一種反射光束發散角可調的激光合作目標設計

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光學特性。為滿足不同距離激光探測設備激光探測工程應用需求，需要激光合作目標反射光束帶有一定的發散角。文章提出一種新型激光合作目標設計方法，通過組合使用正、負透鏡和角錐棱鏡，可以精確控制反射光束發散角，同時也能保證反射光束的原向返回。

關鍵詞：激光合作目標；反射光束；發散角

中圖分類號：O439 文獻標志碼：A 文章編號：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

在激光測距、激光雷達等激光探測技術領域，合作目標應用非常廣泛。合作目標可以使入射光束原向反射，提高激光回波信號，提高激光探測設備探測能力。

角錐棱鏡和玻璃微珠是兩種常用合作目標，角錐棱鏡和玻璃微珠原向反射屏具有不同的光學特性，因而有不同的應用場景。角錐棱鏡具有高反射率（可以達到80%），反射光束原向反射方向性好的特點，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，但是具有較大的發散角和發散范圍，約1°～5°，因而在光學儀器上使用較少，主要應用在交通標示設備中[1，2，3]。

實際應用中，有時需要反射光束具有一定發散角；如激光探測系統收、發光學系統通常具有不同光路，則在近場探測時接收光學系統可能具有探測盲區；如光電設備具有多個接收通道，為保證各個接收通道都能收到回波信號，也需要反射光束具有一定發散角度。基于以上應用需求，我們使用正、負透鏡組和角錐棱鏡設計出一種反射光束帶發散角且發散角可調的新型合作目標。

2 合作目標光學特性分析

2.1 角錐棱鏡

如圖1所示，角錐棱鏡是一個由三個相互垂直的反射平面（俗稱小面）和一個入射平面（俗稱大面）構成的四面體。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錐點中心對稱。

圖2所示為距離角錐棱鏡20cm處，近場測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，會帶來反射光束和入射光束之間光束平行差夾角，同時由于衍射效應，會給反射光斑帶來不同影響。

一般來說，二面角誤差會引起光斑擴散，當二面角誤差為負誤差，且誤差角度小于3″時，光斑中心為亮斑，當二面角誤差為正誤差時，光斑中心為暗斑，因此，在實際應用中為保證角錐棱鏡的返回能量集中在光斑中心，應盡量避免正誤差情況出現。同樣的誤差條件下， 正誤差對光束的擴散作用大于負誤差。當二面角誤差較大時，不論正負誤差，遠場衍射圖樣均呈環狀分布。二面角誤差不僅引起光斑擴散，而且使光束中心發生偏移，偏移方向由誤差的正負決定[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，再粘貼到平板上構成。其結構示意圖如圖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分布面的漸近圓錐面的錐頂角定義為剩余發散角。玻璃微珠有效作用角可達±70度，反射率約20%，主反射區反射發散角1度左右，最大發散角可以達到3～5度。相比角錐棱鏡，玻璃微珠具有安裝方便，不改變設備外形的優點，缺點在于其反射光束發散角較大，且反射率較低[2]。

3 反射光束帶發散角的合作目標實現方法

如前所述，玻璃微珠原向反射屏具有較大的反射光束發散角。但是，玻璃微珠只是一種較為粗糙的合作目標，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，限制了其在光電儀器中應用。玻璃微珠只能應用于激光探測靈敏度要求不高和作用距離較近的激光探測設備。

相對于玻璃微珠，角錐棱鏡在激光合作目標中應用更為廣泛。在目前實際應用中，除了在緒論1中所討論的近場探測需求之外，遠場探測時，角錐棱鏡有時也需要有一定的發散角。比如，作為衛星角反射器的角錐棱鏡，需要反射光束具有一定發散角來補償速差效應。

為了實現這種目標，現在工程上通常通過控制角錐棱鏡的二面角誤差實現，或者控制角錐棱鏡反射面或透射面的面形來實現。角錐二面角誤差不宜檢測，而且其對于光束的發散作用隨機性較強，并不是均勻的發散光斑。角錐棱鏡的面形控制精度要求更高，特別對于角錐棱鏡這種非標準光學元件，其加工精度不好保證[6]。

