本發(fā)明涉及大尺寸空間精密定位領(lǐng)域，尤其涉及一種用于大尺寸精密定位系統(tǒng)接收裝置的全向點探測技術(shù)。具體講,涉及全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大尺寸空間精密定位系統(tǒng)是為了滿足大型制造業(yè)的加工和裝配要求，該系統(tǒng)借鑒全球定位系統(tǒng)的測量思想，利用多個激光發(fā)射站對一個接收裝置定位，由于發(fā)射站發(fā)出的是繞固定軸勻速旋轉(zhuǎn)的掃描激光，并且發(fā)射站的位置是動態(tài)變化的，平面接收器顯然不能滿足動態(tài)的定位要求，而現(xiàn)有的全向探測定位技術(shù)雖然可以探測大視場范圍內(nèi)光束，但定位精度低、響應(yīng)速度慢。全向的點探測系統(tǒng)綜合全向探測器和點探測器的優(yōu)點，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)360°光束的探測，而且定位高精度、響應(yīng)速度快。

現(xiàn)有的全向探測定位技術(shù)采用的光電探測器件主要是面探測器或線探測器，分為成像型和非成像型。

成像型技術(shù)基本原理是將光電探測器件放在成像系統(tǒng)的焦平面上，光電探測器對入射光束成像，然后根據(jù)成像光斑來確定光束方向、波長等信息。成像型的光束探測為了實現(xiàn)大視場范圍內(nèi)任意方向的光束探測，成像系統(tǒng)通常是由魚眼鏡頭構(gòu)成，魚眼鏡頭的視場一般為180°，最大可達到270°，但魚眼鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不利于結(jié)構(gòu)的小型化。另外還有采用旋轉(zhuǎn)棱鏡、全息透鏡等成像系統(tǒng)，但均不能達到全向的視場要求，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對圖像傳感器的要求高。

非成像型技術(shù)通常是采用多通道技術(shù)，如接收系統(tǒng)由多個接收窗口組成，每個窗口對應(yīng)不同的方位，根據(jù)不同窗口號來探測光束。另外還有光纖延遲、掩膜編碼等技術(shù)均可用來探測光束。與成像型探測技術(shù)相比，非成像型探測技術(shù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理相對簡單，但探測精度較差。

面探測器或線探測器與點探測器相比，探測靈敏度差，影響系統(tǒng)探測精度的提高。現(xiàn)有的光電技術(shù)制造出的高質(zhì)量的點探測器，能用于單光子計數(shù)、極弱光探測等領(lǐng)域，但由于視場非常小，一般不用于光束探測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種全向的點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)，利用巧妙的、特殊的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高點探測器的探測精度和響應(yīng)速度的同時將探測視場增大到水平360°、垂直-45°—+5°。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)，由包括雙曲面、拋物面在內(nèi)的二次曲面凸面反射鏡、安裝在所述反射鏡正下方光電探測器、入射窗構(gòu)成，入射窗為截取空心球的中間部分，二次曲面凸面反射鏡位于空心球中間部分上部且凸面向下，空心球的球心與二次曲面凸面反射鏡鏡片內(nèi)焦點重合，光電探測器的中心位于二次曲面凸面反射鏡鏡片外焦點。

凸曲面反射鏡為拋物面反射鏡，所述拋物面反射鏡有實焦點，所述拋物面反射鏡正下方設(shè)有一片會聚鏡，所述會聚鏡正下方設(shè)有光電探測器，所述光電探測器中心位于所述拋物面反射鏡和會聚鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的焦點處。

入射窗結(jié)構(gòu)簡化為空心柱狀結(jié)構(gòu)，二次曲面凸面反射鏡改為非球面反射鏡，非球面反射鏡具備與二次曲面凸面反射鏡等效的內(nèi)焦點和外焦點。

所述全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)上部平面為分界，成對稱放置有與所述全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)完全相同結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

