JP2006266762A - 追尾照準装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、３軸ジンバル構造を採用して天頂ロックを確実に回避することを前提として、装置の大型化を抑制するとともに、光軸調整の簡素化を図って調整誤差の減少化を得られ、追尾照準精度の向上化を図れる追尾照準装置を提供する。
【解決手段】被取付け体に取付け固定される装置ベース１と、この装置ベースに回転自在に支持されるジンバル部２との組み合せからなり、内部に、レーザ発生器７と、照明光学系８と、画像センサ１４および、３軸ジンバル構造のクーデ光学系１０を収容し、移動する目標物を追尾して画像を取り込み、かつレーザ光の照準を合わせて目標物を照射する追尾照準装置において、装置ベースに、レーザ発生器と、画像センサを配置するとともに、画像センサの光軸と、レーザ発生器から発振されるレーザ光の光軸とを、クーデ光学系における１軸の調整で一致させる光軸調整機構２０を具備する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、不規則に移動する目標物を自動的に追尾して画像を取り込み、かつレーザ光の照準を合わせて目標物を照射する追尾照準装置に関する。

特殊な飛翔物体は、飛翔する航空機等から発生する熱を、赤外線を利用して感知し、かつ自動的に追跡する機能を備えている。一方、特殊な航空機等には前記飛翔物体の追跡機能を撹乱する装置が搭載されている。これは、たとえば地上に配置される、もしくは警戒用航空機に搭載される広域レーダ等からの情報をもとに飛翔物体を目標物として確認し、追尾し、照準を合せて追尾を撹乱する追尾照準装置である。
具体的には、追尾照準装置は画像センサ（夜間の撮影も可能とするため、赤外線カメラが用いられる）および高出力のレーザ発生器を備えている。画像センサは目標物を自動で追尾し撮影等を行う。レーザ発生器はタイミングをとって目標物に設けられた追尾用感知子である、いわゆる“目”を照射して追尾の撹乱をなす。

ところで、前記目標物がたとえば天頂、もしくは天頂付近において突然、それまでとは異なる方向に急旋回して飛翔方向を変更すると、追尾と照準を合わせることが不可能となる、いわゆる天頂ロック（ジンバルロックとも呼ばれる）が発生してしまう。
そこで、［特許文献１］ないし［特許文献３］において、天頂ロックを回避する装置および方法が開示されるに至った。具体的には、垂直軸であるアジマス軸（ＡＺ軸）と、水平軸であるエレベータ軸（ＥＬ軸）の２軸ジンバルに加えて、エレベータ軸と直交する方向のクロス・エレベーション軸（ｘ・ＥＬ軸）をマウントした３軸ジンバル構造を備えている。
さらに、［特許文献４］では、上述の３軸ジンバル構造に加えて、レーザ光の光軸と画像センサへの入射光の光軸とを一致させた送信光学系の焦点距離を、目標物との距離に応じて変化させるズーム用レンズを備えた光波妨害装置が開示されている。
特公平 ６− ２６２８４号公報 特開平 ７−２０２５４１号公報 特開平１１−３０８６０４号公報 特開２００１−１０８３９９号公報

しかしながら、［特許文献１］ないし［特許文献３］では、理論の展開が主であり、装置としての構成が概略的にも示されていない。たとえ、その発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であっても、各特許文献から容易に追尾照準装置を製作することは極めて困難である。［特許文献４］では、やや現実化しているが、それでも上述の特許文献１ないし３とほとんど近似的である。
そこで、本出願人における発明者等は、前記特許文献を参考にして追尾照準装置の構成をイメージし、これを図４に表現してみた。したがって、図４に示す追尾照準装置の概略構成図が、従来構造のものに対応することとなる。

以下、簡単に説明すると、この追尾標準装置は図示しない航空機機体に取付けられる固定系である装置ベースＡと、この装置ベースＡに回転自在に支持される駆動系であるジンバル部Ｂとの組み合わせからなる。
前記ジンバル部Ｂは、垂直方向の回転軸であるＡＺ軸回りに回転駆動される。ジンバル部Ｂは、底板部に対して固定される一対の分割筐体部Ｃと、これら分割筐体部Ｃ相互間に介在され、分割筐体部Ｃに対して水平方向の回転軸であるＥＬ軸回りに回転駆動される回転ブラケットＤから構成される。回転ブラケットＤ内には、垂直方向の回転軸であるｘ・ＥＬ軸回りに回転駆動される支持架台Ｅが収容される。

