一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器的製作方法

2023-10-08 15:47:24 2

專利名稱：一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傾斜跟蹤傳感器的技術領域，特別是一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器，其為一種具有大動態範圍和高探測精度的光學精密跟蹤傳感器。
背景技術：
星-地光通信是指利 用雷射束為載體，建立衛星與地面間的光通信鏈路。與目前普遍採用的微波通信相比，星-地光通信具有通信容量大、系統尺寸和重量小、保密性強、電磁幹擾少和頻帶寬等優點。因此，許多國家都投入了巨大的財力、人力和物力進行星-地光通信的研究。其中日本於1995年7月首次利用ETS-VI系統成功地完成星-地間雷射通信試驗，證明了星-地間雷射通信的可行性。美國的噴氣動力實驗室JPUJet PropulsionLab)研製的星-地光通信演不機0CD(Optical Communications Demonstrator)數據傳輸率可達250Mbps，美國彈道飛彈防禦組織於空間和飛彈防禦司令部共同資助的STRV2星-地雷射通信計劃預計在低軌道衛星與固定地面站之間建立距離為2000km，數據傳輸率為IGbps的光通信鏈路。歐洲的歐空局ESA研製的GEO衛星AREMIS於2000年發射，其中的一條光鏈路可以實現衛星與位於Canary島的地面站間之間的通信。ATP (Acquisition, Tracking, Pointing)技術是星_地光通信中需要突破的核心技術之一，ATP系統由傾斜跟蹤器、控制單元和驅動單元組成。在星-地光通信的ATP系統中，由於光傳輸需要經過大氣這一隨機信道，受大氣湍流低階相差和衛星運動的影響，到達系統的光斑會大範圍地隨機抖動，為了保證星-地光通信鏈路的暢通，ATP系統中的傾斜跟蹤探測器必須具有大動態範圍、聞探測精度、聞靈敏度和聞巾貞頻等特點。傾斜跟蹤探測器一般由成像透鏡、光電轉換器件和波前傾斜處理機組成。來自目標的光信號經成像透鏡匯集後投射在光電轉換器件的光敏面上形成目標光斑，當目標波前傾斜量改變時，目標光斑在光電轉換器件的光敏面上移動，光敏面上光能量分布改變，這時，波前傾斜處理機可以根據光電轉換器件輸出的光電信號來計算出目標光斑的質心位置從而解算出目標波前的傾斜量。光電轉換器件目前多採用CCD相機、CMOS相機或四象限探測器，其中CCD相機的低讀出幀頻的缺點限制了其在高幀頻探測中的應用；CM0S相機的大噪聲和低光敏感度等缺點限制了其在弱光探測中的應用。隨著多陽極光電倍增管的發展，基於多陽極光電倍增管的四象限探測器的四路信號可以並行輸出，並且單路信號具有光子靈敏度和僅暗計數噪聲的特點，因此具有高幀頻、高靈敏度和低噪聲的特點，是一種比較理想的光斑質心探測器件。受到加工工藝的限制，基於多陽極光電倍增管的四象限探測器的死區較大，受限於系統的動態範圍，成像透鏡的焦距不能無限制地增大以增大四象限探測器處光斑的高斯寬度，此時死區會大幅度地降低四象限跟蹤傳感器的精度(參見「受限於死區的四象限跟蹤傳感器的性能分析」，馬曉燠，母傑，饒長輝，物理學報，第22卷7期，第67頁-73頁，2012年7期)。為了保證星-地光通信中ATP系統動態範圍的同時提高系統的精度、減小四象限探測器死區對四象限跟蹤傳感器精度的影響，就成了一個很重要的研究課題。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有四象限探測器生產工藝技術的不足，減小死區對四象限跟蹤傳感器測量精度的影響，提供一種具有大動態範圍、高探測精度的光學精密跟蹤傳感器。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器，包括成像透鏡、分光四稜錐和四象限探測器，在成像透鏡和四象限探測器之間放置一分光四稜錐，分光四稜錐的頂點與成像透鏡的焦點重合，分光四稜錐的中軸線與成像透鏡的光軸重合，四象限探測器的光敏面垂直於分光四稜錐的中軸線，並且四象限探測器象限之間的分割線與分光四稜錐的四條稜在四象限探測器光敏面上的投影重合；分光四稜錐將入射波前經成像透鏡後形成的光斑分割並偏轉為四路出射光束，該四路光束分別由四象限探測器的四個光敏面接收，當入射波前發生傾斜時，入射波前經成像透鏡後形成的光斑在會偏離分光四稜錐的頂點，導致分光四稜錐四路出射光束的光強發生變化，由於四象限探測器的四路輸出信號正比於四路光束的光強，所以將四象限探測器的輸出信號通過質心計 算公式計算後就可以得到焦平面處光斑的位置，從而反算出入射波前的傾斜量。
{L + 人)一(/, + /,,) (L +/_,) — (/, + /-,)所述的質心計算公式為^ + -hh ,J = Uhh 』其中:il、i2、i3
和i4分別是四象限探測器第I象限、第II象限、第III象限和第IV象限的輸出信號。所述的四象限探測器可以是單個的四象限探測器，也可以是由四個獨立的光強探測器拼接成的四象限探測器。本發明與現有技術相比有如下優點(I)、傳統的傾斜跟蹤傳感器將四象限探測器直接放置在成像透鏡的焦面處，此時四象限探測器的死區會直接影響到傾斜跟蹤傳感器的精度，本發明通過分光四稜錐將入射波前經成像透鏡後形成的光斑分割並偏轉為四路光束，此時，死區寬度等於分光四稜錐稜的寬度，因此當四象限探測器的死區寬度大於分光四稜錐稜的寬度時，可以減小四象限傾斜跟蹤傳感器的死區寬度，從而提高了波前傾斜探測的精度。(2)、由於本發明沒有改變四象限跟蹤傳感器中成像透鏡的有效焦距，因此，本發明不會影響四象限傾斜跟蹤傳感器原有的動態範圍。


