一层的方形阶梯层的方形环状底面内圈吻合连接。

所述的方形条状侧墙和方形环状底面均由反射性材料制成。

所述的方形阶梯层为实心立方体，所述的实心立方体为透光立方体；

在多层方形阶梯层叠加体中，从上到下每一层实心立方体四周边长逐步递减，形成倒金字塔状阶梯结构，所述的倒金字塔状阶梯结构的侧表面和下表面镀有反射膜。

一种方形下凹阶梯回复反射器阵列，所述的回复反射器阵列包括多个方形下凹阶梯回复反射器，所述的方形下凹阶梯回复反射器按设定规则排列形成阵列。

所述的方形下凹阶梯回复反射器阵列集成于便携设备并作为光接收器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明方形下凹阶梯回复反射器通过立体结构设计，使得回复反射器的入射光接收范围在平面上得以拓展，在入光口面积一定的情况下，该回复反射器结构可以提供最大接收和反射入射光的有效工作面积，单个立方角回复反射器在回射入射光时，所能成功回射的入射光的入射角度(工作视场角)存在一定的限制，通过对立方角回复反射器特殊的排列组合，构成新的结构，可以增大工作视场角；

(2)本发明每一层阶梯层可形成4个立方角回复反射器，而在垂直维度，根据深度和阶梯层数，可以在各层形成若干个立方角回复反射器结构，较一般的单立方角回复反射器具有扩大的工作视场角，且在入光口面积一定的情况下提高可回射入射光的有效工作面积；

(3)本发明方形下凹阶梯回复反射器结构以及设计思想对回复反射器在便携式设备中作为光接收器的应用具有很大的意义，通过对方形下凹阶梯回复反射器的排列组合，将方形下凹阶梯回复反射器以多种组合方案集成至便携设备，可以再次提高设备接收光的有效工作面积。

附图说明

图1为立方角回复反射器的结构示意图；

图2为回复反射器在长腔激光器中的应用结构示意图；

图3为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器的结构示意图；

图4为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器的方形阶梯层的结构示意图；

图5为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器的方形环状底面的结构示意图；

图6为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器结构单角示意图；

图7为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器的剖面图；

图8为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器的俯视图；

图9为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器阵列的结构示意图；

图10为实施例1中方形下凹阶梯回复反射器应用示意图；

图11为实施例2中方形下凹阶梯回复反射器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例1

如图3所示，一种方形下凹阶梯回复反射器，该方形下凹阶梯回复反射器包括由上至下依次衔接的多层方形阶梯层，方形阶梯层中轴线相互重合，各方形阶梯层四周逐步向下方底面中心凹进，每层方形阶梯层在四角内侧分别形成一个立方角回复反射器。

方形阶梯层包括四个方形条状侧墙和一个方形环状底面，四个方形条状侧墙依次连接形成方形围墙，相邻两个方形条状侧墙互相垂直，方形环状底面设置在方形围墙下方且四个方形条状侧墙均垂直于方形环状底面，方形围墙底部边缘与方形环状底面外圈吻合连接；在多层方形阶梯层中，下一层的方形阶梯层的方形围墙顶部边缘与上一层的方形阶梯层的方形环状底面内圈吻合连接。方形条状侧墙和方形环状底面均由反射性材料制成。

具体地，图3～图5中方形下凹阶梯回复反射器由反射性材料制成(全反射或部分反射)，包括内侧面和外侧面，其中内侧面可以反射光线。该反射器结构为四面向下凹进的阶梯构成，具体可以看作由多层四面围成的阶梯组成。每一层方形阶梯层由四个平面(方形条状侧墙)构成阶梯侧面，阶梯侧面如四面相连的围墙，相邻侧面之间互相垂直连接，共同构方形围墙；一个方形环状底面构成阶梯底面，构成方形围墙的四面均与方形环状底面垂直连接。如图3中，A、B、C、D四面构成单层阶梯的围墙侧面，方形环状的E面构成单层阶梯的底面。其中A面和B面垂直，B面和C面垂直，C面和D面垂直，D面和A面垂直，并且，A、B、C、D四面均和E面垂直。因此由A、B、C、D、E可构成第一层阶梯层F。下层台阶的形状尺寸和上层方形环状底面的内圈形状尺寸一致，即上层的方形环状底面的内圈和下层的围墙侧面紧密衔接构成一级台阶。如图3中，方形阶梯层G围墙侧面的上边缘和方形阶梯层F的底面E的内圈的形状吻合，紧密连接。这样方形阶梯层F即和方形阶梯层G吻合相接，以此类推，方形阶梯层F和方形阶梯层G相接，方形阶梯层I和方形阶梯层H相接，形成四周逐步向下方底面中心凹进的层层阶梯。图3只是用于对方形下凹阶梯回复反射器的结构设计思想进行描述，事实上，该结构的长、宽、层数、层高没有限制，可以根据实际需求改变。