前記装置ベースＡ内にはレーザ発生器Ｆが配置され、前記ＡＺ軸に沿ってレーザ光の光軸が形成される。ジンバル部Ｂ内には複数の反射ミラーＧが配置され、ＡＺ軸に沿って導かれるレーザ光を反射する反射光路Ｈを形成している。この反射光路Ｈは、ＡＺ軸に沿って導かれたレーザ光の光軸を前記ＥＬ軸と一致させ、さらにＥＬ軸から前記ｘ・ＥＬ軸と光軸が一致するよう屈曲する。このｘ・ＥＬ軸に沿って照明光学系Ｉおよび画像センサＪが設けられる。

前記照明光学系Ｉは、反射光路Ｈを介して入射したレーザ光を外部へ向けて照射する微小ストロークで駆動可能な微動鏡からなる。前記画像センサＪは、夜間でも撮影が可能なように赤外線カメラが用いられる。
この装置では、ＡＺ軸と、ＥＬ軸およびｘ・ＥＬ軸と一致するようレーザ光の光軸と画像センサＪの光軸が形成されているから、各軸にそれぞれ設けられる回転駆動機構が作用して各軸をどのように回転制御しようとも、照明光学系Ｉから目標物へレーザ光を照射でき、画像センサＪは目標物を正しく捉えることができる。このような反射光路Ｈを構成する光学系を、クーデ光学系Ｋと呼ぶ。

従来の追尾照準装置においては、構造的には何らの不具合もないとともに、作用的には少しの支障もなく円滑に作用するが、その一方で、従来の２軸ジンバル構造から３軸ジンバル構造に１軸追加することで、装置としてのサイズが大になってしまう。上述したように、ジンバル部Ｂは航空機等の機体から突出した状態で取付けられるため、装置としての大型化は航空機等の飛行特性に多大の影響を与えてしまう。
また、追尾照準装置を製造する過程において、クーデ光学系Ｋを組立てたあと、ＡＺ軸と、ＥＬ軸およびｘ・ＥＬ軸のそれぞれに対するレーザ発生器Ｆから発振されるレーザ光と画像センサＪとの光軸調整が必要である。

レーザ光軸と回転軸とを一致させる光軸調整は、ＡＺ軸と、ＥＬ軸およびｘ・ＥＬ軸との３軸について行なわなければならない。調整軸が多いほど調整時間を費やし、調整誤差が発生し易くなって目標物を追尾する精度（追尾照準精度）が悪くなってしまう。
３軸の光軸調整にあたっては、調整対象となる複数の反射ミラーＧを備えたジンバル部Ｂ内に光軸調整機構を収容して行うこととなるが、各反射ミラーＧの周辺には既に多数の構成部品が配置されている。したがって、光軸調整機構が取付け難く、さらにジンバル部Ｂを大型化して対応しなければならない。

本発明は前記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、３軸ジンバル構造を採用して天頂ロックを確実に回避することを前提として、装置の大型化を抑制するとともに、光軸調整の簡素化を図って調整誤差の減少化を得られ、追尾照準精度の向上化を図れる追尾照準装置を提供しようとするものである。

上述の目的を満足するため本発明は、装置ベースと、ジンバル部との組み合せからなり、内部にレーザ発生器、照明光学系、画像センサ、３軸ジンバル構造のクーデ光学系を収容する追尾照準装置であり、装置ベースに、レーザ発生器、画像センサ、画像センサの光軸とレーザ発生器から発振されるレーザ光の光軸とを一致させる光軸調整機構を具備し、この光軸調整機構は、クーデ光学系中で画像センサと対向して配置されるハーフミラー構造のビームスプリッタと、レーザ発生器とビームスプリッタとの間に設けられクーデ光学系を構成するとともにＸ−Ｙ方向に角度調整自在な第１、第２の反射ミラーと、ビームスプリッタに着脱自在に取付けられレーザ発生器から第１、第２の反射ミラー、ビームスプリッタを導かれたレーザ光を投影する投影板およびビームスプリッタで反射したレーザ光を受けて反射する平面ミラーとを具備する。

本発明によれば、３軸ジンバル構造を採用して天頂ロックを確実に回避でき、装置の大型化を抑制するとともに、光軸調整の簡素化を図って調整誤差の減少化を得られ、追尾照準精度の向上化を図れて、コストの低減化に寄与するなどの効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る追尾照準装置について説明する。
図１は、追尾照準装置の模式的な構成図である。
この追尾照準装置は、たとえば図示しない航空機等に搭載されていて、固定系であるところの装置ベース１と、駆動系であるところのジンバル部２とから構成される。前記装置ベース１は、被取付け体である航空機等の機体内に取付け固定され、ジンバル部２は機体から突出して設けられる。

