旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向控制技術(shù)綜述

范大鵬，周 遠(yuǎn)，魯亞飛，黑 墨，熊飛湍，李 凱

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073;2.長(zhǎng)沙學(xué)院電子與通信工程系，湖南長(zhǎng)沙410003;3.清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京100084)

1 引言

光束指向控制技術(shù)既可用于光束指向調(diào)整，又可用于改變成像視軸，在自由空間光通信、紅外對(duì)抗、激光指示器、激光雷達(dá)、光纖光開(kāi)關(guān)等設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用［1］。這些應(yīng)用中普遍使用的指向機(jī)構(gòu)有萬(wàn)向轉(zhuǎn)架［2-6］和萬(wàn)向轉(zhuǎn)鏡［7-8］兩種。萬(wàn)向轉(zhuǎn)架機(jī)構(gòu)將激光器、探測(cè)器等裝置安裝在一個(gè)多軸萬(wàn)向架上，控制其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)光束或視軸的空間轉(zhuǎn)向。該類機(jī)構(gòu)體積大、慣量大、動(dòng)態(tài)性能差、反應(yīng)時(shí)間慢，對(duì)振動(dòng)敏感，不利于載體平臺(tái)安裝及載體姿態(tài)平衡［1，4-6］。萬(wàn)向轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)利用安裝在激光器或探測(cè)器前方的掃描鏡的快速擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光束或視軸指向調(diào)整［9］。該類機(jī)構(gòu)通常占用空間大，光束偏轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)械誤差敏感，一般只用于小口徑光束的偏轉(zhuǎn)［10］。

與上述傳統(tǒng)的光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相比，基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡設(shè)計(jì)的光束或視軸調(diào)整裝置性能更為優(yōu)異。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)通過(guò)兩棱鏡的共軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)改變光的傳播方向，可實(shí)現(xiàn)光束或視軸的指向調(diào)整［5］。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，指向精度高，光損耗小，整體造價(jià)小，無(wú)時(shí)間色散效應(yīng)，可控制大口徑光束實(shí)現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)，機(jī)械傳動(dòng)誤差對(duì)指向精度的影響也很?。?0］。在自由空間激光通信、激光雷達(dá)、光纖光開(kāi)關(guān)、激光指示器等領(lǐng)域中，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡可用于激光光束的轉(zhuǎn)向及指向穩(wěn)定調(diào)整。在空間觀測(cè)、偵察監(jiān)視、紅外對(duì)抗、搜索營(yíng)救、顯微觀察、干涉測(cè)量、機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域中，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡可用于改變成像視軸，擴(kuò)大搜索范圍或成像視場(chǎng)。目前，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡已在光束掃描、遠(yuǎn)距離目標(biāo)瞄準(zhǔn)與跟蹤等方面展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景［11-14］。

本文分析了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向控制系統(tǒng)的光束指向機(jī)制，介紹了系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用，總結(jié)了其面臨的難題和發(fā)展趨勢(shì)。

2 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向機(jī)制

圖1 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束偏轉(zhuǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of beam steering based on rotational double prisms

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向控制系統(tǒng)由一對(duì)共軸相鄰排列的折射棱鏡組成，兩棱鏡的頂角和材料相同，能繞共同軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，其光束偏轉(zhuǎn)方式如圖1所示。光束平行系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸入射，兩棱鏡Π1、Π2通過(guò)折射改變光束傳播方向，然后通過(guò)改變兩棱鏡的轉(zhuǎn)角θ1、θ2使出射光束在一定偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意指向調(diào)整［12，15-16］。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束轉(zhuǎn)向機(jī)制的研究主要?dú)w納為2個(gè)問(wèn)題［17-18］:(1)由棱鏡的轉(zhuǎn)角θ1、θ2得出出射光束的偏轉(zhuǎn)角Φ和方位角Θ(正向問(wèn)題);(2)由出射光束的偏轉(zhuǎn)角Φ和方位角Θ得出各棱鏡的轉(zhuǎn)角(反向問(wèn)題)。正向問(wèn)題的分析是旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。通過(guò)該問(wèn)題的解算可以探討旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束掃描機(jī)制。反向問(wèn)題是光學(xué)跟蹤和目標(biāo)指向應(yīng)用中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，其解算可認(rèn)為是正向問(wèn)題的逆過(guò)程。

2.1 正向問(wèn)題

最簡(jiǎn)單的正向問(wèn)題解算方法為一級(jí)近軸近似矢量中心算法［19］。該算法將棱鏡看作為頂角較小的光楔，其對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角大小只取決于棱鏡楔角和折射率，出射光束指向棱鏡主截面厚端，與棱鏡方位及入射光束方向無(wú)關(guān)。其推算過(guò)程如圖2所示，光束射入系統(tǒng)(O點(diǎn))后，從棱鏡Π1出射，隨著棱鏡的旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)矢量δ1末端將沿以δ1的大小為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)。光束入射棱鏡Π2后，偏轉(zhuǎn)矢量δ2末端將沿以δ2的大小為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)總偏轉(zhuǎn)矢量Φ可看作δ1和δ2的矢量和。該方法通過(guò)薄透鏡近似形成簡(jiǎn)化模型，描述了系統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)的主要規(guī)律，避免了繁瑣的光路計(jì)算，適合光束偏轉(zhuǎn)與掃描規(guī)律的理解及結(jié)果預(yù)測(cè)，已被許多研究者用于探討雙光楔(Risley棱鏡)系統(tǒng)的光束掃描［9，16，20-22］。

圖2 一級(jí)近似矢量中心算法推算偏轉(zhuǎn)角和方位角Fig.2 Altitude and azimuth angles calculated with firstorder approximation vector center method

