一種反射光束發(fā)散角可調(diào)的激光合作目標(biāo)設(shè)計(jì)

張棟 孟楷 孟冬 鄭建鋒

摘 要：文章分析和介紹了角錐棱鏡和玻璃微珠反射屏等激光合作目標(biāo)光學(xué)特性。為滿足不同距離激光探測(cè)設(shè)備激光探測(cè)工程應(yīng)用需求，需要激光合作目標(biāo)反射光束帶有一定的發(fā)散角。文章提出一種新型激光合作目標(biāo)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)組合使用正、負(fù)透鏡和角錐棱鏡，可以精確控制反射光束發(fā)散角，同時(shí)也能保證反射光束的原向返回。

關(guān)鍵詞：激光合作目標(biāo)；反射光束；發(fā)散角

中圖分類(lèi)號(hào)：O439 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）13-0099-03

Abstract： In this paper， the optical characteristics of laser cooperative targets such as corner prism and glass bead reflector are analyzed and introduced. In order to meet the requirements of laser detection engineering application of laser detection equipment at different distances， it is necessary for laser cooperative target reflection beam to have a certain divergence angle. In this paper， a new laser cooperative target design method is proposed. By combining positive and negative lenses and corner prism， the divergence angle of reflected beam can be accurately controlled， and the original return of reflected beam can be ensured at the same time.

Keywords： laser cooperative target； reflected beam； divergence angle

1 概述

在激光測(cè)距、激光雷達(dá)等激光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，合作目標(biāo)應(yīng)用非常廣泛。合作目標(biāo)可以使入射光束原向反射，提高激光回波信號(hào)，提高激光探測(cè)設(shè)備探測(cè)能力。

角錐棱鏡和玻璃微珠是兩種常用合作目標(biāo)，角錐棱鏡和玻璃微珠原向反射屏具有不同的光學(xué)特性，因而有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。角錐棱鏡具有高反射率（可以達(dá)到80%），反射光束原向反射方向性好的特點(diǎn)，因而使用廣泛。玻璃微珠原向反射屏安裝較為方便，但是反射率低，只有約20%，反射光束原向反射，但是具有較大的發(fā)散角和發(fā)散范圍，約1°～5°，因而在光學(xué)儀器上使用較少，主要應(yīng)用在交通標(biāo)示設(shè)備中[1，2，3]。

實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要反射光束具有一定發(fā)散角；如激光探測(cè)系統(tǒng)收、發(fā)光學(xué)系統(tǒng)通常具有不同光路，則在近場(chǎng)探測(cè)時(shí)接收光學(xué)系統(tǒng)可能具有探測(cè)盲區(qū)；如光電設(shè)備具有多個(gè)接收通道，為保證各個(gè)接收通道都能收到回波信號(hào)，也需要反射光束具有一定發(fā)散角度?；谝陨蠎?yīng)用需求，我們使用正、負(fù)透鏡組和角錐棱鏡設(shè)計(jì)出一種反射光束帶發(fā)散角且發(fā)散角可調(diào)的新型合作目標(biāo)。

2 合作目標(biāo)光學(xué)特性分析

2.1 角錐棱鏡

如圖1所示，角錐棱鏡是一個(gè)由三個(gè)相互垂直的反射平面（俗稱小面）和一個(gè)入射平面（俗稱大面）構(gòu)成的四面體。角錐棱鏡可以使入射光線沿原方向返回；入射光線和出射光線根據(jù)錐點(diǎn)中心對(duì)稱。

圖2所示為距離角錐棱鏡20cm處，近場(chǎng)測(cè)試的角錐棱鏡反射光束光斑。

角錐棱鏡由于反射面之間二面角加工誤差，會(huì)帶來(lái)反射光束和入射光束之間光束平行差?yuàn)A角，同時(shí)由于衍射效應(yīng)，會(huì)給反射光斑帶來(lái)不同影響。

