专利名称：球对称梯度折射率微珠阵列反射器的制作方法
技术领域：
本发明属于目标跟踪及仪器技术领域，特别是一种具有高逆反射率，大入射角，定向逆反射特性的球对称梯度折射率微珠阵列反射器。
背景技术：
逆反射合作目标广泛应用于激光探测，卫星测距，空间对接，跟踪测量系统中，合作目标的后向反射特性严重影响探测系统的作用距离，测量精度和跟踪精度。传统的后向反射合作目标主要有角锥棱镜反射器，“猫眼”反射器和玻璃微珠反射板。
角锥棱镜反射器是依靠全反射实现逆反射，只能在较小的入射角度范围内，反射光和入射光平行形成逆反射。为了增大入射角的变化范围，通常在三个直角面镀反射膜。由于材料折射率的因素，会进一步减小入射角的变化范围。在光束垂直入射情况下，根据成像关系，其有效反射面积为图1中两个等边三角形的重叠部分(即图中阴影部分)，只有这部分的入射光能发生定向逆反射。由几何关系，有效反射面积为入射面积的2/3，所以其极限逆反射率为0.667。对于角锥反射器阵列(如图2所示)，由于加工误差和衍射效应的影响，反射率还会降低。由于角锥反射器的非对称性，其逆反射率随入射角和入射的方位变化，不同入射角和不同入射方位，其逆反射率不同，但入射角一般都较小，不超过60°。
猫眼逆反射器一般由两个不同半径的玻璃半球组成，两个半球对心胶合在一起。为使猫眼具有逆反射的特性，必须要求猫眼前半球的像方焦点落在后半球的球面上，并在后半球表面镀上反射膜。对于近轴光线，经前半球聚焦后落在后半球的球面上，在后半球球面上发生反射，此时相当于从前半球的像方焦点处发出一束光，故出射光线平行于入射光线，即具有逆反射性。偏离光轴的光线经后表面反射后将以一定的发散角回射，并且发散角随偏离光轴的高度变化而变化。因此，猫眼反射器的反射率较低，在垂直入射情况下，最大反射率小于50％，并且随作用距离增大，反射率还要降低。对于球形猫眼逆反射器，其折射率一般在1.9～2.0之间，如日本国家计量研究院采用折射率为1.9997的光学玻璃制作了直径为60mm的完整球形猫眼；英国国家物理研究院采用折射率为2.0000±0.0001的材料制作了球形猫眼，该种猫眼应用于激光跟踪干涉系统时，精度指标大大优于双半球结构的普通猫眼。球形猫眼反射器逆反射原理如图3所示，只有经过球心和某一特定角度的入射光线经后表面完全逆反射，其它反射光和入射光成一定夹角汇聚或发散，其发散程度与入射角度和反射器的材料有关。由于发散角的影响，猫眼反射器不适用于作用距离变化范围大的情况。
玻璃微珠阵列反射板是由一系列小玻璃珠组成，玻璃珠的后半球镀反射膜，直径通常在2～200微米，反射光的发散度取决于微珠的固有特性，玻璃微珠阵列反射板的极限反射率为50％左右，考虑到微珠的分布特性及加工误差和衍射，反射率还要大大降低。
上述逆反射器由于其形状和材料折射率的限制，存在入射角变化范围小，逆反射率低的特点。对于特定的应用场合，只能通过合理选择反射器的材料，形状及尺寸来进行优化设计，以满足需要。
发明内容
为了克服上述已有逆反射器的不足之处，以满足大入射角、远距离激光探测和跟踪，以及轻量化和片式结构的需求，本发明提出了一种球梯度折射率微珠阵列反射器。
本发明的技术解决方案是一种球对称梯度折射率微珠阵列反射器，阵列的每个微珠具有Luneburg透镜的折射率分布形式，微珠的后表面镀反射膜，并嵌入粘接层中，粘接层与粘附层相连。
本发明具有以下特点及良好效果传统的阵列反射器是通过改变材料和单个反射器的形状及尺寸来改变反射器的逆反射特性，本发明引入球梯度折射率材料，只是改变同一种材料的折射率分布来实现反射器的逆反射特性，这是区别现有阵列反射器制作的创新点之；本发明将球梯度折射率微珠透镜的制作方法和玻璃微珠反射膜的制作方法结合起来制作具有最佳反射特性的球梯度折射率微珠阵列反射器，这是区别现有反射器制作方法的创新点之二。
