JPS63502934A - アフオーカルビーム拡大装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はビーム拡大器に関し、特にビームを拡大し所望の方向に指向する装置 及び方法に関する。

先行技術についての説明 航空機搭載用レーザレーダーシステムが開発され、地形を避けるための操縦ツー ルとして使用されている。このシステムは航空機から地面までの実距離を決定し 、前記実距離をフライトロラグから得た距離と比較して飛行路を調整するもので ある。

このために通常、遠赤外線領域のレーザビームが使用される。このビームは概し て２．３センチの比較的小さな直径を有し射出窓に直角に発生される。前記ビー ムを前記射出窓を通して伝送する前に前記ビームの横断面を一般に約２０倍に拡 大しなければならない。さらにビーム軸を傾斜して前記ビームを直角に対して正 の角度で前記射出窓から射出させることが必要である。これによってナルキッソ ス効果と言われるエネルギーが前記射出窓から前記ビーム内へと逆方向に散乱す る現象を防ぐことができる。全てのビームプロセス装置が１２０”ずつ連続的に 回転し、前記ビームが地形を走査して１２０°増大するごとに距離データを得る 。各増分ごとに得られた受信エコー信号は出力ビームと９０°の偏光ずれをもっ ているので前記エコー信号を前記出力ビームから分離して距離を決定する。　ビ ーム拡大装置はアフォーカルでなければならない、すなわち入力ビームは径が小 さいので拡大し、更にその出力ビームをコリメートしなければならない。一般に 前記ビーム拡大装置には屈折素子ではなく反射素子を使用すことが望ましい、な ぜなら前記屈折素子はより大きなビーム散乱を引起こすので信号対ノイズ比が小 さくなり実距離が減少されたものとなってしまうからである。更に前記反射素子 は入射光の波長に無関係であるのに対して前記屈折素子においては特定の波長に あらかじめ調整する必要がある。また、前記反射素子は温度が変化した場合前記 屈折素子よりも吸着率が低くかつ感度も低くなる。ビーム拡大率には制限があり 、余り急激に拡大すると収差を引起こし再度にわたるコリメートが正確にできな くなる。したがって、幾何学的な質を維持するためには、ビーム拡大にかかわる 最小限の距離を確保する必要がある。レーザは高エネルギーのためその焦点でガ ス分子の破壊が起こるがこれを避けるため、ビームを集束しないようにすること が必要である。

レーダーシステムを航空機に搭載する場合のスペースは限られているので、ビー ム拡大装置を出来るだけコンパクトにしなければならない。先行技術としてＤａ ｌｌＫｉ　ｒｋｈａｍやＭｅｒｓｅｎｎｅなどの光学系がありこれらはレーザ技 術に応用できるが、コンパクトであることが要求される場合や入力ビームが射出 窓の中央部に直角になる場合は大きすぎて実質的に使用できない。したがって小 さな空間にレーザ用ビーム拡大器を設置する場合、上記の欠点はあるが屈折素子 を使用するのが常であった。

第１図に示したのは反射式ビーム拡大器の先行例である。

この系は小径のレーザビーム４を受けて凹状第１ミラー６に反射する凸状第２ミ ラー２を含む。この第２ミラー２が凸のためビームは前記第２ミラー２から前記 第１ミラー６に到達する間に角発散する。前記第１ミラー６は、ビームが前記第 １ミラーに到達する時にビームの出力横断面が所望の大きさになるような位置に 設けられる。ビームは前記第１ミラー６によってコリメートされて入力ビームに 平行な軸８に沿って反射される。平面鏡１０が前記第２ミラー２の位置よりほん の少し下方のビーム通路に設けられ拡大ビームを他の平面鏡１２へと反射し、さ らにこの平面鏡１２によってビームを所望の出力軸１４に沿って指向する。前記 ミラー１０及び１２は出力ビームのコリメートを変更せず単にビームが出力窓１ ６に対して所望のオフセット角度で前記出力窓１６を通過するようにするだけで ある。このオフセット角度でビームの見通し線が定まる。

前記第１ミラー６からのビーム軸８は前記出力窓１６の中央部を直角に伸張する 。ビームを３６０°掃引するために、前記平面鏡１０及び１２を点線１８で示さ れたような回転ドラム又はバレルに納める。このバレルは軸８の回りを回転しバ レルが一回転するごとにビームが３６０°掃引を行う。

第１図に示されたビーム拡大器はビームを所望の大きさに拡大しその幾何学的質 も維持されるが必要とする空間が大きすぎてレーザレーダに適用できない。

もうすこしコンパクトで小径の入力ビームを出力窓に一列にした先行例が第２図 に示されている。一対の平面鏡２０及び２２によって入力ビームを前記出力恩返 くの見通し線外の位置に設けた凸状第２ミラー２４へと先導する。この第２ミラ ー２４はビームを凹状第１ミラー２６へ反射してビームを約分散し前記第１ミラ ー２６に到達する時に所望の横断面になるようにする。この場合、第１図及び第 ２図の２つの系における第１ミラーと第２ミラーとの距離は等しいものとする。

前記第１ミラー２６は回転バレル２８の頭部近くに設けられてビームを再度にわ たってコリメートしさらに出力窓の中央部と交わる所望の出力軸３０に沿ってビ ームを指向する。

