JP2006523317A

JP2006523317A - 小型レーザー高度計システム

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Publication number: JP2006523317A
Application number: JP2006519706A
Authority: JP
Inventors: メニーリー，クリントン・テイ; レイ，マーク・デイ; ハラマ，ゲイリー・イー
Original assignee: ローズマウント・エアロスペース・インコーポレーテツド
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: WO2005001407A3; WO2005001407A2; US20080030709A1; EP1601933A2; JP4823059B2; US20040179186A1; US7106424B2; AU2004252403A1; US7342647B2; ATE541183T1; EP1601933B1

Abstract

航空機搭載用のレーザーベースの高度計であって、中空空洞部及び出口開口を有する第１のハウジング及び中空空洞部及び入口開口を有する第２のハウジングを備えたレーザー高度計である。レーザーソース及び複数の第１の光学素子は、第１のハウジングの中空空洞部内で小型緊密な構成で固定支持される。複数の第１の光学素子は、レーザーソースにより作られたレーザービームを、第１の光路から出口開口を通って第１のハウジングを出る第２の光路に向ける。少なくも１個の第２の光学素子が、所定の視野を有する望遠鏡を形成するように、第２のハウジングの中空空洞部内で構成される。望遠鏡は、入口開口において、視野内の対象物からのパルス化レーザービームの反射を受け取り、そして受け入れた反射を実質的に焦点に集光させる。集光された反射を受け入れこれを表す電気信号に変換するために光検出器が設けられる。第１及び第２のハウジングは、パルス化レーザービームの第２の光路を望遠鏡の視野内で調整することを許すように互いに整列して固定される。ミラー装置は、望遠鏡の視野内で第２の光路を指向させるために固定調整が可能な複数の第１の光学素子だけであり、ミラー装置は、最終調整後に定位置に固定される。第１及び第２のハウジングは共通ハウジングの部分とすることができる。

Description

本発明は、一般に航空機の高度及び航続距離を測定するためのアビオニクス機器に関し、より特別には、航空機用の正確な地上高（ＡＧＬ）の測定値を得るための小型レーザー高度計システムに関する。

今日の軍用及び商業用の航空機は、航空機位置のより正確な測定値及び位置情報を望んでいる。地上基地のレーザーシステム及び全地球測位システム（ＧＰＳ）は、航空管制、航空機分離、及びナビゲーションのために望ましい緯度及び経度における航空機の正確な位置決めを許す。しかし、特に正確な地上高を必要とする用途に対しては、かかるシステムによる正確なＡＧＬ測定は困難であることが多い。例えば、超低空飛行、及び自動着陸をするための航空機からの飛行曲線に対しては±１５ｃｍ（６インチ）台であることが望ましい高度又はＡＧＬ測定の新たな正確度が要求されることが多い。現在の航空機の高度計システムは、一般にこの正確な測定を達成できない。

今日では、航空機搭載用としてレーザーベースの高度計が提案されている。このレーザー高度計技術は、レーザーの狭いビームのため、より高い解像度を有する地上記録データのようにレーザー高度計に大きい進歩を与える。しかし、レーザー高度計は、特に内蔵される多数の光学素子のために、装置の大きさに関連して、航空機に利用されたときに避けられない問題がある、別の関連事項は航空機の飛行環境における装置の頑丈さである。レーザー高度計の光学素子は、一般に、互いに正確に整列するように調整されかつ定位置に固定された光学ベンチに取り付けられる。しかし、航空機の飛行中に遭遇する振動、衝撃及び広範囲の温度変化のため、光学素子は時間の経過とともに整列が崩れる傾向を有し、常時の保守が必要である。バイスタティックレーザー高度計（ｂｉ−ｓｔａｔｉｃｌａｓａｒａｌｔｉｍｅｔｅｒ）においては、望遠鏡部分へのレーザービーム送信の後方散乱が追加の関連事項である。

本発明は、以下の説明より明らかになるであろうように、装置の寸法、頑丈さ及び保守の点で改良された小型かつ緻密なレーザー高度計を提供することにより現在のレーザー高度計の上述の関心事を克服するために意図された。

本発明の一態様により、航空機搭載用のレーザーベースの高度計は、中空の空洞部と出口開口とを有する第１のハウジング、第１のハウジングの中空空洞部内で小型で緻密な形態で固定支持されるレーザーソース及び複数の光学素子であって、レーザーソースが第１の光路上でパルス化レーザービームを作り、そして複数の第１の光学素子が第１のハウジングの出口開口を通って第１のハウジングを出る第２の光路に第１の光路からレーザービームを向ける前記レーザーソース及び複数の光学素子、中空の空洞部と入口開口とを有する第２のハウジング、所定の視野を有する望遠鏡を形成するために第２のハウジング中空空洞部内で構成された少なくも１個の第２の光学素子であって、望遠鏡がその視野内の対象物からのパルス化レーザービームの反射を入口開口において受け入れそして受け入れた反射を実質的に焦点に集光させる少なくも１個の第２の光学素子、集光された反射を受けてこれ表現する電気信号に変換するための光検出器を備え、第１及び第２のハウジングが、パルス化レーザービームの第２の光路を望遠鏡の視野内で調整することを許すように、互いに整列して固定確保され、そして第２の光路を望遠鏡の視野内で指向させるために、
複数の第１の光学素子の１個のみが固定的に調整可能である。

本発明の別の態様により、レーザー高度計において使用するためのミラー装置は、壁で囲まれたハウジング内に収容されたレーザー高度計において使用するためのミラー装置にしてかつレーザー高度計からのレーザービームを希望の光路に沿って指向させるために固定調整可能なミラー装置であって、ハウジングの壁内に回転可能に配置された外側円筒状部分、外側部分内に回転可能に配置された内側円筒状部分、外側部分及びハウジングの壁から伸びる内側部分の面上に配置されたミラー素子であって、調整可能な反射角度でレーザービームを反射するミラー素子を備え、内側及び外側の部分が互いに異なる回転軸線を有するように構成され、ミラー素子の反射角度が、内側及び外側の部分の少なくも一方のそれぞれの回転軸線まわりの回転により希望の反射角度に調整可能であり、希望の反射角度はレーザー高度計からのレーザービームを希望の光路に沿って向ける角度であり、そして内側及び外側の部分が、希望の反射角度において定位置に固定可能である。

