[发明专利]利用圆锥镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法

说明书

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