Jeon用旋轉(zhuǎn)矩陣描述雙棱鏡對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)，得到了正向問(wèn)題的一級(jí)近似解算式［23］。該方法的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在，通過(guò)矩陣算式的擴(kuò)展可對(duì)任意數(shù)目棱鏡組成的棱鏡組解算正向問(wèn)題。Li對(duì)正向解算式進(jìn)行了級(jí)數(shù)展開(kāi)，舍棄高次項(xiàng)得到了正向問(wèn)題的三級(jí)近似解，其解算精度得到大幅提升［24］。以上正向問(wèn)題解算方法對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)作了一級(jí)近軸近似或三級(jí)近似，可用來(lái)分析雙棱鏡的小角度光束指向。大角度光束偏轉(zhuǎn)正向問(wèn)題的準(zhǔn)確解可利用商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(如Zemax)分析獲得，但其應(yīng)用迭代的方法得出數(shù)值解，無(wú)法得出光束指向的解析解［25］。采用非近軸矢量光線追跡方法可推算正向問(wèn)題的準(zhǔn)確解析解［26-27］。即基于矢量折射理論，應(yīng)用矢量形式的斯涅爾定律，沿著系統(tǒng)中光線的傳輸光路依次追跡得出準(zhǔn)確解。

2.2 反向問(wèn)題

在目標(biāo)指向與跟蹤應(yīng)用中，需要根據(jù)目標(biāo)空間指向位置逆向確定棱鏡的轉(zhuǎn)角，其解算需以正向問(wèn)題的分析為基礎(chǔ)。理論上該反向問(wèn)題可以依據(jù)正向解算過(guò)程重復(fù)逆向推算得以解決，但在實(shí)際推算中，棱鏡界面上的矢量折射逆運(yùn)算存在較大困難［28］。Boisset等人基于一級(jí)近軸近似理論提出了一種迭代方法解算反向問(wèn)題，即采用閉環(huán)控制，根據(jù)測(cè)量信息尋找棱鏡方位［19］。該方法依賴探測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)，在許多實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。Degnan利用近軸光線矩陣分析了雙棱鏡系統(tǒng)中的光線傳輸，提出了一種無(wú)需迭代算法的反向問(wèn)題解算方法［29］，該方法基于一級(jí)近似，用于大角度光束偏轉(zhuǎn)的反向解算仍存在較大偏差。

Yang于2008年首次給出了反向問(wèn)題的準(zhǔn)確解析解［18］。即利用非近軸矢量光線追跡方法由棱鏡的轉(zhuǎn)角推算出射光束指向的準(zhǔn)確解析表達(dá)式。將其對(duì)棱鏡轉(zhuǎn)角求導(dǎo)，構(gòu)造Jocobian矩陣解析公式?；贘ocobian矩陣公式應(yīng)用多種非線性系統(tǒng)數(shù)值算法找出實(shí)現(xiàn)光束目標(biāo)指向的棱鏡轉(zhuǎn)角值。該方法運(yùn)算復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中可編制計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)反向問(wèn)題的實(shí)時(shí)解算。Li于2011年應(yīng)用二步法推算了雙棱鏡光束指向系統(tǒng)的準(zhǔn)確反向解［17］。即首先基于非近軸矢量光線追跡方法得出準(zhǔn)確正向解，然后通過(guò)兩個(gè)步驟推算反向解。第一步是保持一個(gè)棱鏡不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)另一個(gè)棱鏡，使出射光束的偏轉(zhuǎn)角達(dá)到目標(biāo)值。第二步是在保持兩棱鏡的方位夾角不變的條件下同時(shí)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)棱鏡，使出射光束的方位角達(dá)到目標(biāo)值。該方法大幅度地減小了運(yùn)算復(fù)雜度，可準(zhǔn)確地得出反向解析解。

3 理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究進(jìn)展

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向控制技術(shù)是Risley棱鏡掃描技術(shù)的延伸。最初的Risley棱鏡由一對(duì)光楔組成，只能實(shí)現(xiàn)光束的小角度偏轉(zhuǎn)［30-31］。隨著棱鏡加工工藝的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡逐漸能滿足光束大角度指向與掃描的光學(xué)性能要求;而精密機(jī)械和控制技術(shù)的發(fā)展又使旋轉(zhuǎn)雙棱鏡指向系統(tǒng)的光束偏轉(zhuǎn)分辨率和精確度得到提升［12］。因此，利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光束的大角度精密轉(zhuǎn)向已成熱點(diǎn)研究主題。目前對(duì)其基礎(chǔ)問(wèn)題的研究集中在光束轉(zhuǎn)向機(jī)制、光束掃描模式、棱鏡回轉(zhuǎn)控制、棱鏡引起的光束變形、成像色差、成像畸變等方面。

