全向點(diǎn)探測(cè)器等效光學(xué)系統(tǒng)的制作方法

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(diǎn)探測(cè)技術(shù)。具體講,涉及全向點(diǎn)探測(cè)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(cè)量思想，利用多個(gè)激光發(fā)射站對(duì)一個(gè)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(dòng)態(tài)變化的，平面接收器顯然不能滿足動(dòng)態(tài)的定位要求，而現(xiàn)有的全向探測(cè)定位技術(shù)雖然可以探測(cè)大視場(chǎng)范圍內(nèi)光束，但定位精度低、響應(yīng)速度慢。全向的點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)綜合全向探測(cè)器和點(diǎn)探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)360°光束的探測(cè)，而且定位高精度、響應(yīng)速度快。

現(xiàn)有的全向探測(cè)定位技術(shù)采用的光電探測(cè)器件主要是面探測(cè)器或線探測(cè)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(cè)器件放在成像系統(tǒng)的焦平面上，光電探測(cè)器對(duì)入射光束成像，然后根據(jù)成像光斑來(lái)確定光束方向、波長(zhǎng)等信息。成像型的光束探測(cè)為了實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)范圍內(nèi)任意方向的光束探測(cè)，成像系統(tǒng)通常是由魚眼鏡頭構(gòu)成，魚眼鏡頭的視場(chǎng)一般為180°，最大可達(dá)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(dá)到全向的視場(chǎng)要求，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)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(gè)接收窗口組成，每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)不同的方位，根據(jù)不同窗口號(hào)來(lái)探測(cè)光束。另外還有光纖延遲、掩膜編碼等技術(shù)均可用來(lái)探測(cè)光束。與成像型探測(cè)技術(shù)相比，非成像型探測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，但探測(cè)精度較差。

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

技術(shù)實(shí)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(diǎn)探測(cè)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(diǎn)探測(cè)器的探測(cè)精度和響應(yīng)速度的同時(shí)將探測(cè)視場(chǎng)增大到水平360°、垂直-45°—+5°。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，全向點(diǎn)探測(cè)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(cè)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(diǎn)重合，光電探測(cè)器的中心位于二次曲面凸面反射鏡鏡片外焦點(diǎn)。

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

入射窗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)和外焦點(diǎn)。

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

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅用一片或兩片鏡片即可實(shí)現(xiàn)全向的光束探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)定位；

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

(3)用光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)探測(cè)器的等效，極大提高了光束的探測(cè)精度。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明等效點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)施例一和二改進(jìn)型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明拓展探測(cè)角度的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

一種全向點(diǎn)探測(cè)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(cè)器，所述反射鏡和光電探測(cè)器外安裝入射窗，實(shí)現(xiàn)水平360°、垂直-45°—+5°的入射光線的探測(cè)。

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

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

本發(fā)明能夠等效點(diǎn)探測(cè)器來(lái)測(cè)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(diǎn)特性，如雙曲面有兩個(gè)焦點(diǎn)位置，一個(gè)位于鏡片內(nèi)，一個(gè)位于鏡片外，對(duì)于延長(zhǎng)線經(jīng)過(guò)鏡片內(nèi)焦點(diǎn)F₁的入射光線，經(jīng)雙曲面反射后經(jīng)過(guò)另一個(gè)焦點(diǎn)F₂；拋物面只有一個(gè)位于鏡片內(nèi)的實(shí)焦點(diǎn)，向該焦點(diǎn)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(gè)焦點(diǎn)，向內(nèi)焦點(diǎn)入射的光線經(jīng)反射面后一定會(huì)聚于外焦點(diǎn)，此處放置光電探測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)探測(cè)功能。由于雙曲面的雙焦點(diǎn)特性，不同角度的光束在探測(cè)器位置形成的光斑能量差小、且光斑中心均在探測(cè)器的中心，因此所需光電探測(cè)器感光面不需要很大，直接提高了系統(tǒng)的探測(cè)精度和響應(yīng)速度。故雙曲面反射鏡的內(nèi)焦點(diǎn)F₁即為等效點(diǎn)探測(cè)器的等效點(diǎn)位置，實(shí)際的探測(cè)器位置是雙曲面反射鏡的外焦點(diǎn)F₂位置，在上述視場(chǎng)內(nèi)的任意光線入射系統(tǒng)，但只有入射方向的延長(zhǎng)線經(jīng)過(guò)內(nèi)焦點(diǎn)F₁的光線才能被系統(tǒng)探測(cè)到，實(shí)現(xiàn)全向點(diǎn)探測(cè)器的目標(biāo)。

