[發明專利]利用雙楔形板和標準角錐棱鏡實現反射光束偏轉的方法

有效

• 申請號: 201610177244.6
• 申請日: 2016-03-24
• 公開（公告）號: CN105572867B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 戚祖敏;王澤華;張軼;羅向前;周曉鳳;朱建輝;訾彥勇;吳軍杰;李揚;張耀輝
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63655部隊
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B7/18
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙)43008
• 代理人: 趙洪

技術領域

本發明屬于光學領域，涉及一種利用雙楔形板和標準角錐棱鏡實現反射光束偏轉的方法。

背景技術

角錐棱鏡，又稱角反射器或后向角反射器，它是一種高精度的光學元件，其基本功能是實現對入射光束的原方向返回。角錐棱鏡廣泛應用于光電測距和光電跟蹤的合作目標、激光通信和光學變換等領域。當激光器發射的光束傳輸到角錐棱鏡時，將被原路返回至與激光器處于同一位置的探測器，從而實現光電測距或光電跟蹤。

一個標準角錐棱鏡含有四個面，其中含一個入射面和三個直角面。入射面為等邊三角形，邊長皆為L，三個頂點可以設為A、B、C。三個直角面皆為等腰直角三角形，且共一個頂點O，即三個直角面分別為OAB、OBC、OCA，則每個直角面的斜邊長為L，直角邊長為則頂點O距離入射面ABC的距離為H₀，一般情況下，為了便于角錐棱鏡的安裝，會將角錐棱鏡進行圓切割，切割圓與角錐棱鏡入射面的三條邊相切，則內切圓的直徑(亦稱為通光口徑)為光束正入射時角錐棱鏡的反射面積為S＝πD²/4。為以示區別，將圓切割后的角錐棱鏡稱為圓切割標準角錐棱鏡。

在一些應用場合中，角錐棱鏡位于靜止平臺上，但激光器和探測器處于不同位置，兩者間的距離為R₀。采用標準的角錐棱鏡難以將激光器發射的光束反射至探測器處。因此，必須采用特殊的角反射器結構或采用其他光學元件對反射光束進行偏轉。由于角錐棱鏡的優良特性，任意方向入射的光束都能被原方向返回，很難找到更好的光學元件替代品。因此，有學者對標準的角錐棱鏡進行了結構改造，使反射光束和入射光束產生一定夾角，從而實現對反射光束的偏轉。中國工程物理研究院(葉一東,彭勇,陳天江等.角錐后向反射器的數值模擬研究[J],光學學報,23(4),2003)和國防科技大學(楊雨川,羅輝.角錐棱鏡后向衍射特性的Zemax分析[J],紅外與激光工程,39(3),2010)等單位研究了角錐棱鏡存在二面角誤差時反射光束的傳輸特性，在遠場處形成了六個子光斑，由于反射光束的衍射效應，六個子光斑能連成一體、形成半徑為R的實心光斑，從而實現對反射光束的擴散。只需滿足R＞R₀，便可確保探測器能成功接收到反射光束。采用存在二面角誤差角錐棱鏡實現反射光束擴散的方法可簡稱為角誤差方法。

角誤差方法的基本思路是：保持標準角錐棱鏡入射面A、B、C三點坐標不變，將頂點O與入射面ABC的距離減小Δh，可將∠AOB、∠AOC、∠BOC的角度同時增加δ，即此時三個角度的值為則有通過光學模擬軟件(如美國光學模擬軟件Zemax)可以得到，采用角誤差為δ的角錐棱鏡時，反射光束將分解為六個子光斑，由于反射光束的衍射效應，六個子光斑能連成一體、形成發散半角為θ的實心光斑，從而實現對反射光束的擴散；但該光斑在圓周上存在輻照強度差異。當角錐棱鏡采用BK7材料，且δ小范圍變化時，θ≈0.013×δ。含角誤差的角錐棱鏡為非標準角錐棱鏡。

在激光器、探測器、角錐棱鏡都處于相對靜止的應用場合中，含角誤差角錐棱鏡反射形成的六個子光束空間位置確定且不會發生變化，只需將探測器放置在其中一個子光束位置即可。因此，其他五個子光束則顯得多余。另外，含角誤差的角錐棱鏡加工及檢測較為復雜，加工成本較高。因此，需要研究新的可用于靜止平臺上的反射光束偏轉方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對在激光器、探測器和角錐棱鏡處于相對靜止的應用場合中，角誤差方法在遠場形成六個子光束及加工成本較高的缺陷，利用標準角錐棱鏡光線入射點與出射點不同且關于入射面中心點對稱的特性，提出一種利用雙楔形板和標準角錐棱鏡實現反射光束偏轉的方法。

本發明實現反射光束偏轉的步驟分為四步：

第一步，由反射面積S確定圓切割標準角錐棱鏡及雙楔形板的通光口徑。圓切割標準角錐棱鏡的通光口徑S為反射面積，S為目標值，由用戶直接給出。為了共形，雙楔形板的通光口徑與標準角錐棱鏡的通光口徑D相等。

第二步，加工通光口徑為D的圓切割標準角錐棱鏡。由于圓切割標準角錐棱鏡的加工和檢測方法成熟，定制加工圓切割標準角錐棱鏡的成本較含角誤差的非標準角錐棱鏡低得多。