[发明专利]一种基于面形补偿的角锥棱镜设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程光学领域中的一种棱镜设计方法，特别适合激光测长系统中用作合作目标的角锥棱镜的设计。

背景技术

角锥棱镜，又称角反射器或角体合作目标，是由三个相互垂直的平面构成的四面体棱锥。其顶点是三个相互垂直棱的交点，底部为一等边三角形。通常情况下，底部等边三角形的三个角并不保留，而是按内接圆方式对其进行切割。因此，棱镜底部表面常常是圆形。

棱镜的直角表面称为反射面，底部表面称为透射面或弦面，弦面与三个棱的夹角相等。反射面和直角面统称为角锥棱镜的工作面。角锥棱镜共有四个工作面，其中弦面是折射面，直角面是反射面。直角表面之间的二面角误差即为角锥棱镜的二面直角误差。

角锥棱镜是一种常见的反射棱镜。对于理想的角锥棱镜而言，光线从其透射面入射后，经过三个直角反射面的依次反射，其出射光束将严格平行于入射光束，并且所有的光线在角锥棱镜中经历的光程相等，可等效于光线从透射面中心入射，经过相同的光程从底面中心出射。角锥棱镜所具有的这种定向反射特点被广泛应用于激光测距、红外跟踪、精密测量等领域，作为上述应用系统中的合作目标，可显著增加作用距离和提高测距精度。

实际的角锥棱镜不可避免地存在直角误差和表面面形(含反射面和透射面)误差，这将影响角锥棱镜的定向反射能力。角锥棱镜存在误差时，反射光束不再沿与入射光线平行反向的方向传播，而是根据其在棱镜内部反射顺序的不同，形成六束沿不同方向传播的出射光。这将导致系统测距能力和测距精度的降低。

角锥棱镜二面直角的角度误差对出射光束发散角的影响已经得到充分的研究【孙桂林，刘中本.“角锥棱镜的误差分析”.《西安工业学院学报》.Vol.10第2期.p76-81(1990)】、【欧家鸣，王瑞丽，符德军，李岩，张书练.“角度误差影响运动角锥棱镜反射特性的理论分析”.《激光技术》.Vol.22.第1期.p12-14(2001)】、【Nobuo Sugimoto，Atsushi Minato，“Retroreflector with acute dihedral angles”.《Optics Letters》，Vol.19，No.20pp.16601662(1994)】。为提高系统的测距能力和测距精度，高精度激光测长系统中对角锥棱镜三个二面直角的加工精度要求极高，允许的二面直角误差通常在1″甚至0.5″以内(苏大图.《光学测量》[M]，北京机械工业出版社)。由于直角精度要求过高，角锥棱镜的加工与检测面临很大困难。同时，基于折反射理论设计的角锥棱镜在强调极高角度精度要求的同时，基本没有定量考虑面形误差对激光测长的影响，棱镜面形精度与角度精度不配套，面形误差成为制约角锥棱镜性能提高的主要因素，同时高精度角度指标所能发挥的作用也被部分的抵消。

基于面形补偿的角锥棱镜设计方法以衍射光学为基础，将角锥棱镜视为位相型衍射器件，角锥棱镜的角度误差和面形误差共同影响出射波面的位相分布。出射的六束光波彼此间满足相干叠加条件，最终在接收面上的光场复振幅分布是六束光干涉的结果。对棱镜的角度和面形作适当的设计，可以在激光测长系统的激光发射方向上形成干涉极大，大幅提高激光测长系统中的能量利用率。

本发明分析了角锥棱镜面形误差对改变出射光场能量分布的作用，提出用角锥棱镜的弦面面形补偿角度误差的思想。目的在于降低高精度激光测长系统中角锥棱镜角度精度，使不完善棱镜得到近似理想回波成为可能。本发明具有工程实现容易，兼顾工作性能和加工成本的特点，能在不影响甚至提高测长系统测量范围和测量精度的前提下明显降低角锥棱镜的设计要求和加工难度，显著改善激光测长系统，特别是远程激光测距机的工作性能。

发明内容

针对现有设计方法将角锥棱镜二面直角精度当成影响棱镜工作性能的唯一或最主要因素，片面追求二面直角加工精度的局限性，本发明提出了角锥棱镜质量新的评价指标，提供一种基于面形补偿的角度误差校正方法，利用弦面面形的改变在不提高角锥棱镜二面直角加工精度的前提下提高激光测长系统接收的单一方位回波能量，可提高激光测长系统的工作范围和测距精度。

本发明根据激光测长系统中回波定向接收的特点，全面研究了改变光场强度的因素：

(1)忽略材料本身少量的吸收，角锥棱镜是一个纯位相器件。根据角锥棱镜内部光线轨迹，可以得到理想角锥棱镜产生的附加光程为：