本实施例方形下凹阶梯回复反射器结构单角示意图如图6所示，它由一层层全反射或部分反射的反射镜组成的阶梯构成，这样每一层的顶角处都能实现三面反射镜垂直的立方角回复反射器结构(如图中虚线圆圈标注)，从而各个立方角均可将入射的光束原方向反射回去。此外，光束经过任何互相垂直(不一定相邻)的三个台阶底面或侧面均可产生如同立方角回复反射器的反向反射效果。每一层阶梯都会存在四个这样的立方角回复反射器结构，而每增加一层阶梯都可以增加这样的四个立方角回复反射器。通过该方形下凹阶梯结构的设计，在一定的入光口面积的情况下，能尽可能多的增加回复反射器的个数，当部分立方角被遮挡时，如有其他立方角的视野没有被遮挡，则整体器件依旧可以提供回复反射功能，所以该回复反射结构设计具有更高的有效工作面积。

本实施例方形下凹阶梯回复反射器正面剖面图如图7所示，每一层左、右侧均形成立方角回复反射器。单个立方角回复反射器在二维上剖面上只能有90°的视角，也就是说只有在视角范围内的入射光才能被反向反射。而如图7所示，仅最顶部的左右两个提供90度的视场角的立方角回复反射器组合，位置相对，即可供提供接近180°(实际视场角由两侧立方角的距离决定)的反向反射视场角。而如图3中立体结构中仅第一层四个相对的立方角回复反射器即可提供几乎整个上部方向的视野的视场角。

本实施例方形下凹阶梯回复反射器俯视图如图8所示，其方型结构意味着每一层阶梯可以形成四个回复反射器结构。一方面，该结构使得整体面积上实现了尽可能大的有效工作视场角；另一方面，通过在深度上扩展，使得一定范围内回复反射器的个数显著增加，除了提高入射光束接受角的范围，还保证在某个立方角被遮挡时，其他立方角依旧可提供回复反射功能，增加了有效工作面积。此外，在通过垂直维度的扩展提高有效工作面积和工作视场角的设计思想下，该方型结构可以被扩展为十字形等更复杂的多直角形结构，以使目标的实现结果更加理想。

综合图3～图8可知，该结构在竖直方向，由一面面反射镜互相垂直放置构成阶梯状；阶梯长度依次递减，每一层平面放置的反射镜为面积递减的梯形结构，上层梯形的顶边作为下层梯形的底边；每一层竖直放置的四面反射镜，在连接处依然互相垂直，即每一层竖直放置的四面镜子共形成四个直角结构，和水平放置的反射镜一起，构成四个回复反射器结构。

如图9所示，一种方形下凹阶梯回复反射器阵列，回复反射器阵列包括多个上述方形下凹阶梯回复反射器，方形下凹阶梯回复反射器按设定规则排列形成阵列。阵列面整体上可以是任意规则或不规则的平面或曲面。多个方形下凹阶梯状回复反射器构成的回复反射阵列可以进一步增加有效工作面积。当某些部分被遮挡时，其他部分的回复反射器均可以提供有效的回复反射功能，将入射的光束进行反向反射。

