利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学领域，涉及一种利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩束的 方法。
【背景技术】
[0002] 角锥棱镜，又称角反射器或后向角反射器，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Ro,此时，地面激光器发射的光束难以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> R〇，便可确保探测器能成功接收到反射光束。
[0003] -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
顶点〇,即三个直角面分别为(^、(^、(^，则每个直角面的斜边长为^ 则顶点0距离入射面ABC的距离为H〇，
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 = 3iD2/4。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。
[0004] 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。
[0005] 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 0与入射面ABC的距离减小Δ h至0 '，则Z AO ' B、Z AO ' C、Z BO ' C三个角度的值变为
h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ΒΚ7材料，且δ小范围变化时，Θ ? 〇. 013 X δ。含角误差的角锥棱镜 为非标准角锥棱镜。
[0006] 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Ν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
其中η为除基准棱镜1外其它角锥棱镜的编号，η = 2， 3……Ν)。则在远场处能得到6Ν个子光束，为等间隔分布。6Ν个子光束因衍射效应能形成圆 周较为均匀的实心光斑，但圆周均匀性仍小于1，扩散半角为Θ。
[0007] 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】
[0008] 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 一种利用凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束扩散的方法，既提高反射光斑辐照强度圆周 均匀性，又有效降低加工成本。
[0009] 本发明实现反射光束扩散的步骤分为四步：
[0010] 第一步，由反射面积确定圆切割标准角锥棱镜及凹透镜的通光口径。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，由用户直接给出。为了共形，凹 透镜的通光口径与圆切割标准角锥棱镜的通光口径D相等。
[0011] 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角锥棱镜低得多。
[0012] 第三步，根据反射光束的扩散半角θ(θ值为设计目标值，由用户直接给出），设计加 工通光口径为D、厚度为d、曲率半径分别为1^和1^ 2的凹透镜。厚度d为凹透镜中心处的厚 度，其不会影响本发明中的反射光束发散半角，无特殊要求，只需保证机械强度即可；曲率 半径R cl和心2分别为凹透镜两个曲面的半径。凹透镜关于其中心轴00'圆周旋转对称。该凹 透镜具有对平行光进行扩束的作用，本发明对反射光束的扩散半角Θ依赖于凹透镜的曲率 半径1^和1?。 2。当曲率半径增大，反射光束的扩散半角减小。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，得到反射光束扩散半角Θ与凹透镜曲率 半径1^和1?。 2的确切关系。在光学仿真软件初始条件中，可以设Rc^iRc^icUtane，其中么为 反射光束远场光斑与凹透镜的距离。通过光学仿真软件，计算得到反射光束的扩散半角θ:， 若θι〈目标值Θ，则增大^或!^;若θχ〉目标值Θ，则减小，直至θχ =目标值Θ，完成优化 设计。在对凹透镜入射曲面和出射曲面无特殊需求的运用场合中，可以将凹透镜的一个曲 率半径(Ra亦可以是D设计为无穷大，通过调节另一个曲率半径使反射光束的设计值等 于目标值Θ。
[0013] 第四步，将凹透镜和圆切割标准角锥棱镜组装在一起。凹透镜的对称轴经过圆切 割标准角锥入射面的中心点，即凹透镜中心轴与圆切割标准角锥棱镜入射面垂直。凹透镜 靠近圆切割标准角锥棱镜一侧的曲面中心点与圆切割标准角锥棱镜入射面的距离为do，
.Rc为凹透镜靠近圆切割标准角锥棱镜一面的曲率半径：曲率半径 为Rcl的一面靠近圆切割标准角锥棱镜时，Rc = Rcl;当曲率半径为Rc2的一面靠近圆切割标准 角锥棱镜时，Κ = 若要求组装后装置紧凑：
，此时凹透镜边 缘与圆切割标准角锥棱镜入射面贴合。当R。为无穷大时，靠近圆切割标准角锥棱镜一侧的 曲面变为平面，此时do可取0,即凹透镜与圆切割标准角锥棱镜入射面完全贴合。入射光线 经过凹透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凹 透镜后出射。
[0014] 凹透镜和圆切割标准角锥棱镜组装后，圆切割标准角锥棱镜负责对光束进行反 射，凹透镜负责对光束进行扩散，反射光在远场(探测器处)形成一个半径为R(R = ds · tan Θ，其中ds为远场即探测器与凹透镜的距离）的实心光斑，而不是像角误差方法一样，只要将 探测器放置在距离激光器小于等于R的圆周任意位置处，都能探测到反射光，因此能提高远 场处探测器的探测概率。另外，本发明相对角误差方法有两