本發明涉及大尺寸空間精密定位領域，尤其涉及一種用于大尺寸精密定位系統接收裝置的全向點探測技術。具體講,涉及全向點探測器等效光學系統。

背景技術：

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

現有的全向探測定位技術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。

成像型技術基本原理是將光電探測器件放在成像系統的焦平面上，光電探測器對入射光束成像，然后根據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大視場范圍內任意方向的光束探測，成像系統通常是由魚眼鏡頭構成，魚眼鏡頭的視場一般為180°，最大可達到270°，但魚眼鏡頭的光學結構非常復雜，不利于結構的小型化。另外還有采用旋轉棱鏡、全息透鏡等成像系統，但均不能達到全向的視場要求，并且結構復雜，對圖像傳感器的要求高。

非成像型技術通常是采用多通道技術，如接收系統由多個接收窗口組成，每個窗口對應不同的方位，根據不同窗口號來探測光束。另外還有光纖延遲、掩膜編碼等技術均可用來探測光束。與成像型探測技術相比，非成像型探測技術結構及數據處理相對簡單，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，影響系統探測精度的提高。現有的光電技術制造出的高質量的點探測器，能用于單光子計數、極弱光探測等領域，但由于視場非常小，一般不用于光束探測。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種全向的點探測器等效光學系統，利用巧妙的、特殊的光學系統結構，提高點探測器的探測精度和響應速度的同時將探測視場增大到水平360°、垂直-45°—+5°。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是，全向點探測器等效光學系統，由包括雙曲面、拋物面在內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有一片會聚鏡，所述會聚鏡正下方設有光電探測器，所述光電探測器中心位于所述拋物面反射鏡和會聚鏡構成的光學系統的焦點處。

入射窗結構簡化為空心柱狀結構，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焦點和外焦點。

所述全向點探測器等效光學系統上部平面為分界，成對稱放置有與所述全向點探測器等效光學系統完全相同結構。

本發明的特點及有益效果是：

(1)結構簡單，僅用一片或兩片鏡片即可實現全向的光束探測，從而實現定位；

(2)不需要很大的面陣或線陣探測器，僅用單點探測器，響應速度快；

(3)用光學系統實現點探測器的等效，極大提高了光束的探測精度。

附圖說明：

圖1為本發明等效點探測器探測原理示意圖。

圖2為本發明實施例一雙曲面型反射系統的結構示意圖。

圖3為本發明實施例二拋物面型反射系統的結構示意圖。

圖4為本發明實施例一和二改進型結構示意圖。

圖5為本發明拓展探測角度的結構示意圖。

具體實施方式

一種全向點探測器等效光學系統，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，實現水平360°、垂直-45°—+5°的入射光線的探測。

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

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

本發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，一個位于鏡片外，對于延長線經過鏡片內焦點F₁的入射光線，經雙曲面反射后經過另一個焦點F₂；拋物面只有一個位于鏡片內的實焦點，向該焦點入射的光線經其反射后平行系統光軸出射。

(2)雙曲面具有內外兩個焦點，向內焦點入射的光線經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，直接提高了系統的探測精度和響應速度。故雙曲面反射鏡的內焦點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，在上述視場內的任意光線入射系統，但只有入射方向的延長線經過內焦點F₁的光線才能被系統探測到，實現全向點探測器的目標。

(3)對于拋物面而言，當一束光經入射窗折射后到達反射面，延長線經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光束經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，同樣也可實現全向點探測器的目標。

作為本發明的進一步改進，為了減小系統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過加空心柱狀入射窗系統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系統，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，經所述雙曲面鏡1反射后，延長線經過所述焦點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系統，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正下方設有一片會聚鏡11，所述會聚鏡11正下方設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構成的光學系統的焦點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，經所述拋物面9反射后，延長線經過所述焦點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系統，凸曲面反射鏡面型為非球面15，所述非球面反射鏡15本身沒有焦點但經過面形優化可以有兩個等效焦點，即內焦點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外設有空心柱狀的入射窗18。

在本實施例中，所述入射窗18為結構更簡化、裝配和加工更簡單的空心柱狀結構，在實施例一和實施例二中延長線能過內焦點的入射光線(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上，利用光學設計軟件CODEV將反射鏡的二次曲面面形優化為偶次非球面，并在LightTools中設置-45°—+5°之間多個視場，利用LightTools的光線追跡功能結合所述光電探測器4光敏面的位置驗證優化結果，最終得到具有所述內焦點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所述空心柱狀入射窗18入射到所述非球面反射鏡15，經所述非球面反射鏡15反射后，只有延長線經過所述焦點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為例介紹一種將系統的垂直探測角度增加到-45°—+45°的結構，即在-45°—+5°探測結構23正上方成對稱放置與之完全相同的結構24。

在本實施例中，所述探測結構23探測接收垂直-45°—+5°范圍內的光束，所述結構24探測接收垂直-5°—+45°范圍內光束，整體系統即可探測接收來自水平360°、垂直-45°—+45°范圍內的光束。