3.1 光束掃描模式方面的研究

在旋轉(zhuǎn)雙棱鏡激光光束掃描應(yīng)用中，需要探究光束的掃描模式，揭示光束掃描圖案與棱鏡結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及回轉(zhuǎn)控制方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Marshall利用一級(jí)近軸近似方法系統(tǒng)研究了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的掃描模式，分析了不同棱鏡頂角、旋轉(zhuǎn)角速度、初始角位置下的光束掃描圖案［16］。通過(guò)合理設(shè)置兩棱鏡的頂角及旋轉(zhuǎn)角速度的比值，可得到適合形狀的掃描圖案以滿足具體的掃描應(yīng)用需求。Jeon通過(guò)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)矩陣，探討了任意數(shù)目棱鏡組成的棱鏡組的掃描路徑［23］。該方法仍然基于一級(jí)近似方程，將導(dǎo)致一定的掃描誤差。Li應(yīng)用非近軸光線追跡方法推導(dǎo)了光束掃描的精確路徑并對(duì)光束指向表達(dá)式做級(jí)數(shù)展開(kāi)得出了掃描路徑的一級(jí)和三級(jí)近似分析方法［17，24］。研究結(jié)果表明:雖然近似方法和精確方法得出的光束指向角度差異較小，但用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)掃描和跟蹤時(shí)，近似方法導(dǎo)致的光束指向位置誤差仍然不可忽視?；贚i提出的方法，Horng分析了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡掃描系統(tǒng)中各種不同類型的誤差源及其對(duì)掃描性能的影響［32］。結(jié)果表明:系統(tǒng)加工和棱鏡回轉(zhuǎn)控制的細(xì)微誤差將引起光束掃描模式的明顯變化。機(jī)械回轉(zhuǎn)軸與系統(tǒng)光軸之間的未對(duì)準(zhǔn)將嚴(yán)重影響光束指向和掃描精度。

光束掃描模式的研究重點(diǎn)在于光束的掃描路徑、掃描覆蓋度、掃描速度及掃描精度。掃描路徑和掃描覆蓋度需要根據(jù)具體應(yīng)用需求設(shè)計(jì);掃描速度需結(jié)合系統(tǒng)機(jī)械動(dòng)態(tài)特性、控制性能及應(yīng)用需求協(xié)同研究;掃描精度除與光束指向分析方法有關(guān)外，還取決于系統(tǒng)的加工及安裝精度，特別是系統(tǒng)的共軸安裝精度。

3.2 棱鏡回轉(zhuǎn)控制方面的研究

棱鏡回轉(zhuǎn)控制是決定旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)光束指向精度的重要因素。即由光束的目標(biāo)指向解算兩棱鏡的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方位，設(shè)計(jì)并優(yōu)化控制算法控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使兩棱鏡旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)方位，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束的精確指向調(diào)整。Boisset等人針對(duì)自由空間光互連的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)反饋閉環(huán)控制雙棱鏡的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了光斑與探測(cè)器中心的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)［19］。該方法存在2點(diǎn)不足:(1)棱鏡旋轉(zhuǎn)控制基于探測(cè)器的測(cè)量信息，而一些應(yīng)用中，因光學(xué)接收器的探測(cè)器視場(chǎng)較小，無(wú)法獲得最初的測(cè)量信息，導(dǎo)致該方法失效。(2)由未對(duì)準(zhǔn)誤差推算棱鏡轉(zhuǎn)角時(shí)用的是近似方法，準(zhǔn)確性受到限制。中科院上海光機(jī)所的孫建峰等人利用查表法獲得棱鏡的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角并與編碼器測(cè)出的旋轉(zhuǎn)角比較，將其誤差信號(hào)輸入比例-積分-微分(PID)控制器，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)靠近目標(biāo)值。采用遺傳算法優(yōu)化控制參數(shù)后的仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能［33］。Torales利用Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)PID控制，構(gòu)建了高精度棱鏡掃描系統(tǒng)［34］。Sánchez根據(jù)目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用需求，針對(duì)3個(gè)棱鏡組成的光束指向系統(tǒng)，優(yōu)化了PID控制算法以降低棱鏡角速度要求［14］。中科院上海光機(jī)所劉偉等人針對(duì)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)合快速反射鏡構(gòu)成的粗精光束指向機(jī)構(gòu)，建立了控制環(huán)傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型［35］。

3.3 棱鏡引起的光束變形方面的研究

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡在使光束轉(zhuǎn)向的同時(shí)，會(huì)使光束形狀發(fā)生變化。Schwarze等人初步研究了該變形效果，提出光束壓縮因子粗略反比于出射角的余弦［6］。Ostaszewski通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了不同偏轉(zhuǎn)角下出射光束的剖面照片，探討了光束壓縮效應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布的影響［21］。定性結(jié)果表明:光束的偏轉(zhuǎn)角越大，光束剖面壓縮效應(yīng)越明顯。中科院上海光機(jī)所的孫建峰等人基于矢量折射理論，采用光線追跡的方法分析了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡大角度光束掃描中光束形狀的變形特征［36］。結(jié)果表明:光束變形取決于兩棱鏡的方位夾角，光束形狀在一些方向上被壓縮而在另一些方向上被拉伸，但壓縮效應(yīng)表現(xiàn)得更顯著。

早期旋轉(zhuǎn)雙光楔系統(tǒng)的光束偏轉(zhuǎn)角較小，光束變形現(xiàn)象不明顯。對(duì)于大角度偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)，光束變形現(xiàn)象的影響不可忽略。對(duì)于衍射受限的光學(xué)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)對(duì)光束的變形效應(yīng)將導(dǎo)致相應(yīng)方向上遠(yuǎn)場(chǎng)能量分布的改變。壓縮效應(yīng)將使遠(yuǎn)場(chǎng)能量分布區(qū)域變寬，遠(yuǎn)程接收面上的光束照度減小。對(duì)于激光通信應(yīng)用，該效應(yīng)將使接收端信號(hào)減弱，信噪比降低。

3.4 棱鏡引起的成像色差方面的研究

在成像應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡被用來(lái)改變成像視軸指向，棱鏡引起的色差變得不可忽視［37］。對(duì)棱鏡色差校正的研究集中在兩個(gè)方面:(1)采用不同折射率和不同色散的光學(xué)材料構(gòu)建組合棱鏡實(shí)現(xiàn)色差校正;(2)采用衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)消色差。

