一种反射光束发散角可调的激光合作目标设计

张栋 孟楷 孟冬 郑建锋

摘 要：文章分析和介绍了角锥棱镜和玻璃微珠反射屏等激光合作目标光学特性。为满足不同距离激光探测设备激光探测工程应用需求，需要激光合作目标反射光束带有一定的发散角。文章提出一种新型激光合作目标设计方法，通过组合使用正、负透镜和角锥棱镜，可以精确控制反射光束发散角，同时也能保证反射光束的原向返回。

关键词：激光合作目标；反射光束；发散角

中图分类号：O439 文献标志码：A 文章编号：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、激光雷达等激光探测技术领域，合作目标应用非常广泛。合作目标可以使入射光束原向反射，提高激光回波信号，提高激光探测设备探测能力。

角锥棱镜和玻璃微珠是两种常用合作目标，角锥棱镜和玻璃微珠原向反射屏具有不同的光学特性，因而有不同的应用场景。角锥棱镜具有高反射率（可以达到80%），反射光束原向反射方向性好的特点，因而使用广泛。玻璃微珠原向反射屏安装较为方便，但是反射率低，只有约20%，反射光束原向反射，但是具有较大的发散角和发散范围，约1°～5°，因而在光学仪器上使用较少，主要应用在交通标示设备中[1，2，3]。

实际应用中，有时需要反射光束具有一定发散角；如激光探测系统收、发光学系统通常具有不同光路，则在近场探测时接收光学系统可能具有探测盲区；如光电设备具有多个接收通道，为保证各个接收通道都能收到回波信号，也需要反射光束具有一定发散角度。基于以上应用需求，我们使用正、负透镜组和角锥棱镜设计出一种反射光束带发散角且发散角可调的新型合作目标。

2 合作目标光学特性分析

2.1 角锥棱镜

如图1所示，角锥棱镜是一个由三个相互垂直的反射平面（俗称小面）和一个入射平面（俗称大面）构成的四面体。角锥棱镜可以使入射光线沿原方向返回；入射光线和出射光线根据锥点中心对称。

图2所示为距离角锥棱镜20cm处，近场测试的角锥棱镜反射光束光斑。

角锥棱镜由于反射面之间二面角加工误差，会带来反射光束和入射光束之间光束平行差夹角，同时由于衍射效应，会给反射光斑带来不同影响。

一般来说，二面角误差会引起光斑扩散，当二面角误差为负误差，且误差角度小于3″时，光斑中心为亮斑，当二面角误差为正误差时，光斑中心为暗斑，因此，在实际应用中为保证角锥棱镜的返回能量集中在光斑中心，应尽量避免正误差情况出现。同样的误差条件下， 正误差对光束的扩散作用大于负误差。当二面角误差较大时，不论正负误差，远场衍射图样均呈环状分布。二面角误差不仅引起光斑扩散，而且使光束中心发生偏移，偏移方向由误差的正负决定[4，5]。

2.2 玻璃微珠原向反射屏

玻璃微珠指的是直径从几微米至几百微米的玻璃圆球体，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压敏胶膜上，再粘贴到平板上构成。其结构示意图如图3所示。微珠玻璃原向反射屏的主要特性是原向反射。如将其后表面镀上铝或银膜，就能大大提高反射亮度。

为了表征玻璃微珠这种原向反射屏的反射特性，可将其反射光束的光强分布面的渐近圆锥面的锥顶角定义为剩余发散角。玻璃微珠有效作用角可达±70度，反射率约20%，主反射区反射发散角1度左右，最大发散角可以达到3～5度。相比角锥棱镜，玻璃微珠具有安装方便，不改变设备外形的优点，缺点在于其反射光束发散角较大，且反射率较低[2]。

3 反射光束带发散角的合作目标实现方法

如前所述，玻璃微珠原向反射屏具有较大的反射光束发散角。但是，玻璃微珠只是一种较为粗糙的合作目标，基于其工作原理，玻璃微珠不具有高反射率，以及反射光束弥散较大的特点，限制了其在光电仪器中应用。玻璃微珠只能应用于激光探测灵敏度要求不高和作用距离较近的激光探测设备。

相对于玻璃微珠，角锥棱镜在激光合作目标中应用更为广泛。在目前实际应用中，除了在绪论1中所讨论的近场探测需求之外，远场探测时，角锥棱镜有时也需要有一定的发散角。比如，作为卫星角反射器的角锥棱镜，需要反射光束具有一定发散角来补偿速差效应。

