ES2211154T3 - Conjunto de mira multifuncional, multiespectral, integrado y metodo. - Google Patents
Conjunto de mira multifuncional, multiespectral, integrado y metodo.Info
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Abstract
Un conjunto de mira (10) compacto, completamente integrado, multifuncional, multiespectral, que comprende: una ventana de entrada simple (38); una unidad de elemento óptico delantero afocal reflectante simple (12) para recibir y transmitir señales; una estructura (36) de conmutación de campo de visión óptica reflectante movible de manera que puede ser controlada entre una posición de primer campo de visión que recibe y transmite señales desde un primer campo de visión a través de la unidad de elemento óptico delantero afocal reflectante simple (12), y una posición de segundo campo de visión que elude la unidad de óptica delantera afocal reflectante simple (12) obtenida para señales de un segundo campo de visión diferente de dicho primer campo de visión, siendo ambos, dicho primer campo de visión, y dicho segundo campo de visión obtenidos a través de la ventana simple (38); un ocular simple (24); al menos dos subsistemas de detección ópticos (24, 30) en comunicación óptica controlable con dicho conmutador óptico reflectante (36), funcionando cada subsistema (24, 30) en el mismo primer y segundo campo de visión y compartiendo la misma unidad de elemento óptico delantero afocal reflectante simple (12) y la misma ventana de entrada simple (38), funcionando al menos uno de los subsistemas de detección ópticos en un margen de longitud de onda visible e incluyendo dicho ocular simple (24), y funcionando al menos uno de los subsistemas de detección ópticos en un margen de longitud de onda infrarroja, en el que cada subsistema recibe señales ópticas que han sido transmitidas a través de dicha ventana de entrada simple y cada subsistema proporciona una imagen de una escena.
Description
Conjunto de mira multifuncional, multiespectral,
integrado y método.
La presente invención se relaciona de manera
general con el campo de conjuntos de mira multifuncionales. En
particular, esta invención está relacionada con un conjunto de mira
compacto, completamente integrado, multifuncional, multiespectral
que proporciona un campo de visión estrecho y uno ancho en cada uno
de sus subsistemas.
Los conjuntos de mira convencionales, bien de uso
personal o bien del tipo de los que pueden ser instalados sobre un
vehículo, consisten en solamente un subsistema, o a lo sumo dos, y
están limitados a lo sumo a dos funciones y longitudes de onda. Por
ejemplo, un conjunto de mira de un rifle tradicional tiene una mira
diurna de visión directa con un único campo de visión, algunas
tienen sólo capacidad de IR con dos campos de visión, otros tienen
una mira diurna de visión directa y un telémetro de láser con un
único campo de visión pero ninguna capacidad de IR, incluso otros
tienen un campo de visión múltiple de IR y un telémetro de láser,
pero ninguna mira diurna de visión directa o de TV.
Por lo tanto, al usuario de dispositivos
convencionales se le requiere llevar varias unidades de mira
independientes, teniendo cada una sus propios sistemas ópticos, lo
que crea muchos inconvenientes, peso adicional y coste. Además, el
usuario tiene que combinar de alguna forma la información
proporcionada por cada una de las unidades, porque ninguna de las
unidades da al usuario la capacidad multifuncional multiespectral
completa.
La patente estadounidense número 5.035.472 de
Hansen describe una mira multiespectral integrada sobre un rifle que
puede ser llevado por un hombre o en un dispositivo armamentístico
autónomo. La mira está contenida en un alojamiento unitario adjunto
al arma de transporte a hombro, o fabricado como una parte integral
de la misma, y comprende elementos ópticos de objetivo común y
elementos de óptica ocular. Entre los elementos ópticos de objetivo
y los elementos ópticos de ocular están los dispositivos ópticos
para recoger y separar la energía radiante de entrada en una
pluralidad de canales espectrales de distinta longitud de onda,
medios de tratamiento electrónico para procesar un espectro visible
y para procesar y convertir al espectro visible un espectro de
infrarrojo próximo y un espectro de infrarrojo lejano en cada uno de
los tres canales espectrales, y dispositivos ópticos para encaminar
las salidas de los canales independientes a los elementos de óptica
ocular común para ver una escena en todos los niveles de luz.
La patente estadounidense número 5.363.235 de
Kiunke et al. describe un sistema óptico que incluye un
telescopio anastigmático de tres espejos y elementos ópticos
formadores de imagen. Los elementos ópticos formadores de imagen
proporcionan campo de visión estrecho y ancho que mira fijamente la
escena vista. El sistema óptico proporciona un sensor que incluye un
generador de haz de láser de salida. El telescopio es compartido por
el sistema de infrarrojos y el láser para proporcionar una
disposición en torre adecuada para fines de blancos y de
identificación de aeronaves.