組合棱鏡方法是色差校正的傳統(tǒng)方法，目前已有多家單位利用該方法對(duì)大角度旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)的寬波段色差校正展開(kāi)研究。加拿大國(guó)防技術(shù)研究與發(fā)展中心(Defense R＆D，Canada)根據(jù)其研制的紅外眼成像系統(tǒng)應(yīng)用需求，應(yīng)用一級(jí)近似方法設(shè)計(jì)了硅-鍺組合棱鏡用于中波紅外波段(3～5 μm)的色差校正。針對(duì)遠(yuǎn)紅外波段(8～9.5 μm)，應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的鍺-硫化鋅組合棱鏡在焦平面上產(chǎn)生的橫向色差最大僅為 2.9 μm［38-39］。

美國(guó)戴頓大學(xué)與肯特州立大學(xué)合作，針對(duì)紅外對(duì)抗應(yīng)用探討了適合色差校正的紅外材料特性，并列出了可供選擇的紅外材料種類。針對(duì)中波紅外波段(2～5 μm)組合不同材料構(gòu)建組合棱鏡并應(yīng)用一級(jí)近似光線追跡方法得出了最優(yōu)化的雙棱鏡消色差系統(tǒng)［40-42］。其優(yōu)化的氟化鋰/硫化鋅組合棱鏡在0～45°的光束偏轉(zhuǎn)角內(nèi)能將殘余色差降至1.781 6 mrad。相同的方法用于優(yōu)化3個(gè)棱鏡組成的消色差旋轉(zhuǎn)棱鏡組，得到的AMTIR-1/Ge組合棱鏡其殘余色差僅為0.79 mrad。Florea等人針對(duì)2～12 μm的紅外寬波段，采用硫系玻璃結(jié)合適合材料構(gòu)建了色散低、熱學(xué)性能好的消色差棱鏡［43］。

由于衍射光柵具有負(fù)色散特性，在旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)中加入光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)造折射-衍射雜合棱鏡可在一定波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)色差校正。Weber等人在硒化鋅棱鏡表面蝕刻衍射光柵，針對(duì)中波紅外波段(3～5 μm)制備了衍射校正的雙棱鏡掃描成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在45°的視場(chǎng)范圍內(nèi)有效校正色差，系統(tǒng)成像分辨率得到顯著提高［44］。Chen利用衍射-折射光學(xué)元件組合體(稱為Grism)構(gòu)建了消色差雙棱鏡系統(tǒng)，有效減小了系統(tǒng)成像的殘余色差。該系統(tǒng)的最大光束偏轉(zhuǎn)角為45°，系統(tǒng)成像殘余色差在100 μrad以下［4］。利用衍射光學(xué)元件校正棱鏡色差在一些專利中也有提及［45-46］。

3.5 棱鏡引起的成像畸變方面的研究

在成像系統(tǒng)中引入棱鏡會(huì)帶來(lái)成像畸變。對(duì)于小角度偏轉(zhuǎn)的雙棱鏡光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，圖像畸變較小，其影響可以忽略。當(dāng)光束偏轉(zhuǎn)角增大，成像畸變變得明顯。最終的成像畸變大小和畸變特征與棱鏡的旋轉(zhuǎn)方位有關(guān)，必須針對(duì)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其深入探討并采用合適方法予以校正。Lavigne等人基于三維折射模型分析了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡帶來(lái)的成像畸變，得出其畸變特征并采用單應(yīng)變換的方法對(duì)其進(jìn)行了校正。紅外和可見(jiàn)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種方法的有效性和可行性［20］。

4 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

自Rosell于1960年首次提出利用兩塊棱鏡實(shí)現(xiàn)光束掃描以來(lái)［47］，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡逐漸被作為指向裝置應(yīng)用在不同領(lǐng)域，面向不同應(yīng)用需求的產(chǎn)品也逐漸問(wèn)世。根據(jù)操作對(duì)象的不同，這些應(yīng)用可以歸納為2個(gè)方面:(1)用于改變激光光束指向，控制波前偏移;(2)用于改變成像視軸指向，移動(dòng)成像視場(chǎng)。根據(jù)目的的不同，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的應(yīng)用也分為2個(gè)方面:(1)用作光束或成像視軸掃描器，(2)用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)指向、瞄準(zhǔn)與跟蹤。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡掃描器的目的是將激光光束或成像視軸按一定的掃描路徑投射到系列不同空間指向點(diǎn)，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃描覆蓋。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的目標(biāo)指向跟蹤應(yīng)用是根據(jù)目標(biāo)位置實(shí)時(shí)調(diào)整棱鏡方位，達(dá)到高精度動(dòng)態(tài)目標(biāo)瞄準(zhǔn)與跟蹤的目的。

4.1 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

圖3 典型旋轉(zhuǎn)棱鏡光束指向裝置Fig.3 Representative rotational-prisms-based beam steering devices

表1 幾種典型旋轉(zhuǎn)棱鏡光束指向裝置的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of the representative rotational-prisms-based beam steering devices