結合激光近場探測應用需求，我們需要一種可以使入射激光束帶一定發散角反射的激光合作目標。同時，為了減小激光發射功率以保證人眼安全，要求激光合作目標具有高反射率。經過理論分析和試驗研究，我們發現使用負透鏡和角錐棱鏡配合使用可以得到滿足我們試驗需求的合作目標。

這種新型激光合作目標通過負透鏡實現光束的發散，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透鏡和角錐棱鏡，角錐棱鏡將實現對光束原向反射，負透鏡則分別在激光束入射和出射過程中實現對光束的兩次發散；因而，入射光束實現具有發散角的原向反射。事實上，入射光束在角錐棱鏡內部折轉之后會有一定位移，但是對于中心對稱負透鏡系統，對于光束恰好實現了兩次發散。

光束的發散角度2θ，可以根據入射光束口徑D和負透鏡焦距f′進行計算：

負透鏡可以是單個固定焦距透鏡，也可以是組合透鏡組；如果是單個透鏡，則合作目標發射光束發散角2θ固定；如果是組合透鏡組，則可以通過組合透鏡組焦距f'變化，實現對合作目標發射光束發散角的實時靈活控制。具體仿真圖如下：

激光傾斜入射時，激光合作目標有效反射面積會降低，為了驗證組合合作目標對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，可見反射光束變為橢圓光斑，這是角錐棱鏡傾斜入射時的正常現象[7]，反射光束發散性保持良好。

4 實際應用舉例

在我們的實際應用中，激光探測設備包括激光發射模塊和兩個激光接收模塊，如下圖8所示，設備要求兩個接收模塊同時受到激光回波信號；激光測距設備中激光發射模塊與每個接收分機光軸平行，發射模塊與單個接收模塊光軸垂軸方向間隔約200mm，激光發射模塊孔徑20mm，接收模塊口徑30mm，激光探測作用距離50m到100m不定，則為實現激光回波信號同時探測，則合作目標反射光束應該為帶發散角反射的實心光束，發散角分別為9mrad或4.5mrad。

合作目標所用角錐棱鏡口徑25.4mm，取有效孔徑為23mm，則根據公式（1）計算，當發散角為9mrad時，所選用負透鏡焦距f′應該不小于-5100mm。當發散角為4.5mrad時，所選用負透鏡焦距f′應該不小于-10200mm。

考慮到長焦距負透鏡不易加工和檢測，以及為了靈活調整發散角，根據公式（2），負透鏡可以通過正負透鏡組合實現，選取正透鏡焦距225mm，負透鏡焦距-210mm，正負透鏡間隔從2mm到10mm調節過程中，可以實現組合焦距從-4200mm到-20000mm之間變換，從而得到合作目標發射光束11mrad到2.3mrad范圍內的不同發散角。

如附圖9所示，負透鏡可以使用正、負透鏡組合變焦來調節焦距，以實現合作目標反射光束發散角實時可調。負透鏡組焦距可根據公式（2）進行計算：

5 結束語

根據激光探測應用需求，我們發現一種組合使用角錐棱鏡和透鏡組控制反射光束發散的新方法。該種新型激光合作目標可以保證入射光束原向返回，同時根據需求調整反射光束發散角，且反射光束光束發散均勻。同時該型合作目標易于加工，安裝調整靈活，在外場的應用性良好。

參考文獻：

[1]曹志峰，等.高折射率玻璃微珠的研制[J].長春光學精密機械學院學報，1996，19（4）：46-49.

[2]于爽，趙冬娥，等.玻璃微珠原向反射屏發散角測試[J].激光技術，2013，37（2）：211-215.

[3]劉艷，等.基于合作目標的激光水下定位[J].中國光學與應用光學，2009，2（2）：169-174.

[4]徐德衍.角錐棱鏡和柱面鏡的技術表述與檢測[J].光學與光電技術，2010，8（4）：10-13.

[5]楊雨川，羅暉.角錐棱鏡后向衍射特性的Zemax分析[J].紅外與激光工程，2010，39（3）：491-495.

[6]周輝，等.衛星角反射器的設計[J].光電工程，2005，32（11）：25-29.

[7]周斌，等.斜入射條件下角錐棱鏡光學特性分析[J].激光與紅外，2011，41（11）：1231-1234.