本発明のなお別の態様により、航空機搭載用のレーザーベース高度計は、中空空洞部及び出口開口を有する第１のハウジング、第１のハウジングの中空空洞部内に小型で緻密な形態で固定支持されるレーザーソース及び複数の第１の光学素子であって、レーザーソースは出口開口を通って第１のハウジングを出る第１の光路上でパルス化レーザービームを作り、複数の第１の光学素子が第１の光路に沿って配置されるレーザーソース及び複数の光学素子、中空空洞部及び入口開口を有する第２のハウジング、所定の視野を有する望遠鏡を形成するために第２のハウジングの中空空洞部内で構成された少なくも１個の第２の光学素子であって、望遠鏡がその視野内の対象物からのパルス化レーザービームの反射を入口開口において受け入れそして受け入れた反射を実質的に焦点に集光させる少なくも１個の第２の光学素子、集光された反射を受けるために第２のハウジングの中空空洞部内の位置において固定調整が可能である光検出器であって、受け入れた反射をこれ表現する電気信号に変換するための光検出器を備え、第１及び第２のハウジングは、レーザービームの第１の光路が望遠鏡の視野内に落ちることを許すように、互いに整列して固定される。

図１Ａ及び１Ｂは、本発明の広い原理の実施に適したレーザーベース高度計の、断面にされたそれぞれ平面図及び側面図である。図１Ａ及び１Ｂを参照すれば、レーザー送信用ハウジング又は第１のハウジング１０は、中空の空洞部１２の開口部及び出口開口１４を備える。空洞部１２の開口及び出口開口１４は、例えば、直径が約１．２５ｃｍ（１／２インチ）、全長が約７．５ｃｍ（３インチ）である。空洞部１２の出口開口１４と向かい合った端部１６に、レーザーソース１８が配置され、これは、例えば、ポリサイエンティフィック社製造のモデル番号ＤＥＭ１０６４の形式のマイクロレーザーとすることができる。この実施例においては、マイクロレーザー１８は、例えば、毎秒約８−１０キロパルス（ｐｐｓ）の速度でかつ約１０６４ｎｍとなし得る所定の波長のパルス化されたレーザービームを作るために、９５０ミクロンのダイオードによりポンピングされる受動Ｑスイッチの自律作動式マイクロチップレーザーである。マイクロレーザー１８は、ＴＯ−３容器内に収容され、又は缶１８のプラットフォームを通して設けられた穴を介してボルト１９により第１のハウジング１０の壁２０に固定し確保することができる。ＴＯ−３缶は、窓付きの頂部の面２２も備え、ここから第１の光路２４上にパルス化レーザービームを放出することができる。マイクロレーザー１８のこの特定のパルス繰返し速度及び波長は単なる例示のために与えられたものであり、本発明の広範な原理から離れることなくその他の速度及び波長も同様に使用し得ることが理解される。例えば、眼の安全な作動のために、約１．５ミクロンの波長を選ぶことができる。

レーザービームを、第１の光路２４から、出口開口１４を通って第１のハウジング１０より出る第２の光路２６に向けるために、複数個の第１の光学素子が、空洞部１２内に小
型かつ緊密な構成で固定支持される。複数の第１の光学素子は、光路２４に沿ってマイクロレーザー１８のウインドウ面２２の近くに配置されたバンドパスフィルター光学素子２８を備える。光学素子２８は、レーザーポンプダイオードの光及びレーザービームの所定波長の両側の所定帯域幅の外側のその他の波長の光が空洞部１２に入ることを阻止するために、端部１６の空洞の開口部の実質的に全部を覆うことができる。レーザーを不安定にさせ得る光のフィードバックを最小にするため、及びレーザーチップにおける熱負荷を最小にするために、光学素子２８を光路２４に対してある小さい角度で配置し、その表面が光をレーザーソース１８内に直接反射させないようにすることができる。複数の別の第１の光学素子は、第１の光路２４に沿ったレーザービームを視準しかつ更なる発散を防ぐために、フィルター素子２８の下流に光路２４に沿って視準用レンズ３０を配置することができる。視準用レンズ３０は、以下の説明からよく理解されるであろうように、効率改善のために高度計の望遠鏡部分の視野に拡散するレーザービームと適合するように光路２４に沿って配置することができ。この実施例においてはレンズ３０及びフィルター２８が提供されるが、ある用途においては、全体の形状を小型化するために、レンズ３０及びフィルター２８の一方又は双方を使用しないことがある。

第１の光学素子を小型の構成にするために、空洞部１２を種々の形状になし得ることが理解される。この実施例においては、空洞部１２は、素子２８及び３０が高い位置にありそして出口開口１４が低い位置に配置された逆Ｚ字形に形成される。空洞部１２の縦方向通路３６が、高い位置と低い位置とを連結する。複数の第１の光学素子には２個の経路屈曲用ミラー３２及び３４が含まれ、これらは第１の光路を高い位置から低い位置に向けるように通路３６内に配置される。屈曲用ミラー３２は空洞部通路３６の頂部に配置され、他方の屈曲用ミラー３４は空洞部通路３６の底部に配置される。従って、屈曲用ミラー３２と３４との組合せが、第１の光路２４を、開口１４においてハウジング１０から出る第２の光路２６に向ける。屈曲用ミラー３２又は３４の一方はミラー装置を備え、この装置は、以下の説明から明らかになるであろうように、第２の光路２６を希望に光路に沿うように指向させるために固定調整可能である。上方の屈曲用ミラー３２がミラー装置を備えることが好ましいが、調整の目的にどちらの屈曲用ミラー３２又は３４も使用し得ることが理解される。