前記装置ベース１は矩形状の箱体からなり、装置ベース１の上面とジンバル部２の底面を構成する底板部２ａとは所定の間隙を存して平行に形成される。底板部２ａから軸部３が一体に突設されていて、この軸部３は装置ベース１上面から内部へ突出し、かつ装置ベース１に設けられる軸受部（図示しない）に回転自在に軸支される。
上記軸部３の回転軸をアジマス軸（以下、ＡＺ軸と記す）と呼び、ジンバル部２はＡＺ軸回りに回転自在である。そして、軸部３には駆動モータ等からなる駆動機構が連結されるとともに、軸部３を検出対象として角度検出センサおよび角加速度検出センサ（いずれも図示しない）等が配置され、ジンバル部２を水平方向に回転駆動し、かつ高精度で駆動制御できるようになっている。

上記ジンバル部２は、先端が半円球状をなし、基端が底板部２ａで閉成される略円筒体である。底板部２ａ上には、中心部に沿って所定の幅寸法で形成される回転ブラケット４と、この回転ブラケット４の左右両側に備えられる分割筐体部５とが設けられる。左右の分割筐体部５は底板部２ａ上に立設固定されるが、回転ブラケット４は後述するように分割筐体部５に対して回転自在に支持される。

すなわち、分割筐体部５には、互いに同一の高さ位置で水平方向に軸受部（図示しない）が設けられ、これら軸受部相互に回転ブラケット４の両側部に突設される軸部（図示しない）が軸支される。これら軸部間を連結する回転軸をエレベータ軸（以下、ＥＬ軸と記す）と呼び、回転ブラケット４はＥＬ軸回りに回転自在である。
少なくとも一方の軸部には駆動モータ等からなる駆動機構が連結され、かつ軸部を検出対象とする角度検出センサおよび角加速度検出センサ（以上、図示しない）等が配置され、回転ブラケット４を回転駆動し、かつ高精度で制御できるようになっている。

回転ブラケット４の内部には、支持架台６が収容される。この支持架台６は、上面と下面に軸部（図示しない）が突設され、支持架台６の上面部と下面部とにそれぞれ設けられる軸受部（図示しない）に回転自在に軸支される。これら軸部間を連結する回転軸をクロス・エレベータ軸（以下、ｘ・ＥＬ軸と記す）と呼び、支持架台６はｘ・ＥＬ軸回りに回転自在である。
少なくとも一方の軸部には駆動モータ等からなる駆動機構が連結され、かつ軸部を検出対象とする角度検出センサおよび角加速度検出センサ（以上、図示しない）等が配置され、支持架台６を回転駆動し、かつ高精度で制御できるようになっている。

このように追尾照準装置は、ＡＺ軸と、ＥＬ軸およびｘ・ＥＬ軸を備えた３軸ジンバル構造であり、各軸部にそれぞれ連結される回転駆動機構を駆動することにより、それぞれの軸を回転駆動できる。各軸には角度検出センサや、角加速度検出センサを備えていて、必要な制御が行えるようになっている。
装置ベース１内には高出力のレーザ発生器７が備えられていて、ここから発振される高出力レーザ光はジンバル部２に導かれ、さらにジンバル部２を構成する回転ブラケット４内の支持架台６に導かれる。この支持架台６には微動鏡である照明光学系８が設けられていて、入射した高出力レーザ光を目標物に対して反射する。ただし、極く微小なストロークの範囲内で反射方向を調整可能となっている。

本発明の追尾照準装置は、前記レーザ発生器７から前記照明光学系８に至り高出力レーザ光を反射するクーデ光学系１０を備えている。
以下、クーデ光学系１０について説明すると、装置ベース１内に収容されるレーザ発生器７の出射方向に対して第１の反射ミラー１１が配置され、水平方向で、かつ前記ＡＺ軸に向かって反射する。そして、第１の反射ミラー１１の出射方向で、ＡＺ軸上に第２の反射ミラー１２が設けられ、第１の反射ミラー１１から導かれたレーザ光をＡＺ軸に沿って反射する。

ＡＺ軸上には、ハーフミラー構造のビームスプリッタ１３が設けられていて、第２の反射ミラー１２から導かれるレーザ光の一部をＡＺ軸に沿って透過させ、一部は反射する。また、ビームスプリッタ１３と対向する側部には赤外線カメラである画像センサ１４が配置され、この光軸をビームスプリッタ１３に対向させている。すなわち、画像センサ１４の光軸はビームスプリッタ１３を透過するレーザ光の光軸と一致するよう、後述する光軸調整機構２０によって調整される。