La presente invención proporciona un conjunto de
mira compacto, completamente integrado, multifuncional,
multiespectral como queda definido en la presente reivindicación
1.
Otro aspecto de la presente invención es un
método de montaje del conjunto de mira compacto, completamente
integrado, multifuncional, multiespectral, que comprende las
siguientes etapas: montaje del elemento óptico delantero afocal
reflectante simple; montaje del ocular simple; montaje de la ventana
simple; montaje del elemento de conmutación para eludir el elemento
óptico delantero afocal reflectante; y montaje de al menos dos
subsistemas en comunicación óptica controlable con dicho conmutador
óptico reflectante.
El método de la presente invención simplifica el
diseño de un conjunto de mira y elimina la necesidad de telescopios
independientes, oculares, ventanas, otros elementos ópticos y
sistema de refrigeración, proporcionando por consiguiente un
conjunto de mira con excelente eficiencia de conjunto de mira.
Las características anteriores y adicionales y
las ventajas de esta invención resultarán manifiestas en mayor grado
a partir de la descripción detallada y de las figuras de los dibujos
adjuntos que se acompañan. En las figuras y en la descripción
escrita, las referencias numéricas indican las diferentes
características de la invención, refiriéndose las referencias
numéricas iguales a características iguales, en todas las figuras de
los dibujos y a lo largo de toda la descripción escrita.
La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático
que muestra un conjunto de mira de la presente invención.
La figura 2 es una vista lateral de una
disposición conceptual del conjunto de mira representado en la
figura 1.
La figura 3 es una vista superior de una
disposición conceptual del conjunto de mira representado en la
figura 1.
La presente invención está relacionada con el
diseño y montaje de elementos ópticos para proporcionar un conjunto
de mira compacto, completamente integrado, multifuncional,
multiespectral, adecuado para muchas aplicaciones comerciales y
militares. Los componentes del conjunto de mira son bien conocidos
en la técnica anterior y no necesitan ser descritos aquí o ser
mostrados en detalle.
En particular, una realización específica de la
presente invención es un conjunto de mira compacto completamente
integrado, diseñado utilizando el método de la presente invención.
La figura 1 es un diagrama de bloques que muestra el conjunto de
mira 10 de la presente invención. El conjunto de mira 10 incluye un
elemento óptico delantero afocal reflectante 12, un espejo 14 con
compensación de movimiento de imagen que estabiliza la línea de mira
de las perturbaciones mecánicas de entrada, dos divisores de haz
dicroicos 16, 18, un módulo transmisor / receptor de láser 34, un
sistema 20 de plano focal y de elemento óptico de tipo IR, un
objetivo de visión directa 22 y un ocular de visión directa 24.
Además, hay dos espejos de conmutación de modo 26, 28, unidos a un
sistema 30 de plano focal de TV, y una fuente 32 del dispositivo
visualizador, respectivamente. Los espejos de conmutación de modo
26, 28 pueden ser girados alrededor de un eje vertical para conmutar
modos del conjunto de mira entre la mira diurna de visión directa y
el modo de dispositivo visualizador que muestra imágenes de TV o IR.
El conjunto de mira 10 puede ser utilizado en un campo de visión
estrecho (NFOV, Narrow Field Of View) para la identificación
y el seguimiento de operaciones o en un campo de visión ancho (WFOV,
Wide Field Of View) para operaciones de búsqueda y
adquisición. En el campo de visión ancho, un espejo (o espejos) 36
de conmutación de campo es utilizado para evitar que el trayecto
óptico pase a través del elemento óptico delantero afocal
reflectante 12.
El conjunto de mira 10 es un sistema
multiespectral que trabaja con longitudes de onda de 0,45 \mum a
12 \mum. El modo visible puede conseguirse bien en modo de visión
directa o utilizando canales espectrales de TV en color, que tienen
longitudes de onda entre 0,45 \mum y 0,7 \mum, o en canales de
TV monocroma con longitudes de onda entre 0,6 \mum y 0,9 \mum,
utilizando TV visible basada en dispositivos de acoplamiento de
carga (CCD-based: Charge Couple
Device-based). El modo de telémetro se consigue
con un telémetro de láser, preferiblemente un láser de Ng:YAG, en
canales con longitud de onda entre 1,06 \mum y 1,54 \mum, y es
preferiblemente un telémetro de láser con seguridad ocular que
funciona a la longitud de onda de 1,54 \mum. El modo infrarrojo
(IR: Infra-Red) puede lograrse con dos bandas
de transmisión atmosféricas en las que las ondas de IR son bien
transmitidas, en un modo de IR de onda media (MWIR: MidWave
IR) con una longitud de onda entre 3 \mum y 5 \mum, y un
modo de IR de onda larga (LWIR: LongWave IR) con una longitud
de onda entre 8 \mum y 12 \mum.