(1)結(jié)構(gòu)簡單，僅用一片或兩片鏡片即可實現(xiàn)全向的光束探測，從而實現(xiàn)定位；

(2)不需要很大的面陣或線陣探測器，僅用單點探測器，響應(yīng)速度快；

(3)用光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)點探測器的等效，極大提高了光束的探測精度。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明等效點探測器探測原理示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例一雙曲面型反射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例二拋物面型反射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例一和二改進型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明拓展探測角度的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

一種全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)，包括雙曲面、拋物面等二次曲面凸面反射鏡，所述反射鏡正下方安裝光電探測器，所述反射鏡和光電探測器外安裝入射窗，實現(xiàn)水平360°、垂直-45°—+5°的入射光線的探測。

作為本發(fā)明的進一步改進，與上述光束探測系統(tǒng)成對稱放置完全相同的一套探測系統(tǒng)，用于探測水平360°、垂直-5°—+45°入射光線。

作為本發(fā)明的進一步改進，入射窗為空心球狀并且球心與反射鏡的內(nèi)焦點重合，這樣射向反射鏡內(nèi)焦點的光束不會被入射窗改變方向。

本發(fā)明能夠等效點探測器來測量光束，其具體步驟如下：

(1)利用二次曲面型凸反射鏡的焦點特性，如雙曲面有兩個焦點位置，一個位于鏡片內(nèi)，一個位于鏡片外，對于延長線經(jīng)過鏡片內(nèi)焦點F₁的入射光線，經(jīng)雙曲面反射后經(jīng)過另一個焦點F₂；拋物面只有一個位于鏡片內(nèi)的實焦點，向該焦點入射的光線經(jīng)其反射后平行系統(tǒng)光軸出射。

(2)雙曲面具有內(nèi)外兩個焦點，向內(nèi)焦點入射的光線經(jīng)反射面后一定會聚于外焦點，此處放置光電探測器即可實現(xiàn)點探測功能。由于雙曲面的雙焦點特性，不同角度的光束在探測器位置形成的光斑能量差小、且光斑中心均在探測器的中心，因此所需光電探測器感光面不需要很大，直接提高了系統(tǒng)的探測精度和響應(yīng)速度。故雙曲面反射鏡的內(nèi)焦點F₁即為等效點探測器的等效點位置，實際的探測器位置是雙曲面反射鏡的外焦點F₂位置，在上述視場內(nèi)的任意光線入射系統(tǒng)，但只有入射方向的延長線經(jīng)過內(nèi)焦點F₁的光線才能被系統(tǒng)探測到，實現(xiàn)全向點探測器的目標(biāo)。

(3)對于拋物面而言，當(dāng)一束光經(jīng)入射窗折射后到達反射面，延長線經(jīng)過拋物面反射鏡焦點F₃的光線會平行光軸出射，以該光線為中心光線的細(xì)光束經(jīng)拋物面反射鏡正下方一片會聚鏡會聚之后被該片透鏡正下方的光電探測器接收到，且光斑中心位于探測器的中心。因此，拋物面反射鏡的焦點F₃也可為等效點探測器的等效點位置，同樣也可實現(xiàn)全向點探測器的目標(biāo)。

作為本發(fā)明的進一步改進，為了減小系統(tǒng)的體積以及入射窗的加工、裝配難度，將空心球狀的入射窗改成空心柱狀。對于空心柱狀的入射窗，由于平行平板對光線的偏移，不同角度入射光線也會有不同程度的光線平移，不同角度的入射光經(jīng)過加空心柱狀入射窗系統(tǒng)的光斑會有不同程度的偏心，即等效點探測器的等效點不再是同一個點。為了校正等效點的偏離，可以將雙曲面反射鏡改成非球面反射鏡，等效出新的焦點。

如圖1所示，為等效點探測器探測原理示意圖，用于探測水平360°、垂直-45°—+5°范圍的光束。

實施例一

如圖2所示，一種全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)，包括面型為雙曲面的凸反射鏡1，所述雙曲面反射鏡1有內(nèi)焦點2和外焦點3。所述雙曲面反射鏡1的正下方安裝有單點探測器4，并且所述光電探測器4的中心位于所述外焦點3處，所述光電探測器4外有保護套5。所述雙曲面反射鏡1和所述光電探測器4外安裝塑料材料入射窗6，所述入射窗6的面型為有一定厚度的空心球，且球心位于所述雙曲面反射鏡1的所述內(nèi)焦點2處，為了減小體積，截取空心球的中間部分。