そこで、第１の光学素子は全てハウジング１０内で支持され、どちらかの屈曲用ミラー３２又は３４の調整可能なミラー装置を除いて空洞部１２内で動くことができず、更にかかるミラー装置も適正に調整されると定位置に固定可能である。空洞部１２の上方部分は、例えばアバラシェフォトダイオードとなし得る光検知器３８の位置を決めるために縦通路３６より僅か先に伸びることができる。この実施例においては、屈曲用ミラー３２は、光検知器３８により検知するためのパルス化レーザービームの小部分を通過させるように構成され、これが、検知されたレーザーパルスをスタートパルスとして使用する電気信号に変換する。ハウジング１０は、例えば１個又は複数個の印刷回路（ＰＣ）基板で実行し得るレーザー高度計用の処理用電子機器を収容するための別の空洞部４０を備えることができる。光ダイオード３８は、空洞部４０内の電子機器と組み合い、これにより飛行時間及び飛行距離を計算するためのスタートパルスを提供することができる。或いは、検出しそして電気結合部を介して処理用電子機器にレーザースタートパルスを提供する光検知ダイオードをマイクロレーザー１８のＴＯ−３缶に組み込むことができる。例示の方法によりこれらのトリガ又はスタートパルスを作るための技法が提供されたこと、及び使用されるいかなる方法も利用可能な空間及び特定の光学システムの設計に依存することが理解される。

望遠鏡又は第２のハウジング４２は、中空の空洞部４４及び入口開口４６を備える。少なくも１個の第２の光学素子が固定配置され、そして好ましくは一定の所定の視野４８を有する望遠鏡を形成するように空洞部４４内で構成される。望遠鏡は、その視野４８内の
対象物からのパルス化レーザービームの反射を入口開口４６において受け入れそして受け入れた反射を空洞部４４内となし得る焦点で実質的に集光するように機能する。少なくも１個の第２の光学素子は、入口開口４６に配置されてパルス化レーザービームの所定の波長付近の所定の帯域幅内の受け入れた光の波長だけを通過させるバンドパスフィルター光学素子５０より構成される。そこで、フィルター光学素子５０は、空洞部４４内に入ってくる外部環境の背景光の干渉を最小にする。加えて、例えば背景の太陽放射からの干渉を更に減らすために、望遠鏡の視野４８を更に最小にしなければならない。ある用途では、望遠鏡を引っ掻き及び外側の汚染物から密閉し保護するために開口４６に透明ウインドウを設けることができる。しかし、フィルター光学素子５０を、同じ目的を果たすような方法で取り付けることができる。

望遠鏡を形成するために、少なくも１個の第２の光学素子は、入口開口４６の近くに配置された凸又は凹のレンズ５２を備える。この実施例においては、レンズ５２は、入口開口４６から受け入れた反射を、空洞部４４内に落ちる望遠鏡の焦点で集光させるために、例えば約１５０ｍｍとなし得る所定の焦点距離を持つように構成される。屈曲用ミラー５４が空洞部４４内に固定配置され、集光された受け入れられた反射５６を別の光検出器５８に向ける。この検出器も、空洞部４０内に配置された、例えばアバランシェフォトダイオードとすることができる。光検出器５８は、飛行時間及び飛行距離の計算に使用するために空洞部４０内の処理用電子機器に結合することもできる。或いは、集光された受け入れられた反射を、レンズ５２から、例えば空洞部４４内に固定配置された光検出器５８に直接向けることができる。

第１及び第２のハウジングは、パルス化レーザービームの第２の光路２６を望遠鏡の視野４８内で調整できるように互いに整列して固定取り付けされる。以下の説明からよく理解されるであろうように、視野４８内で第２の光路を指向させるために、複数の第１の光学素子の１個だけが固定調整可能であることに注意されたい。本実施例においては、ハウジング４２及び１０は、それぞれの入口開口と出口開口とを互いに近くで整列させるために、それぞれの空洞部４４及び４０／１２の壁６０及び６２に沿って一緒に固定される。開口１４と４６とは、互いにできるだけ近いことが好ましい。出口開口１４は、入口開口４６及び空洞部４４に直接送信されたレーザービームの後方散乱を防ぐために、入口開口４６の後方又は背後で僅かにオフセットさせることができる。加えて、出口開口１４には、空洞部を外部環境から封鎖するためにウインドウペーン６４を配置することができる。また、レーザービームからの反射がレーザー内に送信している光路を戻ること（これによりレーザーの不安定を生ずる可能性がある）を避けるために、ウインドウペーン６４は、出口開口１４の平面に関して傾けられるべきである。加えて、上述されたようなスタートパルスを作るための別の技法と同様に、レーザー光は、傾けられたウインドウ６４から望遠鏡の空洞部４４内に反射されるであろう。

ハウジング４２及び１０は壁６０及び６２に沿って一緒に固定されるので、空洞部４４と６０との間のアクセスを許すために、壁６０及び６２に整列した開口部６６及び６８が設けられる。一実施例においては、空洞部４４内の屈曲用ミラー５４からの集光された反射を受け入れそして空洞部４０の処理用電子機器に変換された電気パルスを提供するように、整列された開口部６６及び６８内に光検出器５８が配置される。

更に、空洞部１２、４０は別のハウジング１０及び４２内に設けられたが、別の実施例においては、共通ハウジング７０からかかる空洞部を、例えばフライス加工により機械加工し得ることが理解される。更に、なお別の実施例においては、ハウジング１０及び４２を共通ハウジング７０の部分とすることがでいる。いずれの場合も、レーザー高度計の全てのかかる実施例に対する共通の特徴は、航空機の飛行環境における使用のための小型かつ頑丈なユニットにすることである。図１Ａ及び１Ｂに示されたような実施例は、長さＬ
、幅Ｗ、及び奥行Ｄがそれぞれ約１９ｃｍ（７．５インチ）、６．２５ｃｍ（２．５インチ）、及び６．２５ｃｍ（２．５インチ）の例示の全寸法を提供する。