美國(guó)已有多家研究機(jī)構(gòu)針對(duì)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡大角度光束指向展開(kāi)了研究，開(kāi)發(fā)了系列光束指向控制裝置。圖3和表1分別列出了目前有報(bào)道的幾種典型裝置的外形圖和主要性能參數(shù)，包括工作波長(zhǎng)、光束口徑、視場(chǎng)寬度、指向精度、全場(chǎng)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)帶寬、系統(tǒng)直徑、長(zhǎng)度及質(zhì)量。1、2、3號(hào)裝置為美國(guó)OPTRA公司分別針對(duì)紅外對(duì)抗、機(jī)載激光通信及光學(xué)避障的應(yīng)用需求開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡紅外光束指向控制系統(tǒng)，已形成商業(yè)產(chǎn)品投放市場(chǎng)［6，9，11］。1 號(hào)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，適宜用在空間受限載體平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)光束的大角度精確指向。2號(hào)裝置可控制大口徑光束，其瞄準(zhǔn)重復(fù)精度達(dá)到30 μrad。3號(hào)裝置可實(shí)現(xiàn)光束連續(xù)和步進(jìn)掃描，掃描速度可達(dá)6 000 r/min，分辨率達(dá)到25 μrad。4號(hào)裝置為美國(guó)鮑爾航空技術(shù)公司(Ball Aerospace＆Technologies Corp.)所研制，可實(shí)現(xiàn)大口徑光束的大角度轉(zhuǎn)向［14，21］。該系統(tǒng)由3塊旋轉(zhuǎn)棱鏡組成，具有很高的指向精度和良好的跟蹤性能，適合跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)，其平穩(wěn)跟蹤速度可達(dá)10°/s。5號(hào)裝置為美國(guó)ITT-AES公司研制，能同時(shí)對(duì)1.55 μm的紅外光和38 GHz的射電束實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向［5］。6號(hào)裝置是美國(guó)洛克希德-馬丁高技術(shù)中心(Lockheed Martin Advanced Technology Center)設(shè)計(jì)用于空間飛行器平臺(tái)的微型光束指向調(diào)整系統(tǒng)［12］，具有很高的指向精度和緊湊的結(jié)構(gòu)。

4.2 激光光束指向調(diào)整方面的應(yīng)用

利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡偏轉(zhuǎn)激光光束，可用于在自由空間光通信、直視通信、星間通信中建立遠(yuǎn)距離通信鏈路［9］。通信光束通常需要在兩遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)目標(biāo)間傳輸，高精度光束指向是影響系統(tǒng)性能的重要因素［10］。用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)萬(wàn)向轉(zhuǎn)架或指向鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)瞄準(zhǔn)和跟蹤，不但能滿足大口徑光束偏轉(zhuǎn)的要求，實(shí)現(xiàn)高分辨率穩(wěn)定指向，還可使系統(tǒng)更緊湊，便于載體平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安裝。美國(guó)鮑爾航空技術(shù)公司和OPTRA公司針對(duì)激光通信應(yīng)用已研制了相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)棱鏡指向機(jī)構(gòu)［11，21］。鮑爾公司還將旋轉(zhuǎn)棱鏡應(yīng)用于偏轉(zhuǎn)微波波束，設(shè)計(jì)微波直視天線，用于無(wú)人系統(tǒng)之間、無(wú)人系統(tǒng)與地面站間的通信連接［48-50］。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡在美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的下一代衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)(NGSLR)中用作發(fā)射器指向機(jī)構(gòu)(TPA)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的精密指向［51］。2003年發(fā)射的地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)也采用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)現(xiàn)激光束的精確指向［52-53］。為在自由空間激光通信中實(shí)現(xiàn)光束的精確控制，中科院上海光機(jī)所以劉立人為首的研究小組對(duì)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)進(jìn)行了系列深入研究，設(shè)計(jì)的粗調(diào)光束掃描系統(tǒng)可在超過(guò)±15°的豎直和水平角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 50 μrad的掃描精度［54-56］，設(shè)計(jì)的精調(diào)光束掃描系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0.8 μrad的掃描精度［57］。

利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡偏轉(zhuǎn)激光光束，可使激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光武器、激光指示器等實(shí)現(xiàn)光束掃描、目標(biāo)瞄準(zhǔn)與跟蹤。在激光雷達(dá)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)雙棱鏡常被用于激光光束掃描，其示意圖如圖4所示。1981年，NASA將一對(duì)鍺光楔作為激光光束掃描器用于激光雷達(dá)系統(tǒng)中，飛行測(cè)試表明:該雷達(dá)能在20°的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束掃描，其指向誤差 ＜ 0.1°［28，58-59］。同年，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用于三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，作為激光光束掃描器以擴(kuò)大觀測(cè)場(chǎng)。該掃描器使雷達(dá)能在10.8°的觀測(cè)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率三維成像［60］。美國(guó)Sigma空間公司近來(lái)研制的三維成像激光雷達(dá)將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用作光束掃描器，其重復(fù)掃描精度達(dá)到0.000 5°［61］。近來(lái)還有專利報(bào)道了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡在機(jī)載光收發(fā)機(jī)構(gòu)中的具體應(yīng)用［62］。

圖4 激光雷達(dá)中的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡掃描器Fig.4 Rotational-double-prism scanner in laser radar

利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡偏轉(zhuǎn)激光光束，可在光纖激光通信中用于設(shè)計(jì)光開(kāi)關(guān)［63-65］，其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。利用1對(duì)或2對(duì)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構(gòu)造光束角度調(diào)整元件，重定向光束實(shí)現(xiàn)輸入光纖和輸出光纖間的光耦合。構(gòu)造旋轉(zhuǎn)雙棱鏡陣列可實(shí)現(xiàn)多向通道光路的切換。該類機(jī)構(gòu)可操作寬波段激光，具有適當(dāng)?shù)那袚Q速度，插入損耗小，工作穩(wěn)定性好［66］。

利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡偏轉(zhuǎn)激光光束，可在干涉系統(tǒng)中用作波前指向器實(shí)現(xiàn)波前分析與光學(xué)檢測(cè)［67］。Garcia-Torales等人在其設(shè)計(jì)的矢量剪切干涉儀中將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用作剪切機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)剪切波前偏移和傾斜［26，68-70］。通過(guò)精確控制棱鏡的旋轉(zhuǎn)，在不改變成像方向的前提下偏轉(zhuǎn)光束，產(chǎn)生波前偏移，控制波前位置和波前傾斜。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的波前偏轉(zhuǎn)性能已被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。