ジンバル部２内のＡＺ軸上には第３の反射ミラー１５が配置されていて、ＡＺ軸に沿って導かれるレーザ光を反射する。第３の反射ミラー１５の反射方向に対向して第４の反射ミラー１６が配置されていて、前記ＥＬ軸に対してレーザ光を反射する。ＥＬ軸の一端部で、第４の反射ミラー１６の反射方向に対向して第５の反射ミラー１７が配置されていて、前記ＥＬ軸に沿ってレーザ光を反射する。ＥＬ軸とｘ・ＥＬ軸の交差位置には第６の反射ミラー１８が設けられていて、ｘ・ＥＬ軸に沿ってレーザ光を反射する。ｘ・ＥＬ軸上で、かつ第６の反射ミラー１８の反射方向には前記照明光学系８が配置されている。

なお、前記光軸調整機構２０によってビームスプリッタ１３から先のレーザ光の光軸と画像センサ１４の光軸が一致するとともに、これら光軸はＡＺ軸と、ＥＬ軸およびｘ・ＥＬ軸にと完全に一致するよう形成されている。
このようにして構成される追尾照準装置においては、従来構造のものと同様、いわゆる３軸ジンバル構造のクーデ光学系１０を採用して天頂ロックを確実に回避できるとともに、画像センサ１４で目標物に対する撮影をなすとともに、レーザ発生器７から発振される高出力レーザ光を照明光学系８から目標物のいわゆる目に対して照射し飛翔制御を撹乱させることができる。

クーデ光学系１０は、ＡＺ軸と、ＥＬ軸およびｘ・ＥＬ軸上のそれぞれに反射ミラーおよびビームスプリッタ１１〜１８を備えて光軸を形成するとともに、ジンバル部２へ導光する前に光軸調整機構２０における調整をなしているために、レーザ発生器７からのレーザ光の光軸と画像センサ１４への光軸とが正しく一致し、レーザ光軸と回転軸を高精度に一致させなくても追尾照準精度が低下しない。

図２は光軸調整機構２０の構成を説明する図であり、図３はモニター３０を用いた光軸調整作業を説明する図である。
前記ビームスプリッタ１３における、前記第２の反射ミラー１２と対向する面に投影板２１を取付ける。そして、ビームスプリッタ１３の画像センサ１４と対向する面には平面ミラー２２を取付ける。これら投影板２１と平面ミラー２２は光軸調整機構２０を構成する部品であり、光軸調整作業の際のみ取付けられ、調整が完了したあとでは、それぞれ取外されるものである。

さらに、光軸調整機構２０は、前記第１の反射ミラー１１および第２の反射ミラー１２を備えている。これら反射ミラー１１，１２には角度調整駆動機構（図示しない）が連結されていて、それぞれの角度調整が自在である。
調整にあたってレーザ発生器７からレーザ光を発振すると、上述したようにレーザ光は第１の反射ミラー１１から第２の反射ミラー１２へ反射され、さらに第２の反射ミラー１２からビームスプリッタ１３へ反射される。

このビームスプリッタ１３はハーフミラー構造となっているので、第２の反射ミラー１２から反射したレーザ光の一部はハーフミラー部Ｍをそのまま透過して、対向位置に配置される投影板２１上に点状に投影される。これを、「ａ点」と呼ぶ。
画像センサ１４は、ビームスプリッタ１３のハーフミラー部Ｍを透過し、投影板２１上に投影されたレーザ光であるａ点を見ることができる。また、第２の反射ミラー１２から反射したレーザ光の一部はハーフミラー部Ｍで反射して平面ミラー２２に導かれる。平面ミラー２２はここで受けたレーザ光を再びビームスプリッタ１３へ反射する。反射したレーザ光はハーフミラー部Ｍを透過して、画像センサ１４に捉えられる。この画像センサ１４が捉えたレーザ光を、「ｂ点」と呼ぶ。

なお、平面ミラー２２で反射してハーフミラー部Ｍに導かれたレーザ光の一部は、再び反射することは当然考えられる。ただし、本発明ではハーフミラー部Ｍを透過して画像センサ１４に至るレーザ光だけを利用し、ハーフミラー部Ｍで反射するレーザ光については何らの必要性もない。
以上の構成の光軸調整機構２０であって、画像センサ１４が捉えた投影板２１上のレーザ光であるａ点と、平面ミラー２２で反射して画像センサ１４に導かれたレーザ光であるｂ点とが別々に存在している場合は、レーザ発生器７から発振されるレーザ光の光軸と画像センサ１４の光軸とにずれが存在していることとなる。