一般來(lái)說(shuō)，二面角誤差會(huì)引起光斑擴(kuò)散，當(dāng)二面角誤差為負(fù)誤差，且誤差角度小于3″時(shí)，光斑中心為亮斑，當(dāng)二面角誤差為正誤差時(shí)，光斑中心為暗斑，因此，在實(shí)際應(yīng)用中為保證角錐棱鏡的返回能量集中在光斑中心，應(yīng)盡量避免正誤差情況出現(xiàn)。同樣的誤差條件下， 正誤差對(duì)光束的擴(kuò)散作用大于負(fù)誤差。當(dāng)二面角誤差較大時(shí)，不論正負(fù)誤差，遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣均呈環(huán)狀分布。二面角誤差不僅引起光斑擴(kuò)散，而且使光束中心發(fā)生偏移，偏移方向由誤差的正負(fù)決定[4，5]。

2.2 玻璃微珠原向反射屏

玻璃微珠指的是直徑從幾微米至幾百微米的玻璃圓球體，具有正向反射特性。微珠玻璃原向反射屏是由玻璃微珠涂敷在壓敏膠膜上，再粘貼到平板上構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。微珠玻璃原向反射屏的主要特性是原向反射。如將其后表面鍍上鋁或銀膜，就能大大提高反射亮度。

為了表征玻璃微珠這種原向反射屏的反射特性，可將其反射光束的光強(qiáng)分布面的漸近圓錐面的錐頂角定義為剩余發(fā)散角。玻璃微珠有效作用角可達(dá)±70度，反射率約20%，主反射區(qū)反射發(fā)散角1度左右，最大發(fā)散角可以達(dá)到3～5度。相比角錐棱鏡，玻璃微珠具有安裝方便，不改變?cè)O(shè)備外形的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于其反射光束發(fā)散角較大，且反射率較低[2]。

3 反射光束帶發(fā)散角的合作目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法

如前所述，玻璃微珠原向反射屏具有較大的反射光束發(fā)散角。但是，玻璃微珠只是一種較為粗糙的合作目標(biāo)，基于其工作原理，玻璃微珠不具有高反射率，以及反射光束彌散較大的特點(diǎn)，限制了其在光電儀器中應(yīng)用。玻璃微珠只能應(yīng)用于激光探測(cè)靈敏度要求不高和作用距離較近的激光探測(cè)設(shè)備。

相對(duì)于玻璃微珠，角錐棱鏡在激光合作目標(biāo)中應(yīng)用更為廣泛。在目前實(shí)際應(yīng)用中，除了在緒論1中所討論的近場(chǎng)探測(cè)需求之外，遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，角錐棱鏡有時(shí)也需要有一定的發(fā)散角。比如，作為衛(wèi)星角反射器的角錐棱鏡，需要反射光束具有一定發(fā)散角來(lái)補(bǔ)償速差效應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)，現(xiàn)在工程上通常通過(guò)控制角錐棱鏡的二面角誤差實(shí)現(xiàn)，或者控制角錐棱鏡反射面或透射面的面形來(lái)實(shí)現(xiàn)。角錐二面角誤差不宜檢測(cè)，而且其對(duì)于光束的發(fā)散作用隨機(jī)性較強(qiáng)，并不是均勻的發(fā)散光斑。角錐棱鏡的面形控制精度要求更高，特別對(duì)于角錐棱鏡這種非標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件，其加工精度不好保證[6]。

結(jié)合激光近場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用需求，我們需要一種可以使入射激光束帶一定發(fā)散角反射的激光合作目標(biāo)。同時(shí)，為了減小激光發(fā)射功率以保證人眼安全，要求激光合作目標(biāo)具有高反射率。經(jīng)過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，我們發(fā)現(xiàn)使用負(fù)透鏡和角錐棱鏡配合使用可以得到滿足我們?cè)囼?yàn)需求的合作目標(biāo)。

這種新型激光合作目標(biāo)通過(guò)負(fù)透鏡實(shí)現(xiàn)光束的發(fā)散，而角錐棱鏡可以保證光束原向反射。

如圖5所示：激光束從右向左依次入射到負(fù)透鏡和角錐棱鏡，角錐棱鏡將實(shí)現(xiàn)對(duì)光束原向反射，負(fù)透鏡則分別在激光束入射和出射過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的兩次發(fā)散；因而，入射光束實(shí)現(xiàn)具有發(fā)散角的原向反射。事實(shí)上，入射光束在角錐棱鏡內(nèi)部折轉(zhuǎn)之后會(huì)有一定位移，但是對(duì)于中心對(duì)稱負(fù)透鏡系統(tǒng)，對(duì)于光束恰好實(shí)現(xiàn)了兩次發(fā)散。