圖I為本發明的帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器示意圖；圖2為傳統的四象限跟蹤傳感器示意圖；圖3為四象限探測器分割光斑示意圖；圖4為本發明中分光四稜錐分割光斑示意圖；圖5為分光四稜錐分割光斑後光束偏轉角度不意圖。
圖6為本發明帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器的跟蹤誤差曲線與傳統的四象限跟蹤傳感器的跟蹤誤差曲線圖。圖中1 :成像透鏡，2 :分光四稜錐，3 :四象限探測器。
具體實施例方式本發明包括成像透鏡1、分光四稜錐2和四象限探測器3。如圖I所示分光四稜錐2位於成像透鏡I和四象限探測器3之間，分光四稜錐2的頂點與成像透鏡I的焦點重合，分光四稜錐2的中軸線與成像透鏡I的光軸重合，四象限探測器3的光敏面垂直於分光四稜錐2的中軸線，並且四象限探測器3象限之間的分割線與分光四稜錐2的四條稜在四象限探測器3光敏面上的投影重合；分光四稜錐2將入射波前經成像透鏡I後形成的光斑分割並偏轉為四路出射光束，該四路光束分別由四象限探測器3的四個光敏面接收。在本實施例中，採用多陽極光電倍增管作為四象限探測器3，其死區尺寸為O.2mm,單個象限的光敏面的尺寸為9mmx9mm ;分光四稜錐2單條稜的寬度為20um,頂角為178度，直徑為25mm，材料的折射率為I. 55 ;成像透鏡I的口徑為50mm，等效焦距為4000mm。首先根據分光四稜錐2的分光特性(如圖4所示)計算分光四稜錐2與四象限探測器3之間的最小距離d|min (如圖I所示)。
權利要求
1.一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器，包括成像透鏡(I)、分光四稜錐(2)和四象限探測器(3)，其特徵在於在成像透鏡(I)和四象限探測器(3)之間放置一分光四稜錐(2)，分光四稜錐(2)的頂點與成像透鏡(I)的焦點重合，分光四稜錐(2)的中軸線與成像透鏡(I)的光軸重合，四象限探測器(3)的光敏面垂直於分光四稜錐(2)的中軸線，並且四象限探測器(3)象限之間的分割線與分光四稜錐(2)的四條稜在四象限探測器(3)光敏面上的投影重合；分光四稜錐(2)將入射波前經成像透鏡(I)後形成的光斑分割並偏轉為四路出射光束，該四路光束分別由四象限探測器(3)的四個光敏面接收，當入射波前發生傾斜時，入射波前經成像透鏡(I)後形成的光斑在會偏離分光四稜錐(2)的頂點，導致分光四稜錐(2)四路出射光束的光強發生變化，由於四象限探測器(3)的四路輸出信號正比於四路光束的光強，所以將四象限探測器(3)的輸出信號通過質心計算公式計算後就可以得到焦平面處光斑的位置，從而反算出入射波前的傾斜量。
2.根據權利要求I所述的一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器，其特徵在於所述
3.根據權利要求I所述的一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器，其特徵在於所述的四象限探測器(3)可以是單個的四象限探測器，也可以是由四個獨立的光強探測器拼接成的四象限探測器。
全文摘要
本發明提供一種帶分光四稜錐的四象限跟蹤傳感器，包括成像透鏡、分光四稜錐和四象限探測器，在成像透鏡和四象限探測器之間加入了一分光四稜錐，利用分光四稜錐將入射波前經成像透鏡後形成的光斑分割並偏轉為四路光束後，由四象限探測器的探測四路光束的光強並根據光強數據計算波前的傾斜量，與傳統的將四象限探測器的光敏面直接放置在成像透鏡的焦平面處的方法相比，本發明的四象限傾斜跟蹤傳感器的死區寬度等於分光四稜錐稜的寬度，因此當四象限探測器的死區寬度大於分光四稜錐稜的寬度時，可以提高四象限傾斜跟蹤傳感器的波前傾斜探測的精度。
文檔編號G01J9/00GK102879108SQ201210288349
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月14日 優先權日2012年8月14日
發明者馬曉燠, 饒長輝, 郭友明, 魏凱, 魏凌, 饒學軍 申請人:中國科學院光電技術研究所