[發(fā)明專利]一種激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度的數(shù)值仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610545255.5
• 申請日: 2016-07-12
• 公開（公告）號: CN105929531B
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周輝;李松;鄭國興;田昕
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 趙麗影

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計與仿真領(lǐng)域，具體涉及一種激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度數(shù)值仿真方法，適用于激光測距合作目標(biāo)的性能指標(biāo)綜合評價。

背景技術(shù)

激光角反射器是由三個相互垂直的直角反射面和一個底面組成的實心四面體，其幾何結(jié)構(gòu)見圖1(a)所示。平面OBC、OAC和OAB為激光角反射器的直角反射面，分別以數(shù)字1、2和3來表示，平面ABC為激光角反射器的底面。通常情況下，激光角反射器底面采用圓形切割以便于實際裝配，見圖1(b)所示。當(dāng)入射激光束從激光角反射器底面入射時，將先后經(jīng)過底面的第一次折射、反射面的三次反射和底面的再次折射，以六種不同的反射次序：1→2→3、1→3→2、2→1→3、2→3→1、3→1→2、3→2→1，從底面出射。對于理想的激光角反射器而言，考慮到其特殊的幾何結(jié)構(gòu)，出射激光束將與入射激光束的方向平行，即理想激光角反射器具有定向反射特性，因此，通常其作為激光測距中的合作目標(biāo)，用于增加測距儀接收機位置處的激光強度。

激光角反射器在使用過程中，其與激光測距機之間距離遠(yuǎn)大于激光角反射器的有效口徑，因此，出射激光束必然受到衍射效應(yīng)的制約，即在激光測距儀接收機位置處接收到的激光強度是激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度。由于激光角反射器在加工制造過程會出現(xiàn)二面直角誤差和面形誤差，若偏振入射激光束傾斜入射至激光角反射器底面時，則激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度的分布將受到激光角反射器幾何參數(shù)、光束入射條件和接收區(qū)域有關(guān)。

建立如圖2所示的坐標(biāo)框架，包括激光角反射器棱坐標(biāo)系和底面坐標(biāo)系、接收屏坐標(biāo)系，其中，激光角反射器棱坐標(biāo)系的原點位于頂點處，其xl軸、yl軸和zl軸分別與激光角反射器直角邊重合；底面坐標(biāo)系的原點位于底面中心，zf軸與底面的法線方向平行，yf軸是yl軸在底面的投影，xf軸與yf軸和zf軸構(gòu)成右手螺旋法則；接收屏坐標(biāo)系的原點是入射激光束中心與接收屏的交點，zr軸與入射激光束方向平行，xr軸和yr軸位于接收屏范圍內(nèi)。因此，在距離激光角反射器底面d₀位置處所接收到的遠(yuǎn)場衍射強度可以表示為：

其中，為入射激光束在激光角反射器底面上的入射角，λ為入射激光束的波長，k＝2π/λ，Σ為激光角反射器的有效衍射區(qū)域，E_p(xf,yf)和E_s(xf,yf)分別為出射激光束在激光角反射器底面上的p波和s波光場分量，r是激光角反射器底面上的點(xf,yf)與接收屏上的點(xr,yr)之間的距離。考慮到激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度的計算模型不存在解析解，并且其受到的影響因素較多，因此，構(gòu)建完善的激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度的綜合仿真方法是十分復(fù)雜和困難的。

近些年來，已經(jīng)有一些關(guān)于激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度仿真的報道，如在垂直入射并忽略入射激光束偏振態(tài)條件下的遠(yuǎn)場衍射強度分析(聶輝,等.角錐棱鏡的遠(yuǎn)場衍射特性.光學(xué)學(xué)報,23(12):1470-1474,2003)、在忽略面形誤差和入射激光束偏振效應(yīng)的遠(yuǎn)場衍射強度數(shù)值模擬(葉一東,等.角錐后向反射器的數(shù)值模擬研究.光學(xué)學(xué)報,23(4):485-490,2003)、在垂直入射并忽略激光角反射器加工誤差的遠(yuǎn)場衍射強度仿真(Murphy T W,et al.Polarization and far-field diffraction patterns of total internal reflection corner cubes.Applied optics,52(2):117-126,2013.)，這些仿真方法是在僅考慮影響激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度分布的部分因素前提下，利用相應(yīng)的假設(shè)近似來獲得激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度的分布規(guī)律。采用這些方法僅能仿真得到滿足某些特定激光角反射器的幾何參數(shù)或測量條件的遠(yuǎn)場衍射強度的仿真，無法實現(xiàn)激光角反射器實際使用過程中的遠(yuǎn)場衍射強度的真實仿真。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有仿真方法所存在的問題：提出一種綜合考慮激光角反射器實際加工過程中的二面直角誤差、面形誤差和倒棱等誤差參數(shù)，實際使用過程中的光束傾斜效應(yīng)和激光偏振態(tài)效應(yīng)等因素，通過入射激光束和接收屏的離散劃分以及光線的追跡方法，仿真得到非理想條件下激光角反射器遠(yuǎn)場衍射強度的數(shù)值，以實現(xiàn)對激光角反射器實際使用性能的精確評估。

本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：