在本實施例中，在水平360°、垂直-45°—+5°之間任意角度的入射光束從所述入射窗6入射到所述雙曲面反射鏡1，經(jīng)所述雙曲面鏡1反射后，延長線經(jīng)過所述焦點2的光線(如以-45°入射的光線7和以+5°入射的光線8)經(jīng)所述雙曲面反射鏡1反射之后，入射到所述光電探測器4的中心。

實施例二

如圖2所示，一種全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)，與實施例一不同之處在于，凸曲面反射鏡為拋物面反射鏡9，所述拋物面反射鏡9有實焦點10，所述拋物面反射鏡9正下方設(shè)有一片會聚鏡11，所述會聚鏡11正下方設(shè)有與實施例一相同的光電探測器4，所述光電探測器4中心位于所述拋物面反射鏡9和會聚鏡11構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的焦點12處。

在本實施例中，水平360°、垂直-45°—+5°之間任意角度的入射光束從所述入射窗6入射到所述拋物面反射鏡9，經(jīng)所述拋物面9反射后，延長線經(jīng)過所述焦點10的光線(如以-45°入射的光線13和以+5°入射的光線14)會平行光軸出射，經(jīng)所述會聚鏡11會聚后到達所述光電探測器4的中心。

實施例三

如圖3所示，一種全向點探測器等效光學(xué)系統(tǒng)，凸曲面反射鏡面型為非球面15，所述非球面反射鏡15本身沒有焦點但經(jīng)過面形優(yōu)化可以有兩個等效焦點，即內(nèi)焦點16和外焦點17。所述外焦點17位置處安裝所述光電探測器4，且所述光電探測器4的中心位于所述外焦點17處。所述非球面反射鏡15和所述光電探測器4外設(shè)有空心柱狀的入射窗18。

在本實施例中，所述入射窗18為結(jié)構(gòu)更簡化、裝配和加工更簡單的空心柱狀結(jié)構(gòu)，在實施例一和實施例二中延長線能過內(nèi)焦點的入射光線(如以-45°入射的光線19和以+5°入射的光線20)，不再能會聚于同一焦點。因此在二次曲面反射鏡的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)設(shè)計軟件CODEV將反射鏡的二次曲面面形優(yōu)化為偶次非球面，并在LightTools中設(shè)置-45°—+5°之間多個視場，利用LightTools的光線追跡功能結(jié)合所述光電探測器4光敏面的位置驗證優(yōu)化結(jié)果，最終得到具有所述內(nèi)焦點16和外焦點17兩個等效焦點的所述非球面反射鏡15。

在本實施例中，在水平360°、垂直-45°—+5°之間任意角度的入射光束經(jīng)所述空心柱狀入射窗18入射到所述非球面反射鏡15，經(jīng)所述非球面反射鏡15反射后，只有延長線經(jīng)過所述焦點16的光線(如以-45°入射的光線21和以+5°入射的光線22)才能到達所述外焦點17處即被所述光電探測器4探測到。

實施例四

如圖5所示，以非球面型反射系統(tǒng)為例介紹一種將系統(tǒng)的垂直探測角度增加到-45°—+45°的結(jié)構(gòu)，即在-45°—+5°探測結(jié)構(gòu)23正上方成對稱放置與之完全相同的結(jié)構(gòu)24。

在本實施例中，所述探測結(jié)構(gòu)23探測接收垂直-45°—+5°范圍內(nèi)的光束，所述結(jié)構(gòu)24探測接收垂直-5°—+45°范圍內(nèi)光束，整體系統(tǒng)即可探測接收來自水平360°、垂直-45°—+45°范圍內(nèi)的光束。