そこで、光軸調整機構２０に対して図３に順次示すように調整する。
すなわち、図３（Ａ）に示すように、画像センサ１４に接続されるモニター３０上に、画像センサ１４が捉えた投影板２１上のレーザ光ａ点と、平面ミラー２２で反射して画像センサ１４に導かれたレーザ光ｂ点との２点が映し出される。
光軸調整機構２０では、前記第１の反射ミラー１１をＸ方向に角度調整する第１の工程を行う。ａ点およびｂ点は、同時に、互いにＸ方向で、かつ互いに反対方向に同一量づつ移動する。ａ点およびｂ点がＹ方向に一致した位置で第１の工程が終わる。

つぎに、第２の工程を行う。図３（Ｂ）に示すように、第２の反射ミラー１２をＹ方向に角度調整する。ａ点およびｂ点は、同時に、互いにＹ方向で、かつ互いに反対方向に同一量づつ移動する。
第２の工程を行って、図３（Ｃ）に示すようにａ点とｂ点が完全に一致し、１点ｃに変ると、光軸調整作業が終了することになる。すなわち、Ｘ−Ｙ１方向ずつの調整でレーザ発生器７から発振されるレーザ光の光軸と、画像センサ１４の光軸が完全に一致する。

従来のように、ＡＺ軸とＥＬ軸およびｘ・ＥＬ軸の３軸それぞれに対する光軸調整を行う必要がなく、ＡＺ軸だけの１軸分の調整でよいから、調整手間の低減化を得られるとともに、調整軸が減少した分だけ調整誤差の発生率が低下して、追尾照準精度のより向上化を得られる。
しかも、画像センサ１４を装置ベース１に収容するとともに、光軸調整機構２０を装置ベース１内に備えたので、ジンバル部２に収容する部品と必要な光軸調整のためのスペースが不要となって、小型化を図ることができる。また、画像センサ１４をｘ・ＥＬ軸に備える必要がなくなり、最終段を構成するｘ・ＥＬ軸のイナーシャが小さくなって各軸を駆動する駆動モータの小型化を図れる。

特に、装置ベース１は航空機等の機体内部に搭載するので、必要な搭載スペースの大小に比較的影響が少ないが、ジンバル部２は機体から突出して備えられるので、航空機等の飛行特性に大なる影響を及ぼす。本発明のごとき小型のジンバル部２を備えることで、飛行特性のより向上化を得られる。
なお、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。

本発明における実施の形態を示す、追尾照準装置の模式的な構成図。 同実施の形態を示す、調整機構の概略の構成図。 同実施の形態を示す、調整工程を順に説明する図。 従来の、追尾照準装置の模式的な構成図。

符号の説明

１…装置ベース、２…ジンバル部、７…レーザ発生器、８…照明光学系（微動鏡）、１４…画像センサ、１０…クーデ光学系、２０…調整機構、１３…ビームスプリッタ、１１…第１の反射ミラー、１２…第２の反射ミラー、２１…投影板、２２…平面ミラー。

Claims (1)

1. 被取付け体に取付け固定される装置ベースと、この装置ベースに回転自在に支持されるジンバル部との組み合せからなり、内部に、レーザ発生器と、照明光学系と、画像センサおよび、３軸ジンバル構造のクーデ光学系を収容し、移動する目標物を追尾して画像を取り込み、かつレーザ光の照準を合わせて目標物を照射する追尾照準装置において、
   前記装置ベースに、レーザ発生器と、前記画像センサを配置するとともに、画像センサの光軸と、レーザ発生器から発振されるレーザ光の光軸とを一致させる光軸調整機構を具備し、
   前記光軸調整機構は、
   前記クーデ光学系中で、かつ前記画像センサと対向して配置される、ハーフミラー構造のビームスプリッタと、
   前記レーザ発生器とビームスプリッタとの間に設けられ、クーデ光学系を構成するとともにＸ方向とＹ方向に角度調整自在な第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーと、
   前記ビームスプリッタに着脱自在に取付けられ、レーザ発生器から第１の反射ミラーと第２の反射ミラーを介して導かれビームスプリッタを透過したレーザ光を投影する投影板および、前記ビームスプリッタで反射したレーザ光を受けて反射する平面ミラーとを具備することを特徴とする追尾照準装置。

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