圖5 光纖光開(kāi)關(guān)中的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡機(jī)構(gòu)Fig.5 Rotational-double-prism devices in optical fiber switch

4.3 大范圍目標(biāo)搜索、識(shí)別與跟蹤成像方面的應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡可在紅外對(duì)抗系統(tǒng)中用于調(diào)整成像視軸指向以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索、瞄準(zhǔn)與跟蹤。為探測(cè)和跟蹤威脅物(如紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈)，紅外對(duì)抗系統(tǒng)需要調(diào)整成像視軸，使威脅物實(shí)時(shí)成像在視場(chǎng)中心，以鎖定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、精密的穩(wěn)定指向和跟蹤。傳統(tǒng)的萬(wàn)向架或指向鏡機(jī)構(gòu)雖可實(shí)現(xiàn)指向和跟蹤，但系統(tǒng)需伸出載體之外，影響載體載荷能力。利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡調(diào)整視軸，移動(dòng)視場(chǎng)，可根除傳統(tǒng)指向系統(tǒng)的不足，形成緊湊、共形成像系統(tǒng)［6，40］?；谛D(zhuǎn)雙棱鏡的指向和跟蹤系統(tǒng)適合應(yīng)用于星載、機(jī)載、艦載等安裝空間受限的載體平臺(tái)。目前，已有相關(guān)專利提出了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡在光電對(duì)抗［71］、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭［72］、安防相機(jī)［73］等機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。在光電偵察、監(jiān)視、搜索、營(yíng)救等應(yīng)用中為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速搜索、識(shí)別和跟蹤，需要獲取寬幅面、高分辨率的圖像信息。由于成像探測(cè)器、光機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和工藝的制約，很難通過(guò)一次成像來(lái)兼顧大視場(chǎng)和高分辨率的要求。加拿大國(guó)防技術(shù)研究與發(fā)展中心利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構(gòu)建了步進(jìn)-凝視成像系統(tǒng)，形成了一種新型的多視場(chǎng)圖像采集方法［74］。圖6展示了系統(tǒng)圖像采集方法及相應(yīng)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡指向機(jī)構(gòu)外觀圖。系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡改變成像光軸，在較大角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)視軸掃描。通過(guò)合理設(shè)置成像視軸的空間指向角度和窄視場(chǎng)分塊成像，獲得系列高分辨率窄視場(chǎng)圖像，通過(guò)窄視場(chǎng)圖像的校正和拼接，最終獲得具有大視場(chǎng)和高分辨率特點(diǎn)的合成圖像。該系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構(gòu)造光機(jī)指向機(jī)構(gòu)，用于成像視軸的轉(zhuǎn)向和掃描。通過(guò)融合窄視場(chǎng)成像，兼顧了大視場(chǎng)和高分辨率的成像需求，為大范圍目標(biāo)搜索和高準(zhǔn)確度目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用提供了一種有潛力的新概念圖像采集方法。

圖6 步進(jìn)-凝視圖像采集方法及旋轉(zhuǎn)雙棱鏡指向機(jī)構(gòu)Fig.6 Step-stare image gathering and relevant rotational-double-prism system

利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)現(xiàn)視軸掃描，可以擴(kuò)大成像視場(chǎng)，相關(guān)機(jī)構(gòu)已被應(yīng)用于顯微觀測(cè)、生物醫(yī)學(xué)成像、機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的顯微鏡視場(chǎng)小、視軸固定，不能提供足夠的視覺(jué)信息以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)的觀測(cè)。在顯微鏡中加入掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)視軸掃描，成像視場(chǎng)能得到大幅度拓寬。目前已有多項(xiàng)研究采用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡充當(dāng)視軸掃描機(jī)構(gòu)，形成的光學(xué)掃描顯微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，成像視場(chǎng)大，分辨率高，可用于生物醫(yī)學(xué)、微機(jī)電等領(lǐng)域的顯微觀測(cè)［13，75-76］。在眼科檢查中可利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡進(jìn)行雙目調(diào)視測(cè)量［77-78］，即通過(guò)旋轉(zhuǎn)一對(duì)頂角很小的光楔，改變雙眼的視軸，實(shí)現(xiàn)較小角度范圍內(nèi)的視軸掃描。將旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用于光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT)中實(shí)現(xiàn)掃描成像，便于構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊的OCT系統(tǒng)［79］;用于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)觀察［80］。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡還可用于機(jī)器人視覺(jué)跟蹤，利用雙棱鏡的旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)地偏轉(zhuǎn)激光光束實(shí)現(xiàn)整體掃描，擴(kuò)大掃描場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)激光跟蹤［81］。在隱蔽光學(xué)監(jiān)視的針孔成像系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡能作為雙向傾斜機(jī)構(gòu)擴(kuò)大觀測(cè)視場(chǎng)［82］。利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡調(diào)整視軸可實(shí)現(xiàn)成像穩(wěn)定。在大型天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)雙棱鏡常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣散射補(bǔ)償［83］。結(jié)合透鏡和旋轉(zhuǎn)雙棱鏡構(gòu)建消像差系統(tǒng)，可有效校正共形整流罩引起的動(dòng)態(tài)像差［84］。

5 工程技術(shù)難題

雖然旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但用于大角度高精度光束指向時(shí)仍存在一些機(jī)械、控制及光學(xué)方面的工程技術(shù)問(wèn)題有待深入探討［21］。