上述方形下凹阶梯回复反射器阵列可应用于交通器材领域以保证行车安全，同时可应用于安全生产等领域。此外，回复反射器结构在激光器中替代高反射镜和输出耦合镜以实现自对准和更为稳定的激光输出。另外，方形下凹阶梯回复反射器因其可以在较小面积上集成尽可能多的回复反射器，提高入射光接收角的范围以及有效反射面积。故该结构可以集成在便携移动设备的上方，在不影响用户使用体验的前提下作为光接收器，接收入射光束以完成可能的信息或能量的接收。本实施例中方形下凹阶梯回复反射器阵列集成于便携设备并作为光接收器，用于接收光束以转化为信息或能量或其他用途，提供类似于光天线的功能。

具体地，如图10中的(a)所示，该方形下凹阶梯回复反射器阵列集成于设备上方，图中所示Z区域可以集成一个或多个该结构，以提供用于回复反射的更大有效工作面积。此外，如图10中的(b)所示，本专利公开的结构做成较小的尺寸，则可以集成至便携式设备的四周，在设备包边或者后盖处以一定的密集度集成该设备，便可使得设备的四周都具备接收光束的有效反射角和有效反射面积，从而提高设备对入射光束传来的信息或能量的接收能力，图10中的(b)中所示Z区域即为方形下凹阶梯回复反射器阵列的集成区域。综上，本实施例公开的结构可以灵活的集成至便携式设备或其他可能的信息或能量接收设备，可以在增大有效回复反射面积的目的下提供多种排列组合和集成的方式。

实施例2

本实施例中提供了一种方形下凹阶梯回复反射器，该方形下凹阶梯回复反射器中的方形阶梯层为实心立方体，实心立方体为透光立方体；在多层方形阶梯层叠加体中，从上到下每一层实心立方体四周边长逐步递减，形成倒金字塔状阶梯结构，所述的倒金字塔状阶梯结构的侧表面和下表面镀有反射膜。由此，形成实心的方形下凹阶梯回复反射器。其余均与实施例1相同。

如图11所示，该实施例方形下凹阶梯回复反射器侧表面M2和下表面M3镀有反射膜，上表面M1和实心内部均可以完全透光。因此，当光束从上表面M1入射到实心结构内部后，将被内侧面反射，实现上述方形下凹回复反射器原理，形成回复反射功能。

本实施例一种方形下凹阶梯回复反射器阵列，类似实施例1中的方形下凹阶梯回复反射器阵列，回复反射器阵列包括多个方形下凹阶梯回复反射器，本实施例中方形下凹阶梯回复反射器为上述实心的方形下凹阶梯回复反射器，其余均与实施例1相同。另外，本实施例一种方形下凹阶梯回复反射器阵列的应用方式也与实施例1相同。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (3)

1.一种方形下凹阶梯回复反射器，其特征在于，该方形下凹阶梯回复反射器包括由上至下依次衔接的多层方形阶梯层，所述的方形阶梯层中轴线相互重合，各方形阶梯层四周逐步向下方底面中心凹进，每层方形阶梯层在四角内侧分别形成一个立方角回复反射器；

所述的方形阶梯层包括如下两种组成形式中的一种：

一、方形阶梯层包括四个方形条状侧墙和一个方形环状底面，所述的四个方形条状侧墙依次连接形成方形围墙，相邻两个方形条状侧墙互相垂直，所述的方形环状底面设置在方形围墙下方且四个方形条状侧墙均垂直于所述的方形环状底面，所述的方形围墙底部边缘与方形环状底面外圈吻合连接；

在多层方形阶梯层中，下一层的方形阶梯层的方形围墙顶部边缘与上一层的方形阶梯层的方形环状底面内圈吻合连接，所述的方形条状侧墙和方形环状底面均由反射性材料制成；

二、方形阶梯层为实心立方体，所述的实心立方体为透光立方体；

在多层方形阶梯层叠加体中，从上到下每一层实心立方体四周边长逐步递减，形成倒金字塔状阶梯结构，所述的倒金字塔状阶梯结构的侧表面和下表面镀有反射膜。

2.一种方形下凹阶梯回复反射器阵列，其特征在于，所述的方形下凹阶梯回复反射器阵列包括多个如权利要求1所述的方形下凹阶梯回复反射器，所述的方形下凹阶梯回复反射器按设定规则排列形成阵列。

3.根据权利要求2所述的一种方形下凹阶梯回复反射器阵列，其特征在于，所述的方形下凹阶梯回复反射器阵列集成于便携设备并作为光接收器。

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