[发明专利]一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器

权利要求书

1.一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器，其特征在于该光学精密跟踪探测器由成像透镜(1)、动态范围光强探测器(2)、中心开孔的金字塔四棱锥(3)、精度光强探测器(4)、精度金字塔四棱锥(5)、光学精密跟踪探测器处理机(6)、精度匹配透镜(7)、光斑放大透镜(8)和动态范围匹配透镜(9)组成，其中，中心开孔的金字塔四棱锥(3)位于成像透镜(1)的离焦位置，成像透镜(1)将目标波前(10)转换成汇聚光束(13)，当目标波前(10)倾斜时，汇聚光束(13)的中心会偏离成像透镜的光轴(11)，如果目标波前(10)的倾斜角较小，汇聚光束(13)仅在中心开孔的金字塔四棱锥(3)的中心孔范围内摆动，此时汇聚光束(13)可以无阻碍地通过中心孔，经光斑放大透镜(8)放大后形成的光斑被精度金字塔四棱锥(5)分割并反射后由精度匹配透镜(7)耦合进入精度光强探测器(4)中探测各光束的光强，如果目标波前(10)的倾斜角较大以至于汇聚光束(13)摆动超过了金字塔四棱锥(3)的中心孔范围，此时汇聚光束(13)被中心开孔的金字塔四棱锥(3)分割并反射后由动态范围匹配透镜(9)耦合进入动态范围光强探测器(2)探测各光束的光强，最后光学精密跟踪探测器处理机(6)利用嵌套四象限光斑质心算法计算光束的质心从而复原出目标波前(10)的倾斜方向或倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器，其特征在于：所述的中心开孔的金字塔四棱锥(3)的中心轴与成像透镜的光轴(11)重合，中心开孔的金字塔四棱锥(3)的顶部位于成像透镜(1)的焦平面上或成像透镜(1)的离焦面上；当顶部放在离焦面上时，可以增大被中心开孔的金字塔四棱锥(3)分割光束的直径，减少由于棱镜加工工艺形成的死区带来的光能损失。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器，其特征在于：所述的中心开孔的金字塔四棱锥(3)的中心孔的上平面(13)和中心孔的下平面(14)都是正方形，中心孔的上平面(13)开口正方形的边长小于中心孔的下平面(14)开口正方形的边长，这样才能避免中心孔内表面对通过中心孔光束的遮挡，中心开孔的金字塔四棱锥的外表面(15)镀有反射膜并且与中心开孔的金字塔四棱锥的下表面(16)之间的夹角是45°。

4.根据权利要求1所述的一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器，其特征在于：所述的精度金字塔四棱锥(5)的顶点置于光斑放大透镜(8)相对于焦平面的像平面处，精度金字塔四棱锥(5)的中心轴与成像透镜的光轴(11)重合。

5.根据权利要求1所述的一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器，其特征在于：所述的光斑放大透镜(8)是将通过中心孔光束的汇聚点放大并成像在放置在光斑放大透镜(8)像平面处的精度金字塔四棱锥(7)上，放大后的光斑有效地降低了由于棱镜加工工艺形成的死区带来的光能损失。

6.根据权利要求1所述的一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器，其特征在于：所述的嵌套四象限光斑质心算法的计算公式为：其中：I₁～I₄是当4个动态范围光强探测器(2)分别代表四象限探测器的一个象限时，第1～4象限的动态范围光强探测器(2)的输出信号，i₁～i₄是当4个精度光强探测器(2)分别代表四象限探测器的一个象限时，第1～4象限的精度光强探测器(2)的输出信号，(x_c，y_c)是计算得到的光斑质心坐标，目标波前(10)在x方向的倾斜角度或倾斜方向α_x和y方向上的倾斜角度或倾斜方向α_y的计算公式分别为：其中f是成像透镜(1)的焦距，当x_c∈(-1，+1)时，α_x表示目标波前(10)在x轴方向上的倾斜角度，当x_c＝±1时，α_x的正负对应于目标波前(10)在x轴上的倾斜方向的正负；同理，当y_c∈(-1，+1)时，α_y的表示目标波前(10)在y轴方向上的倾斜角度，当y_c＝±1时，α_y的正负对应于目标波前(10)在y轴方向上的倾斜方向的正负。