[发明专利]利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法。

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。

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，将圆切割后的角锥棱镜称为圆切割标准角锥棱镜。

在一些应用场合中，角锥棱镜位于静止平台上，但激光器和探测器处于不同位置，两者间的距离为R₀。采用标准的角锥棱镜难以将激光器发射的光束反射至探测器处。因此，必须采用特殊的角反射器结构或采用其他光学元件对反射光束进行偏转。由于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，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，使反射光束和入射光束产生一定夹角，从而实现对反射光束的偏转。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。只需满足R＞R₀，便可确保探测器能成功接收到反射光束。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，可将∠AOB、∠AOC、∠BOC的角度同时增加δ，即此时三个角度的值为则有通过光学模拟软件(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；但该光斑在圆周上存在辐照强度差异。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。

在激光器、探测器、角锥棱镜都处于相对静止的应用场合中，含角误差角锥棱镜反射形成的六个子光束空间位置确定且不会发生变化，只需将探测器放置在其中一个子光束位置即可。因此，其他五个子光束则显得多余。另外，含角误差的角锥棱镜加工及检测较为复杂，加工成本较高。因此，需要研究新的可用于静止平台上的反射光束偏转方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对在激光器、探测器和角锥棱镜处于相对静止的应用场合中，角误差方法在远场形成六个子光束及加工成本较高的缺陷，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，提出一种利用双楔形板和标准角锥棱镜实现反射光束偏转的方法。

本发明实现反射光束偏转的步骤分为四步：

第一步，由反射面积S确定圆切割标准角锥棱镜及双楔形板的通光口径。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，双楔形板的通光口径与标准角锥棱镜的通光口径D相等。

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的非标准角锥棱镜低得多。