为了实现这种目标，现在工程上通常通过控制角锥棱镜的二面角误差实现，或者控制角锥棱镜反射面或透射面的面形来实现。角锥二面角误差不宜检测，而且其对于光束的发散作用随机性较强，并不是均匀的发散光斑。角锥棱镜的面形控制精度要求更高，特别对于角锥棱镜这种非标准光学元件，其加工精度不好保证[6]。

结合激光近场探测应用需求，我们需要一种可以使入射激光束带一定发散角反射的激光合作目标。同时，为了减小激光发射功率以保证人眼安全，要求激光合作目标具有高反射率。经过理论分析和试验研究，我们发现使用负透镜和角锥棱镜配合使用可以得到满足我们试验需求的合作目标。

这种新型激光合作目标通过负透镜实现光束的发散，而角锥棱镜可以保证光束原向反射。

如图5所示：激光束从右向左依次入射到负透镜和角锥棱镜，角锥棱镜将实现对光束原向反射，负透镜则分别在激光束入射和出射过程中实现对光束的两次发散；因而，入射光束实现具有发散角的原向反射。事实上，入射光束在角锥棱镜内部折转之后会有一定位移，但是对于中心对称负透镜系统，对于光束恰好实现了两次发散。

光束的发散角度2θ，可以根据入射光束口径D和负透镜焦距f′进行计算：

负透镜可以是单个固定焦距透镜，也可以是组合透镜组；如果是单个透镜，则合作目标发射光束发散角2θ固定；如果是組合透镜组，则可以通过组合透镜组焦距f'变化，实现对合作目标发射光束发散角的实时灵活控制。具体仿真图如下：

激光倾斜入射时，激光合作目标有效反射面积会降低，为了验证组合合作目标对于倾斜入射光束作用效果，我们仿真了15度倾斜入射情况如图6所示，可见反射光束变为椭圆光斑，这是角锥棱镜倾斜入射时的正常现象[7]，反射光束发散性保持良好。

4 实际应用举例

在我们的实际应用中，激光探测设备包括激光发射模块和两个激光接收模块，如下图8所示，设备要求两个接收模块同时受到激光回波信号；激光测距设备中激光发射模块与每个接收分机光轴平行，发射模块与单个接收模块光轴垂轴方向间隔约200mm，激光发射模块孔径20mm，接收模块口径30mm，激光探测作用距离50m到100m不定，则为实现激光回波信号同时探测，则合作目标反射光束应该为带发散角反射的实心光束，发散角分别为9mrad或4.5mrad。

合作目标所用角锥棱镜口径25.4mm，取有效孔径为23mm，则根据公式（1）计算，当发散角为9mrad时，所选用负透镜焦距f′应该不小于-5100mm。当发散角为4.5mrad时，所选用负透镜焦距f′应该不小于-10200mm。

考虑到长焦距负透镜不易加工和检测，以及为了灵活调整发散角，根据公式（2），负透镜可以通过正负透镜组合实现，选取正透镜焦距225mm，负透镜焦距-210mm，正负透镜间隔从2mm到10mm调节过程中，可以实现组合焦距从-4200mm到-20000mm之间变换，从而得到合作目标发射光束11mrad到2.3mrad范围内的不同发散角。

如附图9所示，负透镜可以使用正、负透镜组合变焦来调节焦距，以实现合作目标反射光束发散角实时可调。负透镜组焦距可根据公式（2）进行计算：

5 结束语

根据激光探测应用需求，我们发现一种组合使用角锥棱镜和透镜组控制反射光束发散的新方法。该种新型激光合作目标可以保证入射光束原向返回，同时根据需求调整反射光束发散角，且反射光束光束发散均匀。同时该型合作目标易于加工，安装调整灵活，在外场的应用性良好。

参考文献：

[1]曹志峰，等.高折射率玻璃微珠的研制[J].长春光学精密机械学院学报，1996，19（4）：46-49.

[2]于爽，赵冬娥，等.玻璃微珠原向反射屏发散角测试[J].激光技术，2013，37（2）：211-215.

[3]刘艳，等.基于合作目标的激光水下定位[J].中国光学与应用光学，2009，2（2）：169-174.

[4]徐德衍.角锥棱镜和柱面镜的技术表述与检测[J].光学与光电技术，2010，8（4）：10-13.

[5]杨雨川，罗晖.角锥棱镜后向衍射特性的Zemax分析[J].红外与激光工程，2010，39（3）：491-495.

[6]周辉，等.卫星角反射器的设计[J].光电工程，2005，32（11）：25-29.

[7]周斌，等.斜入射条件下角锥棱镜光学特性分析[J].激光与红外，2011，41（11）：1231-1234.