上述のように、固定の調整可能なミラー装置は、屈曲用ミラー３２又は屈曲用ミラー３４のいずれかが、好ましくはミラー３２が空洞部１２内に配置される。かかるミラー装置の例示実施例が、図２の断面図で示される。図２を参照すれば、円筒状空洞部７２は、ハウジングの外面７６にある傾斜角度７４でハウジング１０の壁から機械加工され、又は切り出される。角度７４は、例えば屈曲用ミラー３２、３４の意図された傾斜角度と、ほぼ同じにされる。空洞部７２は、空洞部１２への開口部を有する面７８までハウジング壁１０内に伸びる。円筒状空洞部の軸線が線８０により示される。外側円筒部分８２が、円筒状空洞部７２内に回転可能に配置される。部分８２は、空洞部７２内に滑らかに滑り適合しそしてハウジング１０の表面７８上に座るように、空洞部７２の直径と同等の直径を有することが好ましい。

外側部分８２の円筒状空洞部８６内に内側円筒状部分８４が回転可能に配置される。円筒状部分８６は、円筒状空洞部７２の軸線８０から、例えば２゜台の角度となし得る所定の角度８８の軸線８５を有するように外側部分８２から切り出され又は機械加工される。部分８４は、空洞部８６内に滑らかに摺動適合するために空洞部８６の直径と同等の直径を有し、かつ空洞部８６の底部の面８９上に座る。更に、ミラー３２、３４の平面が空洞部７２の軸線８０に対して角度９４にあるように、ミラー素子３２又は３４を内側部分８４の面９０上に配置することができる。（鎖線はミラー素子３２、３４の平面に直角な軸線を示す。）角度９４は角度８８と等しいことが好ましい。内側部分８４の面９０が外側部分８２及びハウジング壁１０から出て空洞部１２内に伸び得るように空洞部７２の底部に、空洞部１２への開口部９２が設けられることが好ましい。接着剤、例えばエポキシ糊により定位置に固定された角度付きのミラー素子を保持するために、面９０に小さい空洞部を設けることができる。この構成においては、ミラー素子３２、３４は、調整可能な反射角度でパルス化レーザービーム（太い線）を反射することができる。

内側部分８４及び外側部分８２の各は、それぞれその空洞部８６及び７２内のそれぞれの回転軸線８５及び８０まわりに回転することができる。内側部分８４及び外側部分８２は、入れ子状構造で、ミラー素子３２、３４に直角な軸線に関して異なりかつ相互に異なる異なった回転軸線８５及び８０を有するように方向付けされる。そこで、部分８２又は８４のいずれか、或いは部分８２及び８４の双方の回転が、ミラー素子３２、３４を、空洞部７２の軸線８０まわりで揺らし、従って反射角度を調整するであろう。反射角度の調整量は部分８２及び８４の回転軸線間の角度差と同じであり、例えば２゜台とすることができる。角度９４を角度８８と実質的に等しくすると、ミラー素子の調整範囲を、軸線８０からのいかなる回転方向においてもゼロから角度８８の２倍までに変えることができる。

図２のミラー装置は以下のようにして組み立てることができる。ミラー部分３２、３４を、所定の角度９４で内側部分８４の面９０に固定し、次いでこれを外側部分８２の空洞部８６内に滑り込ませ、そして面９０及びミラー素子が開口部９２を通って突き出ることを許しつつ面８９上に座らせる。内側部分８４及び外側部分８２の間に気密シールを設けるために、例えば９８で示されたように内側部分８４の周囲に少なくも１個のＯリングを配置することができる。次いで、空洞部８６の直径と同等の直径を有する波形バネワッシャ１００が部分８４の頂面１０２上に配置され、そしてクランプリング１０４が、部分８４の面１０２の上方の空洞部８６の内壁のネジ部分１０６（太線で示される）内にねじ込まれる。クランプリング１０４は、ネジにより波形ワッシャ１００及び面１０２に下げられ締められる。この際、波形ワッシャ１００が部分的に平らにされる量は、内側部分８４を空洞部８６内に定位置に保持するために僅かの力を提供するが、内側部分８４の空洞部
８６内での回転を防止するほどは締めない量である。

次いで、外側部分組立体を空洞部７２内に滑り込ませ、そして面９０及びミラー素子が所定の傾斜角度で空洞部７２の底部及びハウジング１０を通って突き出ることを許しつつ面７８上に座らせる。外側部分８２と空洞部７２の内壁との間に気密のシールを提供するために少なくも１個のＯリングを、例えば９６で示されるように外側部分８２の周囲に配置することができる。空洞部７２の直径と同じ直径を有する別の波形バネワッシャ１０８を部分８２の頂面１１０に配置し、かつ別のクランプリング１１２を、部分８２の面１１０の上方で空洞部７２の内壁の（太線で示された）ネジ部分１１４内にねじ込むことができる。従って、クランプリング１１２は、ネジで波形ワッシャ１０８及び面１１０に下げられ締められる。この際、波形ワッシャ１０８が部分的に平らにされる量は、外側部分８２を空洞部７２内に定位置に保持するために僅かの力を提供するが、外側部分８２の空洞部７２内での回転を防止するほどは締めない量である。ワッシャ１００及び１０８の両者は、例えばバネ鋼製のものとすることができる。

第１の光学素子の全てが正確な整列をすることなく空洞部１２内に確りと取り付けられそしていかなる不整合誤差もミラー装置の調整により補償し得ることに注意されたい。そこで、ミラー装置及びその他の第１の光学素子も、図１Ａ及び１Ｂに例示されたそれらの本来の位置で空洞部１２内に固定配置されたときは、利用できる唯一の調整は、ミラー装置の内側部分８４及び外側部分８２の回転による調整である。この状態においては、いずれかの部分８２又は８４のそれぞれの軸線８０又は８５まわりの回転、或いは両部分８２及び８４のそれぞれの軸線まわりの回転により、望遠鏡の視野４８内で、ミラー素子３２、３４が、第２の光路２６を、従って放射されたパルス化レーザービームを指向させる希望反射角度に調整されるであろう。ミラー装置の調整が、第２の光路を望遠鏡の視野４８内で実質的に中心に向けることが好ましい。