采用上述发明后，微阵列反射器具有如下显著特点1)提高了定向逆反射能力，在垂直入射情况下，极限逆反射率为1，高于微角锥阵列反射器和玻璃微珠阵列反射器。
2)和微角锥棱镜阵列反射器相比，入射角的变化范围增大，极限入射角的变化范围为-90°～90°3)和玻璃微珠阵列反射器(或猫眼反射器)相比，反射光没有发散，可以极大提高探测系统的作用距离。
图1为已有的角锥棱镜反射器光束垂直入射时的有效反射面积示意2为已有的角锥棱镜阵列反射器的示意3为已有的球形猫眼反射器逆反射原理的示意4a为本发明单个球梯度折射率微珠反射器光束垂直入射时的逆反射示意4b为本发明单个球梯度折射率微珠反射器光束斜入射时的逆反射示意5为本发明的球梯度折射率微珠阵列反射器的剖面示意6为本发明的球梯度折射率微珠阵列反射器的平面示意7大小微珠混合分布的球梯度折射率微珠阵列反射器平面示意8球梯度折射率球反射器逆反射率随入射角变化的的曲线9玻璃微珠阵列反射器和球梯度折射率微珠阵列反射器随作用距离变化的反射率曲线比较中1为入射光和逆反射光、2为球梯度折射率微珠、3为反射膜、4为粘接层、5为粘附层、6为缓冲垫、7为梯度折射率微珠的后表面、8为梯度折射率微珠的前表面具体实施方式
本发明的球对称梯度折射率微珠阵列反射器的实施例及附图详细说明如下图4a为本发明的单个球梯度折射率微珠反射器在光束垂直入射时的光路示意图。由Luneburg透镜的原理，当球体的折射率分布如式(1)时，平行光入射经球透镜折射后锐聚焦于球透镜的表面上。
n(r)=2-(rR)2---(1)]]>其中r为球体上一点到球心的距离(m)R为球体的半径(m)如果在球透镜的后表面镀反射膜，使入射光发生镜面反射，则由于球体的空间对称性，经后表面反射后，反射光与入射光平行，形成完全逆反射，入射截面与反射截面相等，逆反射率为1。平行光倾斜入射(如图4b所示)，入射角在-90。～90。变化时，仍然汇聚于球体的后表面，反射光平行于入射光，但逆反射率减小，和入射角的关系是ρ＝ρ0cos(θ)(2)其中ρ0＝1本发明的重点在于提出了折射率具有(1)式分布形式的球梯度折射率微珠阵列反射器，图5为本发明的球梯度折射率微珠阵列反射器的剖面图。图中阵列的每个微珠具有Luneburg透镜的折射率分布形式，球梯度折射率微珠2的后表面镀反射膜3，并嵌入粘接层4中，粘接层4与粘附层5相连，粘附层5的后表面有缓冲垫6，7为梯度折射率微珠的后表面、8为梯度折射率微珠的前表面。球梯度折射率微珠2，其半径可以为任意值，只要求其折射率满足(1)式要求。该种微珠的制作方法主要有两种，对于无机玻璃主要是采用离子交换技术，对于有机聚合材料主要是采用悬浮扩散共聚技术。反射膜3，通常采用真空镀铝或镀银的方法或化学镀膜的方法形成，使其具有镜面反射的功能。粘接层4，通常是由粘接能力强、热稳定性好、耐用的聚合材料组成，并且粘接层可弯曲，使其可应用于非平面的基底或者载体上。粘接层常用的材料主要有环氧树脂，丙烯酸树脂，聚氨酯橡胶等。具有双面粘附特性的粘附层5，其作用是和粘接层相连，同时也是为了粘附到具体的应用载体上。粘附层材料的选用取决于应用场合，通常要求其易弯曲，化学稳定性和热稳定性好，常用的有热熔胶，压敏熔胶等。缓冲垫6，其作用是在储存或运输的过程中起保护作用，应用到载体上时，可以去除掉，缓冲垫的材料要求其具有防腐蚀，抗冲击能力，常用的材料有人造纸，金属箔片或塑料等。微阵列反射器的制作过程采用离子交换(或悬浮扩散共聚)等技术加工出折射率具有球对称梯度分布的微珠，在优选胶带纸上按设计的分布(轴对称分布或中心对称分布等)形式紧密排列微珠，并使之陷入胶层一定深度，真空镀膜。再用强力胶布覆盖，脱出前胶带纸，并将强力胶布粘附在双面粘附层上，即成片式微珠阵列反射器。将此片式微阵列反射器通过粘附层粘附在不同形状的载体上，形成各种形状的反射器阵列。对于大小微珠混合分布的微阵列反射器(如图7所示)，先在优选胶带纸上紧密排列大微珠，并使之陷入胶层一定深度，再镶嵌小微珠，也陷入胶层一定深度，真空镀膜，再用强力胶布覆盖，脱出前胶带纸即形成大小微珠混合分布的微阵列反射器。为了使微阵列反射器的逆反射率趋于最大，应使各粒微珠的前表面(如图5中8所示)光学方向一致。
