[发明专利]一种激光角反射器远场衍射强度的数值仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于光学设计与仿真领域，具体涉及一种激光角反射器远场衍射强度数值仿真方法，适用于激光测距合作目标的性能指标综合评价。

背景技术

激光角反射器是由三个相互垂直的直角反射面和一个底面组成的实心四面体，其几何结构见图1(a)所示。平面OBC、OAC和OAB为激光角反射器的直角反射面，分别以数字1、2和3来表示，平面ABC为激光角反射器的底面。通常情况下，激光角反射器底面采用圆形切割以便于实际装配，见图1(b)所示。当入射激光束从激光角反射器底面入射时，将先后经过底面的第一次折射、反射面的三次反射和底面的再次折射，以六种不同的反射次序：1→2→3、1→3→2、2→1→3、2→3→1、3→1→2、3→2→1，从底面出射。对于理想的激光角反射器而言，考虑到其特殊的几何结构，出射激光束将与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，通常其作为激光测距中的合作目标，用于增加测距仪接收机位置处的激光强度。

激光角反射器在使用过程中，其与激光测距机之间距离远大于激光角反射器的有效口径，因此，出射激光束必然受到衍射效应的制约，即在激光测距仪接收机位置处接收到的激光强度是激光角反射器远场衍射强度。由于激光角反射器在加工制造过程会出现二面直角误差和面形误差，若偏振入射激光束倾斜入射至激光角反射器底面时，则激光角反射器远场衍射强度的分布将受到激光角反射器几何参数、光束入射条件和接收区域有关。

建立如图2所示的坐标框架，包括激光角反射器棱坐标系和底面坐标系、接收屏坐标系，其中，激光角反射器棱坐标系的原点位于顶点处，其xl轴、yl轴和zl轴分别与激光角反射器直角边重合；底面坐标系的原点位于底面中心，zf轴与底面的法线方向平行，yf轴是yl轴在底面的投影，xf轴与yf轴和zf轴构成右手螺旋法则；接收屏坐标系的原点是入射激光束中心与接收屏的交点，zr轴与入射激光束方向平行，xr轴和yr轴位于接收屏范围内。因此，在距离激光角反射器底面d₀位置处所接收到的远场衍射强度可以表示为：

其中，为入射激光束在激光角反射器底面上的入射角，λ为入射激光束的波长，k＝2π/λ，Σ为激光角反射器的有效衍射区域，E_p(xf,yf)和E_s(xf,yf)分别为出射激光束在激光角反射器底面上的p波和s波光场分量，r是激光角反射器底面上的点(xf,yf)与接收屏上的点(xr,yr)之间的距离。考虑到激光角反射器远场衍射强度的计算模型不存在解析解，并且其受到的影响因素较多，因此，构建完善的激光角反射器远场衍射强度的综合仿真方法是十分复杂和困难的。

近些年来，已经有一些关于激光角反射器远场衍射强度仿真的报道，如在垂直入射并忽略入射激光束偏振态条件下的远场衍射强度分析(聂辉,等.角锥棱镜的远场衍射特性.光学学报,23(12):1470-1474,2003)、在忽略面形误差和入射激光束偏振效应的远场衍射强度数值模拟(叶一东,等.角锥后向反射器的数值模拟研究.光学学报,23(4):485-490,2003)、在垂直入射并忽略激光角反射器加工误差的远场衍射强度仿真(Murphy T W,et al.Polarization and far-field diffraction patterns of total internal reflection corner cubes.Applied optics,52(2):117-126,2013.)，这些仿真方法是在仅考虑影响激光角反射器远场衍射强度分布的部分因素前提下，利用相应的假设近似来获得激光角反射器远场衍射强度的分布规律。采用这些方法仅能仿真得到满足某些特定激光角反射器的几何参数或测量条件的远场衍射强度的仿真，无法实现激光角反射器实际使用过程中的远场衍射强度的真实仿真。

发明内容

本发明主要是解决现有仿真方法所存在的问题：提出一种综合考虑激光角反射器实际加工过程中的二面直角误差、面形误差和倒棱等误差参数，实际使用过程中的光束倾斜效应和激光偏振态效应等因素，通过入射激光束和接收屏的离散划分以及光线的追迹方法，仿真得到非理想条件下激光角反射器远场衍射强度的数值，以实现对激光角反射器实际使用性能的精确评估。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：