La presente invención posibilita una solución
altamente integrada al combinar el funcionamiento de cuatro modos,
esto es, modo de IR, dos tipos de modo visible (un modo de visión
directa y un modo de TV visible basada en CCD), y un modo de
telémetro de láser, con un pequeño conjunto montado. Como se ilustra
en la figura 1, el conjunto de mira 10 combina las funciones de
sistemas que de otra manera serían independientes. Esto se consigue
con cuatro subsistemas sensores: un subsistema de mira diurna de
visión directa, un subsistema de TV visible basada en CCD, un
subsistema nocturno de IR de visión fija, y un subsistema de
telémetro de láser con seguridad ocular. Todos los cuatro
subsistemas funcionan tanto en NFOV como en WFOV, y el usuario puede
conmutar en ambos sentidos entre ellos. El subsistema de visión
directa requiere únicamente que el usuario mire a través del ocular
24, que forma una imagen ampliada y virtual de la imagen de la
escena formada por la lente 22 de objetivo. Así, la luz proveniente
de la escena es vista directamente por el usuario. El subsistema de
TV tiene una lente de cámara y un sistema de plano focal de
detectores basados en CCD que captura la imagen. Después del
subsiguiente tratamiento electrónico el usuario puede ver la escena
a través del ocular 24 que forma una imagen ampliada y virtual de la
fuente del dispositivo visualizador. La escena de la imagen puede
ser vista en el canal de IR, utilizando un sistema de plano focal de
IR de visión fija, que después del subsiguiente tratamiento
electrónico puede ser vista por el usuario a través del ocular 24 de
una manera similar a la visión de canales de TV basados en CCD.
El elemento óptico delantero afocal reflectante
12 realiza una ampliación angular de un objeto visto a través de la
ventana 38, mostrada en la figura 2. El elemento óptico delantero
afocal reflectante 12 es un telescopio anastigmático de tres espejos
(TMA: Three-Mirror Anastigmat) de ampliación
afocal de 3x fuera de eje que tiene un campo de visión estrecho que
puede ser de un tamaño de hasta 6 grados en elevación por 6 grados
en acimut, y un espejo (o espejos) 36 de conmutación de campo
movible. El elemento óptico delantero afocal reflectante 12 es
compartido por todos los subsistemas cuando trabajan en el NFOV, de
manera que no pueden introducirse variaciones diferenciales de la
alineación óptica en el NFOV en el trayecto óptico. Dentro del
elemento óptico delantero afocal reflectante 12 podría haber también
un mecanismo de periscopio de conmutación de campo alterno, no
mostrado, compuesto por dos espejos planos 36 de conmutación de
campo en una disposición de periscopio. Para el funcionamiento en
modo de WFOV, el espejo (o espejos) 36 de conmutación de campo es
girado dentro del trayecto óptico para eludir el elemento óptico
delantero afocal reflectante 12 por todos los subsistemas y el
usuario ve el mundo exterior con un amplio campo de visión que es de
18 grados por 24 grados.
El WFOV se utiliza para buscar un objeto cuando
el usuario no necesita un nivel alto de sensibilidad o resolución.
Cuando se encuentra el objeto, el usuario cambia al NFOV, que
proporciona una ampliación y sensibilidad mayor, proporcionada por
el elemento óptico delantero afocal reflectante 12.
El módulo 34 de transmisión / recepción de láser
del subsistema de telémetro de láser con seguridad ocular y el
elemento óptico de IR y el sistema 20 de plano focal del subsistema
de mira nocturno de IR son separados del trayecto óptico en un
primer divisor de haz dicroico 16 y en un segundo divisor de haz
dicroico 18, respectivamente, que trabajan en la región alineada que
sigue al elemento óptico delantero afocal reflectante 12. Los
divisores de haz dicroicos primero y segundo 16, 18 están
preferiblemente dispuestos con un ángulo de 45 grados y pueden ser
reemplazados por espejos lisos. La luz de láser del subsistema 34 de
telémetro de láser con seguridad ocular, mostrado en la figura 3,
sale y posteriormente se introduce en el pequeño módulo 34 de
transmisión / recepción de láser, donde se produce la expansión
previa y ocurre la división en transmisión / recepción. La
radiación de IR se introduce en un dispositivo formador de imágenes
de IR de tres lentes y está enfocado sobre un sistema de mira fija,
trabajando todas las partes del elemento óptico de IR y el sistema
20 de plano focal a temperatura ambiente. El dispositivo formador de
imágenes de IR funciona en el WFOV cuando se utiliza por sí mismo,
pero funciona en el NFOV cuando se utiliza con elemento óptico
delantero afocal reflectante 12.