为了提高本发明的片式结构球对称梯度折射率微珠阵列反射器的逆反射率，有效利用反射板的空间，可采用大小微珠混合分布的形式，如图7所示。
由于微珠直径越接近入射光波长，其衍射效应越强，微珠阵列反射器的逆反射率随作用距离的增大，其减小的幅度也越大。因此微珠的直径不能太小，通常要求其值大于入射光波长的10倍。
图8给出了单个最佳球对称梯度折射率微珠逆反射率随入射角的变化，从图中可以看出，球梯度折射率微珠入射角的极限值为-90°～90°。目前，由于加工误差，实际的逆反射率要比理论值小。对于微珠阵列反射器，其入射角还随微珠的分布形式变化。当微珠紧密排列，且直径均匀时，其入射角的变化范围是-60°～60°。根据应用场合，合理设计微珠的分布形式，可以使微阵列反射器的逆反射率和极限入射角达到最优化。
对于半径均为0.5mm，玻璃微珠折射率为1.9997，采用相同的激光光束垂直照射两种具有相同分布形式的微珠阵列反射器，相同的接收器接收，在不考虑介质吸收和衍射效应及加工误差的情况下，得到两种微珠阵列反射器的反射率随作用距离变化的比较曲线图，如图9。从图中可以看出，玻璃微珠阵列反射器的反射率随作用距离的增大迅速减小，而球梯度折射率微珠阵列反射器的反射率随作用距离略有减小。
以上结合附图对本发明的球梯度折射率微珠阵列反射器作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种球对称梯度折射率微珠阵列反射器，其特征在于阵列的每个微珠具有Luneburg透镜的折射率分布形式，微珠的后表面镀反射膜，并嵌入粘接层中，粘接层与粘附层相连。
2.根据权利要求1所述的微珠阵列反射器，其特征在于粘附层的后表面有缓冲垫。
3.根据权利要求1或2所述的微珠阵列反射器，其特征在于平行光束入射能锐聚焦于微珠的后半球面。
4.根据权利要求1或2所述的微珠阵列反射器，其特征在于微珠的直径大于入射光波长。
5.根据权利要求4所述的微珠阵列反射器，其特征在于微珠的直径大于入射光波长的10倍。
6.根据权利要求1或2所述的微珠阵列反射器，其特征在于微珠后表面的反射膜具有镜面反射特性。
7.根据权力要求1或2所述的微珠阵列反射器，其特征在于粘接层具有延展性和柔韧性。
8.根据权利要求1或2所述的微珠阵列反射器，其特征在于粘附层具有双面粘附特性和柔韧性。
9.根据权利要求1或2所述的微珠阵列反射器，其特征在于微珠的光学方向一致。
全文摘要
本发明属于目标跟踪及仪器技术领域，特别是一种具有高逆反射率，大入射角，定向逆反射特性的球对称梯度折射率微珠阵列反射器。本发明通过采用离子交换(或悬浮扩散共聚)等技术加工出具有球梯度折射率分布的Luneburg微球透镜，在微球的后表面镀高反射膜，将其嵌入粘接层，粘接层和粘附层相连，通过粘附层粘附在不同形状的载体上，以形成形状各异的微阵列反射器。通过合理设计微珠的分布形式，可以使阵列反射器的逆反射率和入射角达到最优化。
文档编号G02B5/10GK1713002SQ20051009028
公开日2005年12月28日 申请日期2005年8月12日 优先权日2005年8月12日
发明者谭久彬, 陈浩 申请人:哈尔滨工业大学