光束的發(fā)散角度2θ，可以根據(jù)入射光束口徑D和負(fù)透鏡焦距f′進(jìn)行計(jì)算：

負(fù)透鏡可以是單個(gè)固定焦距透鏡，也可以是組合透鏡組；如果是單個(gè)透鏡，則合作目標(biāo)發(fā)射光束發(fā)散角2θ固定；如果是組合透鏡組，則可以通過(guò)組合透鏡組焦距f'變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)合作目標(biāo)發(fā)射光束發(fā)散角的實(shí)時(shí)靈活控制。具體仿真圖如下：

激光傾斜入射時(shí)，激光合作目標(biāo)有效反射面積會(huì)降低，為了驗(yàn)證組合合作目標(biāo)對(duì)于傾斜入射光束作用效果，我們仿真了15度傾斜入射情況如圖6所示，可見(jiàn)反射光束變?yōu)闄E圓光斑，這是角錐棱鏡傾斜入射時(shí)的正?，F(xiàn)象[7]，反射光束發(fā)散性保持良好。

4 實(shí)際應(yīng)用舉例

在我們的實(shí)際應(yīng)用中，激光探測(cè)設(shè)備包括激光發(fā)射模塊和兩個(gè)激光接收模塊，如下圖8所示，設(shè)備要求兩個(gè)接收模塊同時(shí)受到激光回波信號(hào)；激光測(cè)距設(shè)備中激光發(fā)射模塊與每個(gè)接收分機(jī)光軸平行，發(fā)射模塊與單個(gè)接收模塊光軸垂軸方向間隔約200mm，激光發(fā)射模塊孔徑20mm，接收模塊口徑30mm，激光探測(cè)作用距離50m到100m不定，則為實(shí)現(xiàn)激光回波信號(hào)同時(shí)探測(cè)，則合作目標(biāo)反射光束應(yīng)該為帶發(fā)散角反射的實(shí)心光束，發(fā)散角分別為9mrad或4.5mrad。

合作目標(biāo)所用角錐棱鏡口徑25.4mm，取有效孔徑為23mm，則根據(jù)公式（1）計(jì)算，當(dāng)發(fā)散角為9mrad時(shí)，所選用負(fù)透鏡焦距f′應(yīng)該不小于-5100mm。當(dāng)發(fā)散角為4.5mrad時(shí)，所選用負(fù)透鏡焦距f′應(yīng)該不小于-10200mm。

考慮到長(zhǎng)焦距負(fù)透鏡不易加工和檢測(cè)，以及為了靈活調(diào)整發(fā)散角，根據(jù)公式（2），負(fù)透鏡可以通過(guò)正負(fù)透鏡組合實(shí)現(xiàn)，選取正透鏡焦距225mm，負(fù)透鏡焦距-210mm，正負(fù)透鏡間隔從2mm到10mm調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)組合焦距從-4200mm到-20000mm之間變換，從而得到合作目標(biāo)發(fā)射光束11mrad到2.3mrad范圍內(nèi)的不同發(fā)散角。

如附圖9所示，負(fù)透鏡可以使用正、負(fù)透鏡組合變焦來(lái)調(diào)節(jié)焦距，以實(shí)現(xiàn)合作目標(biāo)反射光束發(fā)散角實(shí)時(shí)可調(diào)。負(fù)透鏡組焦距可根據(jù)公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)激光探測(cè)應(yīng)用需求，我們發(fā)現(xiàn)一種組合使用角錐棱鏡和透鏡組控制反射光束發(fā)散的新方法。該種新型激光合作目標(biāo)可以保證入射光束原向返回，同時(shí)根據(jù)需求調(diào)整反射光束發(fā)散角，且反射光束光束發(fā)散均勻。同時(shí)該型合作目標(biāo)易于加工，安裝調(diào)整靈活，在外場(chǎng)的應(yīng)用性良好。

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