再び図２を参照すれば、ミラー装置を希望の反射角度すると、ミラー装置の両部分８２及び８４は定位置に固定される。例えば、ワッシャ１０８が実質的に平にらにされて部分８２が動けなくなるところまでまでクランプリング１１２を波形バネワッシャ１０８及び面１１０に対して締めることにより、外側部分８２を定位置に固定することができる。同様に、ワッシャ１００が実質的に平にされかつ部分８４が動けなくなるところまで、クランプリング１０４を波形バネワッシャ１００及び面１０２に対して締め付けることにより、内側部分８４を定位置に固定することができる。クランプリング１１２及び１０４並びにそれぞれの波形バネ１０８及び１００は、部分８２及び８４を、航空機の飛行の振動、衝撃及び温度状況より実質的に変動しない調整された位置に固定し保持するであろう。

図３Ａ及び３Ｂは本発明の別の実施例を示し、これにおいては、送信ハウジングの出口開口及び望遠鏡ハウジングの入口は、図１Ａ及び１Ｂに示されたようなレーザー高度計の前面ではなくてその側面に配置される。図３Ａは、出口開口及び入口開口が配置された側面の断面にされた平面図であり、図３Ｂはこの別の実施例の断面にされた側面図である。図１Ａ及び１Ｂの実施例について説明されたものと同じ又は同様なこの変更実施例の構成要素を説明するために同様な番号が使用される。

図３Ａ及び３Ｂを参照すれば、ハウジング１０は、ウインドウペーン６４により封鎖し得る側面の出口開口１２２にレーザービームを指向させることのできる別の形態の空洞部１２０を備える。レーザーソース１８、バンドパスフィルター素子２８、及び視準用レンズ３０が、図１Ａ及び１Ｂの実施例に関連して説明されたと同じくレーザービームを光路２４に沿って指向させるように空洞部１２０内で固定支持される。しかし、屈曲用ミラー３２及び３４の組合せは、光路２４を、側面の出口開口１２２を通ってハウジング１０から出る別の光路１２４に向けるために異なる構成にされる。また、光検出器３８は、屈曲
用ミラー３２を通過したトリガ光を検出するために屈曲用ミラー３２の後方で空洞部１２２内で同様に構成される。屈曲用ミラー３２又は屈曲用ミラー３４のどちらかを、前述のように調整可能なミラー装置とすることができる。

第２のハウジング４２は別の中空空洞部１２６を有し、これは出口開口１２２と同じ側に配置されかつこれに近い入口開口１２８を形成する。入口開口１２８にバンドパスフィルター光学素子５０が配置され、ウインドウのシールとして作用する。この別の実施例においては、焦点用レンズ素子５２が、レーザービームの反射を入口開口１２８から、空洞部１２６内に固定支持された屈曲用ミラー１３０に指向させ、パルス化レーザービームの反射を、空洞部１２６内の光路１３２に沿って光検出器５８に指向させる。この光検出器５８は板１３４上に調整可能に取り付けられる。検出器５８は、これを板１３４に沿って希望位置に滑らせそして希望の場所の定位置に固定取付けをすることができる。空洞部１２６内の板１３４の後方１３６に光検出器５８用の信号調整用電子機器を配置することができる。１３６の検出器用電子機器は、ハウジング１０及び４２の隣接した壁を通る開口（図示せず）を経て空洞部４０内の処理用電子機器と接続することができる。

図３Ａ及び３Ｂのこの別の実施例の作動は、レーザービームが側面の出口開口１２２から出てハウジング４２の望遠鏡の視野内に向けられ、そして対象物からのレーザービーム反射が側面の入口開口１２８内に受け入れられこれを電子的に処理するために指向されそして空洞部１２６内で光検出器５８に焦点を合わせられることを除いて、図１Ａ及び１Ｂの実施例について上に説明されたものと同じである。加えて、図３Ａ及び３Ｂに示された別の実施例は、長さＬ、幅Ｗ、及び奥行Ｄがそれぞれ約１９ｃｍ（７．５インチ）、６．２５ｃｍ（２．５インチ）、及び６．２５ｃｍ（２．５インチ）の例示の全寸法を提供する。

図４は、本発明の別の実施例の断面にされた側面図であり、この実施例においては、図１Ｂに３６で示された空洞部１２のＺ形が除かれている。この実施例においては、送信用空洞部１４０は、共通ハウジング１４４内でＬ字形に望遠鏡空洞部１４２の周りを巻いている。空洞部１４０の一方の端部１４６に、例えば直径を１５ｍｍ台となし得る出口開口がある。空洞部１４０の他方の端部にレーザーソース１８があり、これは、レーザービームを、光路１４８上で、Ｌ字形空洞部のコーナーに配置された屈曲用ミラー素子１５０に向けるように、ハウジング１４４の壁に固定取付けすることができる。屈曲用ミラー素子１５０が、光路１４８を反射しそして別の光路１５２に向ける。この光路は、レーザービームを、例えば熔融シリカで作られたウインドウ６４を通して通過させ、そして出口開口１４６から出す。レーザー光の幾分かが、光路１５４上の熔融シリカのウインドウ６４で反射し、空洞部１４０内に配置されたトリガ光検出器３８に至る。屈曲用ミラー１５０は、前述のように固定された調整可能の光学装置とすることができる。

この別の実施例においては、レーザーソース１８と屈曲用ミラー１５０との間で光路１４８に沿って配置され、かつ、例えば焦点距離２５ｍｍの視準用レンズ３０が、屈曲用ミラー１５０の近くで光路１５２に沿って配置される。従って、レーザービームは、直接光路１５２内のミラー１５０から、先の実施例に関して説明されたような２重屈曲用ミラー構成を使用することなく出口開口１４６に向かい、ここから出るように指向される。