5.1 棱鏡加工裝調(diào)方面的問(wèn)題

一些光束指向應(yīng)用要求光束指向機(jī)構(gòu)能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束的全場(chǎng)瞄準(zhǔn)，但實(shí)際的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)難以避免地存在指向盲區(qū)。理論上，只有當(dāng)兩棱鏡的頂角、折射系數(shù)完全相同且理想裝調(diào)時(shí)，組建的系統(tǒng)才可實(shí)現(xiàn)光束指向的全場(chǎng)覆蓋。實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)加工誤差、裝配誤差及熱學(xué)性能變化等因素的影響，兩棱鏡的光束偏轉(zhuǎn)角難以完全抵消，出射光束不能轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中心軸附近的空間指向區(qū)，即產(chǎn)生指向盲區(qū)［9，13，85］。取決于棱鏡的加工精度和裝調(diào)精度，中心軸附近的指向盲區(qū)范圍可達(dá)幾到幾百微弧度［21］。

誤差也是旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束轉(zhuǎn)向中需要關(guān)注的問(wèn)題。實(shí)際加工得到的棱鏡，其結(jié)構(gòu)參數(shù)、折射系數(shù)不可避免地與標(biāo)稱值或理論值存在偏差。當(dāng)系統(tǒng)工作在變化的氣候條件下時(shí)，棱鏡參數(shù)也將隨之改變而產(chǎn)生誤差。系統(tǒng)裝調(diào)時(shí)，棱鏡、旋轉(zhuǎn)軸傾斜將導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)誤差。這些加工、裝調(diào)及環(huán)境變化帶來(lái)的誤差將降低光束的指向精度，影響系統(tǒng)光束指向性能［32］。高精度光束指向系統(tǒng)要求具有較高的加工和安裝精度，并需在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮和減弱環(huán)境的影響。

5.2 光機(jī)電綜合設(shè)計(jì)與協(xié)同控制方面的問(wèn)題

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)和多學(xué)科協(xié)同控制是實(shí)際應(yīng)用中面臨的難題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮光學(xué)、機(jī)械、控制、傳感、圖像信息處理等多學(xué)科影響因素。在深入分析雙棱鏡光束偏轉(zhuǎn)機(jī)制、掃描模式、成像機(jī)制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，優(yōu)化棱鏡回轉(zhuǎn)控制算法，設(shè)計(jì)合適的伺服控制電路。在激光光束指向調(diào)整應(yīng)用中，需要結(jié)合光束傳輸、機(jī)械動(dòng)態(tài)特性、伺服機(jī)構(gòu)性能、控制性能來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。在成像應(yīng)用中，除考慮上述因素外，還需考慮成像性能、圖像信息的傳輸與處理等。

在雙棱鏡系統(tǒng)的多學(xué)科協(xié)同控制中，非線性和奇異性是重要的研究主題。即使兩棱鏡頂角、折射系數(shù)完全相同且棱鏡精確對(duì)準(zhǔn)，系統(tǒng)中心軸方向及附近區(qū)域仍存在控制上的奇異點(diǎn)。即光束沿一定方向趨近中心軸時(shí)，要求棱鏡旋轉(zhuǎn)速度趨向無(wú)窮大，這對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)及控制提出了挑戰(zhàn)［13-14，40］?？刂破娈慄c(diǎn)為目標(biāo)跟蹤應(yīng)用提出了難題。當(dāng)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線跟蹤目標(biāo)到中心軸附近時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、平滑地指向和跟蹤［14］。

在遠(yuǎn)離系統(tǒng)中心軸的光束指向區(qū)域，仍存在非線性控制問(wèn)題。與傳統(tǒng)的萬(wàn)向架或指向鏡系統(tǒng)不同，雙棱鏡系統(tǒng)對(duì)光束的最終轉(zhuǎn)向角度與棱鏡旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系是非線性的，這導(dǎo)致棱鏡旋轉(zhuǎn)控制方程的非線性。目前，實(shí)現(xiàn)非線性控制的基本思路是利用查表法或局部線性算法逆解控制方程，得出最終的棱鏡旋轉(zhuǎn)方位［21］。也可用二步法求解反向問(wèn)題，得出為得到預(yù)定的光束指向所需的棱鏡旋轉(zhuǎn)角度。光束轉(zhuǎn)向角與棱鏡旋轉(zhuǎn)角間的非線性關(guān)系加大了系統(tǒng)控制難度，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制算法來(lái)滿足應(yīng)用中光束轉(zhuǎn)向的需求。

5.3 棱鏡對(duì)光束質(zhì)量、成像質(zhì)量影響方面的問(wèn)題

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)必須解決的一個(gè)重要問(wèn)題是色差校正。在光束轉(zhuǎn)向應(yīng)用中，由于操作對(duì)象大多為激光光束，其單色性較好，色差影響較小。但在視軸轉(zhuǎn)向應(yīng)用中，成像光的波段寬，棱鏡導(dǎo)致的色差將明顯降低成像像質(zhì)，必須設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的棱鏡實(shí)現(xiàn)色差校正。針對(duì)旋轉(zhuǎn)棱鏡光束指向系統(tǒng)進(jìn)行色差校正面臨的挑戰(zhàn)主要包括4個(gè)方面，即大角度光束偏轉(zhuǎn)、寬波段覆蓋、系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)緊湊性、材料選擇及加工可行性。光束偏轉(zhuǎn)角越大，消色差波段越寬，色差校正的難度越大。傳統(tǒng)組合棱鏡方法雖能有效實(shí)現(xiàn)色差校正，但也增加了體積和重量，影響了系統(tǒng)的緊湊性和輕便性，限制了其實(shí)際應(yīng)用，這在可見(jiàn)和近紅外波段表現(xiàn)尤為明顯［38］。衍射光學(xué)元件方法僅在棱鏡表面蝕刻光柵結(jié)構(gòu)，能有效減小系統(tǒng)體積和重量，但同時(shí)也增大了加工難度。