Los dos modos visibles, con CCD y de visión
directa, están contenidos dentro de un dispositivo de aumento de
pupila de 1x, compuesto por dos oculares telecéntricos idénticos 24,
situados en posición de imagen especular uno respecto del otro. En
el modo de visión directa, el usuario ve a través del dispositivo de
aumento de pupila de 1x y del elemento óptico delantero afocal
reflectante 12 para el NFOV, y utiliza sólo el dispositivo de
aumento de pupila de 1x y elude el elemento óptico delantero afocal
reflectante 12 para el WFOV a través del periscopio de conmutación
de campo o a través de un mecanismo de espejo simple, tal como el
espejo (o espejos) 36 de conmutación de campo. El espejo 26 de
conmutación de modo se utiliza para desviar la imagen intermedia en
el dispositivo de aumento de pupila de 1x hacia el sistema 30 de
plano focal de TV basada en CCD, mientras el otro espejo 28 de
conmutación de modo se utiliza para desviar la imagen desde el
ocular 24 hacia la fuente 32 del dispositivo visualizador, que, como
observarán los expertos en la materia, puede ser un CRT, un
dispositivo visualizador de matriz de cristal líquido (LCMD:
Liquid Crystal Matrix Display) o un dispositivo visualizador
ferroeléctrico, dependiendo del detalle de diseño de la aplicación,
utilizada para ver o bien la TV basada en CCD o bien las imágenes
del canal de IR.
Ambos canales de IR y de TV pueden emplear
tecnología de mira fija a temperatura ambiente, reduciendo así la
complejidad, el tamaño y el peso del conjunto de mira 10, ya que la
exploración adicional y los sistemas criogénicos no son
necesarios.
Además, el conjunto de mira 10 es compacto debido
al hecho de que la mayoría de los módulos ópticos sirven para más de
una función. Por ejemplo, el ocular de visión diurna 24 se utiliza
también para ver el dispositivo visualizador para imágenes de TV
basada en CCD o de IR, y el elemento óptico delantero afocal
reflectante 12 es utilizada por todos los subsistemas. La lente de
objetivo de visión diurna 22 es también la lente de la cámara para
el sistema 30 de plano focal de CCD.
Muchos sistemas de detección de IR convencionales
funcionaban anteriormente a temperaturas frías y tenían que ser
enfriados por enfriadores criogénicos, y si detectaban cualquier
calor disperso, generarían ruido interno. Sin embargo, los
detectores de sistema piroeléctrico de mira fija desarrollados
recientemente pueden ser utilizados a temperatura ambiente. Aunque
son menos sensibles hay un tremendo ahorro en tamaño, peso y hay
menos partes móviles. Además, los sistemas de mira convencionales no
podían ser adaptados fácilmente para trabajar en las bandas
espectrales anchas necesarias porque utilizan lentes refractivas
optimizadas para una banda particular de longitudes de onda.
El método de la presente invención permite la
miniaturización de los elementos del conjunto de mira 10 para
obtener un conjunto de mira 10 altamente eficiente, completamente
integrado, multiespectral, multifuncional que tiene dimensiones de
menos de 10 cm x 15 cm x 30 cm (4'' x 6'' x 12''). El método de
combinar todos los subsistemas independientes en un conjunto de mira
10 reduce el número de piezas, creando así un conjunto de mira 10 de
peso ligero, pequeño volumen, más deseable en sistemas que pueden
llevarse en la mano, transportables por el hombre o en sistemas
instalados en un vehículo. Además, puede concebirse que otros
elementos ópticos adicionales puedan instalarse en el conjunto de
mira 10.