この別の実施例の望遠鏡空洞部１４２は、その一方の端部１５６に入口開口を備える。例えば直径を約２５ｍｍとなし得る入口開口に、空洞部１４２を封鎖するためのウインドウ１５８がある。また、空洞部１４２内には、その端部１５６に、フィルター光学素子５０及び例えば焦点距離１５０ｍｍを有するレンズ５２が配置される。空洞部１４２の他方の端部１６０においてハウジングの壁に光検出器５８が取り付けられ、そしてレンズ５２からの集められた光を受け入れるような位置に調整される。そこで、この別の実施例は、
１９０ｍｍ台の例示長さ寸法及び４０ｍｍ台の例示幅寸法を持つことができる。

図５は、屈曲用ミラーが設計から無くされている本発明の更に別の実施例を示す断面図である。この実施例においては、レーザーソース１８から放出されたレーザービームは、空洞部１６４内の１個の直線光路１６２に沿って空洞部の反対側の端部の出口開口１６６に向けられ、そしてここから出る。フィルター２８及び視準用レンズ光学素子３０が、レーザーソース１８の近くで光路１６２に沿って配置される。トリガ光検出器３８を、空洞部１６２内で光路１６８上のウインドウ６４からの反射レーザー光を受け入れる位置に配置することができる。望遠鏡空洞部の光学素子は、図４の実施例と同じ又は同様に構成することができる。

送信用空洞部１６４内に、レーザービームを望遠鏡の視野内の希望の位置に整列させるための調整可能な光学装置がないことに注意されたい。レーザービームの整列調整用のこの欠如を補償するために、レーザービーム１６２の光路が望遠鏡の視野内に落ちることを許すように、空洞部１６４と１４２とが互いに固定整列される。加えて、望遠鏡の光検出器５８が、図３Ａの実施例について説明されたように板に、或いは図４の実施例について説明されたようにハウジングの壁に調整可能に取り付けられる。従って、光検出器５８は、望遠鏡の視野からのレーザービームの集光された反射の強い受け入れを許す位置に壁又は板に沿って滑ることができる。光検出器５８は、希望位置に調整されると、例えばネジ止め又はボルト止めにより定位置に固定される、この実施例は、前述の実施例の屈曲用ミラーを無くすことにより、レーザー高度計の光学素子のより小型かつ頑丈な構成、即ち、光検出器５８が単に固定された調整可能な構成要素である構成を提供する。レーザー高度計のその他の要素の全ては、組立中にそれぞれの空洞部内の定位置に固定される。

以上説明された実施例のハウジングは、例えば、アルミニウム、金属複合物、又は工業用プラスチックのような適宜の軽量材料から構成することができる。ハウジング用にアルミニウムが使用される場合は、互いに回転している同様な材料の相互の結合及びかじりを防ぐために、固定の調整可能なミラー装置の外側部分８２を真鍮材料で構成し、内側部分８４をアルミニウムで構成することができる。前述の材料は種々の実施例に適しているが、これへの使用に適した多くの他の軽量材料があることが理解される。種々の実施例のより顕著な態様は材料ではない。精密に整列させることなく確りと取り付け得る光学素子の小型化、微細調整後に定位置に固定し得る調整可能な光学素子をただ１個にまで減らすことにより光学素子の頑丈さ、及びパルス化レーザービームの望遠鏡内へのいかなる後方散乱も無くすことが、本実施例を現在にレーザー高度計の設計から際立てている。

本発明は、種々の実施例を参照して以上説明されたが、かかる実施例は単に例示のために与えられたものであり、かかる説明によるいかなる方法、形状又は形式においても本発明を限定することは意図されないことが理解される。本発明は、特許請求の範囲の詳細に従った広範な範囲で解釈されるべきである。

本発明の広い原理の実施に適したレーザーベース高度計の、断面にされたそれぞれ平面図及び側面図である。図１Ａ及び１Ｂのレーザー高度計での使用に適した据付けの調整可能なミラー装置の断面図である。本発明の別の実施例の、断面にされたそれぞれ平面図及び側面図である。本発明の別の実施例の断面にされた側面図である。本発明の更に別の実施例の断面にされた側面図である。

