[发明专利]一种基于旋转双棱镜的光线接收系统

权利要求书

1.一种基于旋转双棱镜的光线接收系统，其特征在于，包括双棱镜结构、分束器(3)、位置探测器(4)、凸透镜(5)以及光电探测器(6)；

所述双棱镜结构包括第一棱镜(1)和第二棱镜(2)，用于对光束进行偏转；第一棱镜(1)和第二棱镜(2)沿同一光轴垂直平行放置；

第一楔形棱镜(1)和第二楔形棱镜(2)组成的双棱镜结构宽为D₁；

建立坐标系，以第一棱镜(1)的第一个平面中心点所在位置为坐标原点，记为(0,0,0)，z轴为第一棱镜(1)光轴，x轴垂直朝上，y轴垂直朝外；第一棱镜(1)和第二棱镜(2)绕逆时针旋转为正方向；

在双棱镜结构后方利用分束器(3)，将一部分光束引导到位置探测器(4)上；所述分束器(3)位于双棱镜结构后方D₂距离处；

所述位置探测器(4)设置在分束器(3)侧方，其所获信息用于估计入射光线方向；

在分束器(3)后方放置凸透镜(5)，凸透镜(5)焦距为f₀；所述凸透镜(5)位于分束器(3)后方D₃距离处，用来对光线进行汇聚；

所述光电探测器(6)设置在凸透镜(5)后方f₀处，用于接收光线；

设置第一棱镜(1)和第二棱镜(2)的初始旋转角度，记录位置探测器(4)上的坐标点，利用迭代算法得到入射光线的方向向量；根据得到的入射光线的方向向量，利用两步法推算出使入射光线水平出射的棱镜旋转角度以作为最优化模型的初始解；根据该初始解来调整棱镜后出射光线的出射方向与水平方向的差距的在1°以内；再利用优化模型将初始解进一步迭代收缩，根据优化以后的结果来调整棱镜的旋转角度使误差降低至0.2°以内；通过凸透镜(5)将水平光线汇聚至光电探测器(6)，完成接收端的光线接收工作。

2.根据权利要求1所述的基于旋转双棱镜的光线接收系统，其特征在于，第一棱镜(1)和第二棱镜(2)是楔形的，第一棱镜(1)和第二棱镜(2)斜面朝内相对放置。

3.根据权利要求1所述的基于旋转双棱镜的光线接收系统，其特征在于，所述迭代算法包括如下步骤：

步骤1，在初始状态下第一棱镜(1)的旋转角度为θ₁₀，第二棱镜(2)的旋转角度为θ₂₀，根据入射光线a₀通过双棱镜结构后在位置探测器(4)上反馈信息，计算出光线在位置D₂处的坐标，记录下坐标值为P_r＝(x_pr,y_pr,z_pr)；

步骤2，已知入射光线a₀在第一棱镜(1)平面上的入射点为P₀(x₀,y₀,0)，假设出射光线a₄从第二棱镜(2)出射时的出射点在第二棱镜(2)平面上，与入射点水平，坐标为E(x₀,y₀,-D₁)；得到近似的出射光线方向表示为：

a_4i＝P_r-E＝[x_pr-x₀,y_pr-y₀,z_pr+D₁]

步骤3，已知双棱镜结构从左至右各个表面的法向量分别为：

第一棱镜(1)的第一个面：n₁₁＝[0,0,1]

第一棱镜(1)的第二个面：n₁₂＝[-cos(θ₁)*sin(α₁),-sin(θ₁)*sin(α₁),cos(α₁)]

第二棱镜(2)的第一个面：n₂₁＝[cos(θ₂)*sin(α₂),sin(θ₂)*sin(α₂),cos(α₂)]

第二棱镜(2)的第二个面：n₂₂＝[0,0,1]

其中，θ₁代表第一棱镜(1)的旋转角度，θ₂代表第二棱镜(2)的旋转角度；α₁代表第一棱镜(1)的顶角，α₂代表第二棱镜(2)的顶角；因此根据光路可逆的原理，利用折射定律计算得到入射光线的方向：

a₄＝a_4i

其中，N₁表示第一棱镜(1)表面的折射率，N₂表示第二棱镜(2)表面的折射率，a₁-a₄表示光线在双棱镜结构中的折射过程中轨迹向量；a₀表示入射光线的方向矢量；

步骤3，利用步骤1第一棱镜(1)初始的旋转角度θ₁₀和第二棱镜(2)初始的旋转角度θ₂₀以及步骤2中推导得到的入射光线a₀，正向推导出射光线的方向以及出射点、位置探测器(4)上坐标点的坐标值；

步骤4，比较步骤3得到的位置探测器(4)坐标点的坐标值和实际位置探测器(4)上坐标点P_r的值，计算两者差值若两者差值小于0.001，得到入射光线的方向，结束算法；否则，将出射点的坐标更新为步骤3推导出来的出射点的坐标值，重新返回步骤2。