El método de la presente invención utilizado para
miniaturizar el conjunto de mira 10 puede ser aplicado a varios
sistemas, en aplicaciones comerciales y militares, como unidades que
pueden ser colocadas libremente en cualquier sitio y llevadas en la
mano, montadas en armas transportables por un hombre como los rifles
y montadas sobre vehículos. Además, el método de la presente
invención puede utilizarse para crear una nueva familia de conjuntos
de detección miniaturizados, altamente integrados, con alta
eficiencia multiespectral y multifunción que sean capaces de
proporcionar todas las necesidades de detección en un volumen físico
muy pequeño.
Mientras esta invención ha sido descrita con
referencia a su realización (o realizaciones) actualmente preferida,
su alcance está solamente limitado hasta donde queda definido por el
siguiente juego de reivindicaciones.
Claims (7)
1. Un conjunto de mira (10) compacto,
completamente integrado, multifuncional, multiespectral, que
comprende:
una ventana de entrada simple (38);
una unidad de elemento óptico delantero afocal
reflectante simple (12) para recibir y transmitir señales;
una estructura (36) de conmutación de campo de
visión óptica reflectante movible de manera que puede ser controlada
entre una posición de primer campo de visión que recibe y transmite
señales desde un primer campo de visión a través de la unidad de
elemento óptico delantero afocal reflectante simple (12), y una
posición de segundo campo de visión que elude la unidad de óptica
delantera afocal reflectante simple (12) obtenida para señales de un
segundo campo de visión diferente de dicho primer campo de visión,
siendo ambos, dicho primer campo de visión, y dicho segundo campo de
visión obtenidos a través de la ventana simple (38);
un ocular simple (24);
al menos dos subsistemas de detección ópticos
(24, 30) en comunicación óptica controlable con dicho conmutador
óptico reflectante (36), funcionando cada subsistema (24, 30) en el
mismo primer y segundo campo de visión y compartiendo la misma
unidad de elemento óptico delantero afocal reflectante simple (12) y
la misma ventana de entrada simple (38), funcionando al menos uno de
los subsistemas de detección ópticos en un margen de longitud de
onda visible e incluyendo dicho ocular simple (24), y funcionando al
menos uno de los subsistemas de detección ópticos en un margen de
longitud de onda infrarroja, en el que cada subsistema recibe
señales ópticas que han sido transmitidas a través de dicha ventana
de entrada simple y cada subsistema proporciona una imagen de una
escena.
2. El conjunto de acuerdo con la reivindicación 1
en el que dicho conmutador de campo de visión es un medio
reflectante elegido del grupo que comprende un espejo de conmutación
replegado y un periscopio.
3. El conjunto de acuerdo con la reivindicación 1
en el que la pluralidad de subsistemas comprende un subsistema de
mira diurna de visión directa, un subsistema de TV visible basada en
CCD, un subsistema nocturno de IR de mira fija, un subsistema de
telémetro de láser y un subsistema de dispositivo visualizador para
ver la salida del subsistema de TV o de IR.
4. El conjunto de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes en el que el conjunto es un sistema
multiespectral que trabaja con longitudes de onda desde 0,45 \mum
hasta 12 \mum, en el modo de visión directa utilizando canales de
espectro de TV en color que tienen una longitud de onda entre 0,45
\mum y 0,7 \mum, en canales de TV monocroma con longitud de onda
entre 0,6 \mum y 0,9 \mum utilizando TV visible basada en
dispositivos de acoplamiento de carga (CCD-based:
Charge Couple Device), en un modo de telémetro en canales con
longitud de onda entre 1,06 \mum y 1,54 \mum, y en modo de
infrarrojo (IR: Infra - Red) que consiste en un modo en IR de
onda media (MWIR: MidWave IR) con longitud de onda entre 3
\mum y 5 \mum, o un modo en IR de onda larga (LWIR: LongWave
IR) con longitud de onda entre 8 \mum y 12 \mum.
5. El conjunto de acuerdo con la reivindicación 3
en el que el subsistema de telémetro de láser funciona a una
longitud de onda infrarroja de seguridad ocular de 1,54 \mum.
6. El conjunto de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que el elemento óptico delantero
afocal reflectante (10) es un telescopio (12) anastigmático afocal
fuera de eje que comprende al menos tres espejos.
7. Un método de montaje del conjunto de mira (10)
compacto, completamente integrado, multifuncional, multiespectral de
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende las
siguientes etapas:
montaje del elemento óptico delantero afocal
reflectante simple (12);
montaje del ocular simple (42);
montaje de la ventana simple (38);
montaje del elemento de conmutación (36) para
eludir el elemento óptico delantero afocal reflectante (12); y
montaje de al menos dos subsistemas en
comunicación óptica controlable con dicho conmutador óptico
reflectante (36).
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