專利名稱：一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傾斜跟蹤傳感器的技術領域，特別是一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，其為一種具有大動態(tài)范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 用激光束為載體，建立衛(wèi)星與地面間的光通信鏈路。與目前普遍采用的微波通信相比，星-地光通信具有通信容量大、系統(tǒng)尺寸和重量小、保密性強、電磁干擾少和頻帶寬等優(yōu)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。其中日本于1995年7月首次利用ETS-VI系統(tǒng)成功地完成星-地間激光通信試驗，證明了星-地間激光通信的可行性。美國的噴氣動力實驗室JPUJet PropulsionLab)研制的星-地光通信演不機0CD(Optical Communications Demonstrator)數(shù)據(jù)傳輸率可達250Mbps，美國彈道導彈防御組織于空間和導彈防御司令部共同資助的STRV2星-地激光通信計劃預計在低軌道衛(wèi)星與固定地面站之間建立距離為2000km，數(shù)據(jù)傳輸率為IGbps的光通信鏈路。歐洲的歐空局ESA研制的GEO衛(wèi)星AREMIS于2000年發(fā)射，其中的一條光鏈路可以實現(xiàn)衛(wèi)星與位于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(tǒng)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(tǒng)中，由于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(wèi)星運動的影響，到達系統(tǒng)的光斑會大范圍地隨機抖動，為了保證星-地光通信鏈路的暢通，ATP系統(tǒng)中的傾斜跟蹤探測器必須具有大動態(tài)范圍、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后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(jù)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采用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(fā)展，基于多陽極光電倍增管的四象限探測器的四路信號可以并行輸出，并且單路信號具有光子靈敏度和僅暗計數(shù)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，基于多陽極光電倍增管的四象限探測器的死區(qū)較大，受限于系統(tǒng)的動態(tài)范圍，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(qū)會大幅度地降低四象限跟蹤傳感器的精度(參見“受限于死區(qū)的四象限跟蹤傳感器的性能分析”，馬曉燠，母杰，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(tǒng)動態(tài)范圍的同時提高系統(tǒng)的精度、減小四象限探測器死區(qū)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(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有四象限探測器生產工藝技術的不足，減小死區(qū)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(tài)范圍、高探測精度的光學精密跟蹤傳感器。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，包括成像透鏡、分光四棱錐和四象限探測器，在成像透鏡和四象限探測器之間放置一分光四棱錐，分光四棱錐的頂點與成像透鏡的焦點重合，分光四棱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于分光四棱錐的中軸線，并且四象限探測器象限之間的分割線與分光四棱錐的四條棱在四象限探測器光敏面上的投影重合；分光四棱錐將入射波前經成像透鏡后形成的光斑分割并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(fā)生傾斜時，入射波前經成像透鏡后形成的光斑在會偏離分光四棱錐的頂點，導致分光四棱錐四路出射光束的光強發(fā)生變化，由于四象限探測器的四路輸出信號正比于四路光束的光強，所以將四象限探測器的輸出信號通過質心計 算公式計算后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(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下優(yōu)點(I)、傳統(tǒng)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(qū)會直接影響到傾斜跟蹤傳感器的精度，本發(fā)明通過分光四棱錐將入射波前經成像透鏡后形成的光斑分割并偏轉為四路光束，此時，死區(qū)寬度等于分光四棱錐棱的寬度，因此當四象限探測器的死區(qū)寬度大于分光四棱錐棱的寬度時，可以減小四象限傾斜跟蹤傳感器的死區(qū)寬度，從而提高了波前傾斜探測的精度。(2)、由于本發(fā)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(fā)明不會影響四象限傾斜跟蹤傳感器原有的動態(tài)范圍。


圖I為本發(fā)明的帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器示意圖；圖2為傳統(tǒng)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(fā)明中分光四棱錐分割光斑示意圖；圖5為分光四棱錐分割光斑后光束偏轉角度不意圖。
圖6為本發(fā)明帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器的跟蹤誤差曲線與傳統(tǒng)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 :分光四棱錐，3 :四象限探測器。
具體實施例方式本發(fā)明包括成像透鏡1、分光四棱錐2和四象限探測器3。如圖I所示分光四棱錐2位于成像透鏡I和四象限探測器3之間，分光四棱錐2的頂點與成像透鏡I的焦點重合，分光四棱錐2的中軸線與成像透鏡I的光軸重合，四象限探測器3的光敏面垂直于分光四棱錐2的中軸線，并且四象限探測器3象限之間的分割線與分光四棱錐2的四條棱在四象限探測器3光敏面上的投影重合；分光四棱錐2將入射波前經成像透鏡I后形成的光斑分割并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，采用多陽極光電倍增管作為四象限探測器3，其死區(qū)尺寸為O.2mm,單個象限的光敏面的尺寸為9mmx9mm ;分光四棱錐2單條棱的寬度為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(jù)分光四棱錐2的分光特性(如圖4所示)計算分光四棱錐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
1.一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，包括成像透鏡(I)、分光四棱錐(2)和四象限探測器(3)，其特征在于在成像透鏡(I)和四象限探測器(3)之間放置一分光四棱錐(2)，分光四棱錐(2)的頂點與成像透鏡(I)的焦點重合，分光四棱錐(2)的中軸線與成像透鏡(I)的光軸重合，四象限探測器(3)的光敏面垂直于分光四棱錐(2)的中軸線，并且四象限探測器(3)象限之間的分割線與分光四棱錐(2)的四條棱在四象限探測器(3)光敏面上的投影重合；分光四棱錐(2)將入射波前經成像透鏡(I)后形成的光斑分割并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(fā)生傾斜時，入射波前經成像透鏡(I)后形成的光斑在會偏離分光四棱錐(2)的頂點，導致分光四棱錐(2)四路出射光束的光強發(fā)生變化，由于四象限探測器(3)的四路輸出信號正比于四路光束的光強，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后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(jù)權利要求I所述的一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，其特征在于所述
3.根據(jù)權利要求I所述的一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，其特征在于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(fā)明提供一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，包括成像透鏡、分光四棱錐和四象限探測器，在成像透鏡和四象限探測器之間加入了一分光四棱錐，利用分光四棱錐將入射波前經成像透鏡后形成的光斑分割并偏轉為四路光束后，由四象限探測器的探測四路光束的光強并根據(jù)光強數(shù)據(jù)計算波前的傾斜量，與傳統(tǒng)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(fā)明的四象限傾斜跟蹤傳感器的死區(qū)寬度等于分光四棱錐棱的寬度，因此當四象限探測器的死區(qū)寬度大于分光四棱錐棱的寬度時，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(yōu)先權日2012年8月14日
發(fā)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