(3)對(duì)于拋物面而言，當(dāng)一束光經(jīng)入射窗折射后到達(dá)反射面，延長(zhǎng)線經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡焦點(diǎn)F₃的光線會(huì)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(huì)聚鏡會(huì)聚之后被該片透鏡正下方的光電探測(cè)器接收到，且光斑中心位于探測(cè)器的中心。因此，拋物面反射鏡的焦點(diǎn)F₃也可為等效點(diǎn)探測(cè)器的等效點(diǎn)位置，同樣也可實(shí)現(xiàn)全向點(diǎn)探測(cè)器的目標(biāo)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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(duì)于空心柱狀的入射窗，由于平行平板對(duì)光線的偏移，不同角度入射光線也會(huì)有不同程度的光線平移，不同角度的入射光經(jīng)過(guò)加空心柱狀入射窗系統(tǒng)的光斑會(huì)有不同程度的偏心，即等效點(diǎn)探測(cè)器的等效點(diǎn)不再是同一個(gè)點(diǎn)。為了校正等效點(diǎn)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(diǎn)。

如圖1所示，為等效點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)原理示意圖，用于探測(cè)水平360°、垂直-45°—+5°范圍的光束。

實(shí)施例一

如圖2所示，一種全向點(diǎn)探測(cè)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(diǎn)2和外焦點(diǎn)3。所述雙曲面反射鏡1的正下方安裝有單點(diǎn)探測(cè)器4，并且所述光電探測(cè)器4的中心位于所述外焦點(diǎn)3處，所述光電探測(cè)器4外有保護(hù)套5。所述雙曲面反射鏡1和所述光電探測(cè)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(diǎn)2處，為了減小體積，截取空心球的中間部分。

在本實(shí)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(zhǎng)線經(jīng)過(guò)所述焦點(diǎn)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(cè)器4的中心。

實(shí)施例二

如圖2所示，一種全向點(diǎn)探測(cè)器等效光學(xué)系統(tǒng)，與實(shí)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(shí)焦點(diǎn)10，所述拋物面反射鏡9正下方設(shè)有一片會(huì)聚鏡11，所述會(huì)聚鏡11正下方設(shè)有與實(shí)施例一相同的光電探測(cè)器4，所述光電探測(cè)器4中心位于所述拋物面反射鏡9和會(huì)聚鏡11構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)12處。

在本實(shí)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(zhǎng)線經(jīng)過(guò)所述焦點(diǎn)10的光線(如以-45°入射的光線13和以+5°入射的光線14)會(huì)平行光軸出射，經(jīng)所述會(huì)聚鏡11會(huì)聚后到達(dá)所述光電探測(cè)器4的中心。

實(shí)施例三

如圖3所示，一種全向點(diǎn)探測(cè)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(méi)有焦點(diǎn)但經(jīng)過(guò)面形優(yōu)化可以有兩個(gè)等效焦點(diǎn)，即內(nèi)焦點(diǎn)16和外焦點(diǎn)17。所述外焦點(diǎn)17位置處安裝所述光電探測(cè)器4，且所述光電探測(cè)器4的中心位于所述外焦點(diǎn)17處。所述非球面反射鏡15和所述光電探測(cè)器4外設(shè)有空心柱狀的入射窗18。

在本實(shí)施例中，所述入射窗18為結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化、裝配和加工更簡(jiǎn)單的空心柱狀結(jié)構(gòu)，在實(shí)施例一和實(shí)施例二中延長(zhǎng)線能過(guò)內(nèi)焦點(diǎn)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(huì)聚于同一焦點(diǎn)。因此在二次曲面反射鏡的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)視場(chǎng)，利用LightTools的光線追跡功能結(jié)合所述光電探測(cè)器4光敏面的位置驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，最終得到具有所述內(nèi)焦點(diǎn)16和外焦點(diǎn)17兩個(gè)等效焦點(diǎn)的所述非球面反射鏡15。

在本實(shí)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(zhǎng)線經(jīng)過(guò)所述焦點(diǎn)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(dá)所述外焦點(diǎn)17處即被所述光電探測(cè)器4探測(cè)到。

實(shí)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(cè)角度增加到-45°—+45°的結(jié)構(gòu)，即在-45°—+5°探測(cè)結(jié)構(gòu)23正上方成對(duì)稱放置與之完全相同的結(jié)構(gòu)24。

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