Claims

航空機搭載用のレーザーベースの高度計であって；
中空空洞部と出口開口とを有する第１のハウジング；
前記第１のハウジングの中空空洞部内で小型で緻密な形態で固定支持されるレーザーソース及び複数の光学素子であって、前記レーザーソースが第１の光路上でパルス化レーザービームを作り、そして前記複数の第１の光学素子が前記第１のハウジングの出口開口を通って前記第１のハウジングを出る第２の光路に前記第１の光路から前記レーザービームを向ける前記レーザーソース及び複数の光学素子；
中空の空洞部と入口開口とを有する第２のハウジング；
所定の視野を有する望遠鏡を形成するために前記第２のハウジングの中空空洞部内で構成された少なくも１個の第２の光学素子であって、前記望遠鏡がその視野内の対象物からの前記パルス化レーザービームの反射を前記入口開口において受け入れそして前記受け入れた反射を実質的に焦点に集光させる前記少なくも１個の第２の光学素子；及び
前記集光された反射を受けてこれ表現する電気信号に変換するための光検出器
を備え；
前記第１及び第２のハウジングが、パルス化レーザービームの前記第２の光路を望遠鏡の前記視野内で調整することを許すように、互いに整列して固定確保され；
前記第２の光路を望遠鏡の前記視野内で指向させるために、前記複数の第１の光学素子の１個のみが固定的に調整可能である
レーザー高度計。
レーザーソースがマイクロチップレーザーを備える請求項１のレーザー高度計。
レーザーソースが、所定波長のパルス化レーザービームを作るように作動する請求項１のレーザー高度計。
所定波長を中心とした所定帯域幅より外側の波長の光が第１のハウジングの中空空洞部に入ることを実質的に阻止するために、複数の第１の光学素子が、第１の光路に沿ってレーザーソースの近くに配置されたバンドパスフィルター光学素子を備える請求項３のレーザー高度計。
第１の光路に沿ったパルス化レーザービームを視準するために、複数の第１の光学素子が、第１の光路に沿ってバンドパスフィルター光学素子の下流に配置される視準用レンズを備える請求項４のレーザー高度計。
パルス化レーザービームの所定波長を中心とした所定の帯域幅内の波長の光のみを通過受け入れるために、少なくも１個の第２の光学素子が、望遠鏡の入口開口に配置されたバンドパスフィルター光学素子を備える請求項３のレーザー高度計。
調整可能な１個の第１の光学素子が、固定調節可能なミラー装置を備える請求項１のレーザー高度計。
ミラー装置が；
第１のハウジング内に回転可能に配置された外側円筒状部分；
前記外側部分内に回転可能に配置された内側円筒状部分；
外側部分及び第１のハウジングから第１のハウジングの中空空洞部内に伸びる前記内側部分の面上に配置されたミラー素子であって、調整可能な反射角度でパルス化レーザービームを反射する前記ミラー素子
を備え；
前記内側及び外側の部分が互いに異なる回転軸線を有して構成され；
前記ミラー素子の前記反射角度が、前記内側及び外側の部分の少なくも一方のそれぞれの回転軸線まわりの回転により希望の反射角度に調整可能であり；そして
前記内側及び外側の部分が、希望の反射角度において定位置に固定可能である
請求項７のレーザー高度計。
ミラー素子の希望の反射角度が、第２の光路を望遠鏡の視野内で指向させる請求項８のレーザー高度計。
ミラー素子の希望の反射角度が、第２の光路を望遠鏡の視野内で実質的中心に指向させる請求項８のレーザー高度計。
ミラー素子の反射角度が、内側部分及び外側部分の両者のそれぞれの回転軸線まわりの回転により希望の反射角度に調整し得る請求項８のレーザー高度計。
少なくも１個の第２の光学素子が入口開口の近くに固定配置された凸レンズを備え、前記凸レンズが、受け入れた反射を望遠鏡の焦点に集光させる所定の焦点距離を有する請求項１のレーザー高度計。
凸レンズの所定の焦点距離が、第２のハウジングの中空空洞部内にある請求項１２のレーザー高度計。
焦点の合わせられた受入れ反射を光検出器に向けるために、少なくも１個の第２の光学素子が、中空空洞部内に配置された屈曲用ミラーを備える請求項１２のレーザー高度計。
第１のハウジングの空洞部を外側環境から封鎖するために出口開口に配置されたウインドウペーンを備える請求項１のレーザー高度計。
第１及び第２のハウジングが、それぞれの出口及び入口の開口を互いに近くで整列させるように、それぞれの空洞部の壁に沿って一緒に固定確保される請求項１のレーザー高度計。
第１のハウジングの出口開口が、第２のハウジングの入口開口の後方にオフセットされる請求項１６のレーザー高度計。
第１のハウジングの空洞部を外側環境から封鎖するために出口開口に配置されたウインドウペーンを備え、前記ウインドウペーンが出口開口に関して傾けられる請求項１６のレーザー高度計。
第１のハウジングが処理用電子機器を収容するための別の中空空洞部を有し；第１のハウジングはその前記別の中空空洞部の壁に第１の開口部を有し、そして第２のハウジングはその中空空洞部の壁に第２の開口部を有し、前記第１及び第２の開口部は整列され；光検出器が前記別の空洞部に配置されそして処理用電子機器と組み合わせられ；更に少なくも１個の第２の光学素子は、焦点が合わせられ受け入れられた反射を第１及び第２の開口部並びに光検出器に向けるために中空空洞部内に配置された屈曲用ミラーを備える請求項１６のレーザー高度計。
光検出器が、第１及び第２のハウジングの間の、整列された第１及び第２の開口部の中に配置される請求項１９のレーザー高度計。
前面を有し；出口及び入口の開口がレーザー高度計の前面に配置される請求項１のレーザー高度計。
側面を有し；出口及び入口の開口がレーザー高度計の側面に配置される請求項１のレーザー高度計。
航空機用のレーザーベース高度計であって；
第１の中空空洞部とその出口開口及び第２の中空空洞部とその入口開口を有するハウジング；
前記第１の中空空洞部内に小型で緻密な形態で固定支持されるレーザーソース及び複数の光学素子であって、前記レーザーソースは第１の光路上でパルス化レーザービームを作り、そして前記複数の第１の光学素子が、前記出口開口を通って前記第１の空洞部を出る第２の光路に前記第１の光路から前記レーザービームを指向させる前記レーザーソース及び複数の光学素子；
所定の視野を有する望遠鏡を形成するために前記第２の中空空洞部内で構成される少なくも１個の第２の光学素子であって、前記望遠鏡はその視野により対象物からの前記パルス化レーザービームの反射を前記入口開口において受け入れそして前記受け入れた反射を実質的に焦点に集光させる前記少なくも１個の第２の光学素子；及び