當(dāng)利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大角度光束轉(zhuǎn)向時(shí)，系統(tǒng)將使光束形狀發(fā)生變形，導(dǎo)致光束遠(yuǎn)場(chǎng)能量分布的改變，影響遠(yuǎn)程激光通信系統(tǒng)的整體性能。在成像應(yīng)用中，大角度視軸偏轉(zhuǎn)下的成像畸變現(xiàn)象嚴(yán)重，難以滿足應(yīng)用需求。為在成像場(chǎng)和場(chǎng)景間建立準(zhǔn)確性高的映射關(guān)系，必須采用合適方法對(duì)成像畸變基本予以校正。

熱穩(wěn)定性能也是旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向系統(tǒng)需要關(guān)注的問(wèn)題。在溫度變化的環(huán)境下，系統(tǒng)對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角隨環(huán)境溫度改變，光束指向的穩(wěn)定性受到影響。為改善熱穩(wěn)定性能，在設(shè)計(jì)消色差棱鏡時(shí)，需從熱波動(dòng)的角度組合棱鏡材料，兼顧色差校正和熱穩(wěn)定性能［85］。

6 結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、準(zhǔn)確性高、速度快、偏轉(zhuǎn)角度大、動(dòng)態(tài)性能好、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，為大角度光束或成像視軸指向調(diào)整提供了一種頗具潛力的新方法，在航天、軍用、民用諸多領(lǐng)域中的光束掃描、目標(biāo)瞄準(zhǔn)與跟蹤等方面呈現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。目前，對(duì)該課題的研究主要集中在光束偏轉(zhuǎn)機(jī)制、掃描模式、棱鏡回轉(zhuǎn)控制、棱鏡帶來(lái)的色差、畸變等方面。針對(duì)具體應(yīng)用需求已設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多種相關(guān)光束或視軸指向掃描系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)面臨指向盲區(qū)、控制奇異點(diǎn)、色差校正、畸變校正等方面的難題。針對(duì)掃描和目標(biāo)跟蹤應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)和研究大偏轉(zhuǎn)角度、寬波段覆蓋的復(fù)合型或改進(jìn)型旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)，成為該課題目前的研究熱點(diǎn)。

從偏轉(zhuǎn)角度方面分析，早期的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)大多局限于較小角度的光束偏轉(zhuǎn)應(yīng)用。目前，采用高折射率、大頂角棱鏡構(gòu)造旋轉(zhuǎn)雙棱鏡機(jī)構(gòu)，使大角度光束或視軸偏轉(zhuǎn)成為可能，系統(tǒng)的光束掃描或目標(biāo)搜索范圍顯著擴(kuò)大。從波段方面分析，在自由空間激光通信、激光雷達(dá)等應(yīng)用中，被偏轉(zhuǎn)的光束為帶寬窄、單色性好的激光束，因此，棱鏡帶來(lái)的色散效應(yīng)表現(xiàn)不突出，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。利用組合棱鏡或衍射元件方法設(shè)計(jì)棱鏡，可在較寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)消色差，使旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)成像應(yīng)用成為可能。從偏轉(zhuǎn)對(duì)象分析，以前的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)大多用于光束的指向調(diào)整，典型的應(yīng)用有激光雷達(dá)、激光通信、激光制導(dǎo)等。目前，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的視軸指向調(diào)整應(yīng)用正快速發(fā)展，典型應(yīng)用有紅外對(duì)抗、掃描成像等。

旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用為光束掃描，即讓兩棱鏡以不同的旋轉(zhuǎn)速度沿相同或相反方向恒速旋轉(zhuǎn)，使出射光束按一定的掃描圖案在一定的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿場(chǎng)掃描;而目前在紅外對(duì)抗、自由空間激光通信等應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡需要實(shí)現(xiàn)光束/視軸指向穩(wěn)定和目標(biāo)實(shí)時(shí)平滑跟蹤功能。光束/視軸指向穩(wěn)定是指在動(dòng)載體平臺(tái)、熱波動(dòng)、大氣擾動(dòng)等環(huán)境因素的影響下，實(shí)現(xiàn)光束指向穩(wěn)定或穩(wěn)像。目標(biāo)跟蹤要求系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線實(shí)時(shí)指向和跟蹤目標(biāo)。

目前，基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)改進(jìn)型或復(fù)合型光束指向系統(tǒng)已成研究熱點(diǎn)。利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)合高精度平臺(tái)、微動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)造復(fù)合型光束指向系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)粗精兩級(jí)光束/視軸指向調(diào)整。在雙棱鏡機(jī)構(gòu)中加附加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)系統(tǒng)，可大幅提高光束的指向精度，解決棱鏡回轉(zhuǎn)控制問(wèn)題。典型設(shè)計(jì)如在雙棱鏡系統(tǒng)中加入一附加棱鏡［14，21］，或在棱鏡上增加轉(zhuǎn)軸［10］，使系統(tǒng)增加控制自由度，可有效解決指向盲區(qū)和奇異點(diǎn)問(wèn)題。

總之，利用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡可實(shí)現(xiàn)寬波段光束或成像視軸的大角度精密指向調(diào)整，可用于光束/視軸指向穩(wěn)定、掃描和目標(biāo)跟蹤，在激光通信、紅外對(duì)抗等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

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