前記集光された反射を受けてこれを表現する電気信号に変換するための光検出器
を備え；
前記第１及び第２の中空空洞部は、パルス化レーザービームの前記第２の光路が望遠鏡の前記視野内で調整されることを許すように互いに整列し；
前記第２の光路を望遠鏡の前記視野内で指向させるために、前記複数の第１の光学素子の１個のみが固定的に調整可能である
レーザー高度計。
壁で囲まれたハウジング内に収容されたレーザー高度計において使用するためのミラー装置にして、レーザービームを前記レーザー高度計から希望の光路に沿って指向させるために固定調整可能な前記ミラー装置であって：
前記ハウジングの壁内に回転可能に配置された外側円筒状部分；
前記外側部分内に回転可能に配置された内側円筒状部分；及び
外側部分及びハウジングの壁から伸びる前記内側部分の面上に配置されたミラー素子であって、レーザービームを調整可能な反射角度で反射する前記ミラー素子
を備え；
前記内側及び外側の部分が互いに異なる回転軸線を有するように構成され；
前記ミラー素子の前記反射角度が、前記内側及び外側の部分の少なくも一方のそれぞれの回転軸線まわりの回転により希望の反射角度に調整可能であり、前記希望の反射角度はレーザービームを前記レーザー高度計から希望の光路に沿って向ける角度であり；
前記内側及び外側の部分が、希望の反射角度において定位置に固定可能である
前記ミラー装置。
レーザー高度計が、所定の視野を有する望遠鏡を備え；かつミラー素子の希望の反射角度が第２の光路を望遠鏡の視野内で指向させる請求項２４のミラー装置。
ミラー素子の希望の反射角度が、第２の光路を望遠鏡の視野内で実質的中心に指向させる請求項２５のミラー装置。
ミラー素子の反射角度が、内側及び外側の部分の双方のそれぞれの回転軸線まわりの回転により希望の反射角度に調整可能である請求項２４のミラー装置。
外側円筒状部分がハウジングの壁の中の第１の回転軸線まわりで回転可能であり、そして内側円筒状部分が前記外側部分内の第２の回転軸線まわりで回転可能であり、前記第２の回転軸線が第１の回転軸線に対して第１の所定角度にある請求項２４のミラー装置。
ミラー素子が内側部分の面上においてある角度で配置され、ミラー素子の面に直角な軸線が第１の回転軸線に対して第２の所定角度にある請求項２８のミラー装置。
第２の所定角度が第１の所定角度と実質的に等しく設定される請求項２９のミラー装置。
ミラー素子が、レーザービームに対して第１の傾斜角度を有する屈曲用ミラーとして構成され；そして屈曲用ミラーの前記第１の傾斜角度を提供するために第２の傾斜角度でハウジング壁に円筒状空洞部が設けられる請求項２４のミラー装置。
外側円筒状部分が内側円筒状部分を入れるための内側円筒状空洞部を備え；ハウジングの壁は外側円筒状空洞部を入れるための外側円筒状空洞部を備え、前記内側及び外側の部分はミラー素子を調整するためにそれぞれの空洞部内で回転可能であり；そして内側及び外側の部分はミラー素子の希望の反射角度においてそれぞれの空洞部内で定位置に固定可能である請求項２４のミラー装置。
内側円筒状空洞部が、内側円筒状部分を内側円筒状空洞部内で定位置に固定するために内側円筒状部分に対してネジで締め付け得るクランプリングと適合するためのネジ領域を備える請求項３２のミラー装置。
クランプリングが内側円筒状部分に対してネジで締め付けられたときの内側円筒状部分の定位置への固定を支援するために、クランプリングと内側円筒状部分との間に配置されたバネワッシャを備える請求項３３のミラー装置。
外側円筒状部分が、外側円筒状部分を外側円筒状空洞部内で定位置に固定するために外側円筒状部分に対してネジで締め付け得るクランプリングと適合するためのネジ区域を有する請求項３２のミラー装置。
クランプリングが外側円筒状部分に対してネジで締め付けられたときの外側円筒状部分の定位置への固定を支援するために、クランプリングと外側円筒状部分との間に配置されたバネワッシャを備える請求項３５のミラー装置。
航空機搭載用のレーザーベース高度計であって；
中空空洞部及び出口開口を有する第１のハウジング；
第１のハウジングの前記中空空洞部内に小型で緻密な形態で固定支持されるレーザーソース及び複数の第１の光学素子であって、前記レーザーソースは前記出口開口を通って前記第１のハウジングを出る第１の光路上でパルス化レーザービームを作り、前記複数の第１の光学素子が前記第１の光路に沿って配置される前記レーザーソース及び複数の光学素子；
中空空洞部及び入口開口を有する第２のハウジング；
所定の視野を有する望遠鏡を形成するために前記第２のハウジングの前記中空空洞部内で構成された少なくも１個の第２の光学素子であって、前記望遠鏡がその視野内の対象物からの前記パルス化レーザービームの反射を前記入口開口において受け入れそして前記受け入れた反射を実質的に焦点に集光させる前記少なくも１個の第２の光学素子；及び
前記集光された反射を受けるために第２のハウジングの前記中空空洞部内の位置において固定調整が可能である光検出器であって、前記受け入れた反射をこれを表現する電気信
号に変換するための光検出器
を備え；
前記第１及び第２のハウジングは、レーザービームの前記第１の光路が望遠鏡の前記視野内に落ちることを許すように、互いに整列して固定確保される
レーザー高度計。
航空機搭載用のレーザーベース高度計であって；
第１の中空空洞部とその出口開口、及び第２の中空空洞部とその入口開口を有するハウジング；
前記第１の中空空洞部内に小型で緻密な形態で固定支持されるレーザーソース及び複数の第１の光学素子であって、前記レーザーソースが前記出口開口を通って前記第１の空洞部を出る第１の光路上でパルス化レーザービームを作り、前記複数の第１の光学素子が前記第１の光路に配置される前記レーザーソース及び複数の光学素子；
所定の視野を有する望遠鏡を形成するために前記第２の中空空洞部内で構成された少なくも１個の第２の光学素子であって、前記望遠鏡がその視野により対象物からの前記パルス化レーザービームの反射を前記入口開口において受け入れそして前記受け入れた反射を実質的に焦点に集光させる前記少なくも１個の第２の光学素子；及び
前記集光された反射を受け入れるために第２の中空空洞部内で固定調整可能な光検出器であって、前記受け入れた反射を受け、これを表現する電気信号に変換するための光検出器を備え；
前記第１及び第２の中空空洞部は、０レーザービームの前記第１の光路が望遠鏡の前記視野内に落ちることを許すように互いに整列する
レーザー高度計。