第２図における装置は第１図のビーム拡大装置より大きくはないが、所望の構成 に比べるとまだ大きすぎる。

反射素子を有する他の先行例が第３図に示されている。出力窓１６上方に設けら れたビーム拡大器の高さは第１図及び第２図のものより低いが横方向の距離はよ り大である。小径入力ビーム３２は３つの平面鏡３４．３６及び３８によって直 角に反射され、さらにこの系の右下に位置する凸状第２ミラー４０へと先導され る。この第２ミラー４０はビームを凹状第１ミラー４２へと先導し、ビームがこ の第１ミラー４２に到達するときに所望の横断面になるように拡大する。このた めには、前に述べた２つの系と同様、前記第１ミラーと第２ミラーとの距離が等 しくなければならない。前記第１ミラー４２はビームをコリメートしてほぼ平行 な軸４４にそって大きな平面鏡４６へと先導し、さらにこの平面鏡４６が前記ビ ームを所望の出力軸４８にそって出力窓１６の外へ指向する。系全体が、入力ビ ーム３２と前記出力窓１６との一致軸の回りを回転する回転ドラム４２に納めら れる。第３図の系の出力窓からの距離は前に述べた２つの系よりも小さいが、回 転した場合、他の２つよりも多少だが体積が大になる。したがってまだコンパク トであるとはいえない。

第４図に示されたのは所望の小体積化を可能にした屈折式ビーム拡大器である。

この構成では入力ビーム５２を拡大レンズ５４を通して先導し、前述した系と実 質的に同じ率でビームを拡大している。入力ビーム５２の軸は出力窓１６の中央 部に直角に伸張する。拡大ビームは平面鏡５６．５８によって再度先導され前記 出力窓１６に対して所望の出力軸６０に沿って指向される。第１コリメータレン ズ６２が前記出力窓１６の少し上のビーム路に設けられ出力に先だってビームを コリメートする。この系は回転ドラム６４内に収納されている。

第４図の屈折系の回転による掃引体積は小さいので航空機搭載用レーザレーダー システムとして実際に使用可能である。

第１図、第２図、第３図における系の掃引体積はそれぞれ約４．６．２．５．２ ．８であるのに対して第４図の屈折系の掃引体積は１．０の単位体積である。し かしながら、第４図の系は屈折式なので前述したように散乱、吸着、さらに帯域 幅や温度感知度などの問題がある。

発明の摘要 先行技術に付随する問題を考慮して、この発明の目的は、新規で改善されたアフ ォーカルビーム拡大指向装置及び方法により、先行反射系の持つ高質なビームと 先行屈折系の持つ小体積な空間を提供することにある。この目的は、ビームを拡 大中に指向して十分に長い拡大距離を得る機能と、さらに拡大かつコリメートさ れたビームを所望の出力軸に沿って指向する機能との二重機能を有する反射器を 使用することによって達成される。

小径入力ビームをまず出力窓の中央部に直角に傾斜して拡大反射器に先導し角発 散させて拡大し、この拡大ビームを指向反射器へと先導する。コリメータ反射器 を設けて前記指向反射器からの前記拡大ビームを受′けてコリメートし、前記拡 大ビームを前記指向反射器と前記拡大反射器間の拡大ビーム軸と異なる軸に沿っ て前記指向反射器へと反射する。前記指向反射器を傾斜して前記拡大コリメート ビームを受け反射させて所望の出力軸に沿って指向する。

望ましい実施例として、前記指向反射器に実質的に平面鏡を用い拡大ビームを前 記コリメータ反射器によって実質的にコリメートする。一連の入力反射器によっ て入力ビームを入力軸又は出力軸以外の軸に沿って前記指向反射器へと連続的に 反射するが最後の入力反射器は凸状でありビーム拡大を開始する役目を持つ。

前記入力反射器の１つを前記指向反射器と一体化して形成するか又は個別に形成 して照準合せが可能なように調整する。

前記指向反射器及び前記コリメータ反射器を入力ビーム軸の概して対向面に設け て必要な空間を最小にする。

この発明のこれらの及び他の目的と特徴は以下の望ましい実施例の詳細な説明と 添附図面とによって当業者に明白になるであろう。

図面の説明 第１図、第２図、第３図は先行する反射式ビーム拡大系の線図である。

第４図は先行する屈折式ビーム拡大系の線図である。

第５図は本発明の反射式ビーム拡大系の線図である。

好ましい実施例の詳細な説明 本発明のビーム拡大装置を第５図に示す。比較的小径の入力レーザビームを、第 ２図から第４図の先行系と同様に出力窓１６の中央部に直角に先導する。しかし ながら、第５図の系は完全反射素子を有し、先行反射系のビーム質を保持しかつ 掃引体積を第４図の先行屈折系とほぼ同じにすることが可能である。

実施例に示したように、入力ビームロ６を３つの反射素子６８．７０．７２へ連 続的に先導する。第一人力素子６８を入力ビーム軸上に設はコリメーションの度 合いを変えないで第２人力反射器７０へと反射する。この反射器は後述する静止 伸張体としての指向ミラー７４を含むか又はそれ自身が分離しており角度調整用 の適当な調整手段を有していて入力ビームを出力ビームの照準に合せる。前記反 射器７０をこの系の頭部近くに設け、入力ビームのコリメートを保持しながら、 前記反射器７０から見て入力ビーム軸の反対側でかつ出力ミラー１６の僅か上方 に設けられた前記入力ミラー７２へと前記入力ビームを先導する。前記反射器７ ２は凸状ミラーであり該表面を反射した入力ビームを角発散させて拡大する。

指向ミラー７４は大径素子であり前記拡大ミラー７２から見て入力ビーム軸の反 対側に設けられる。ビームは前記指向ミラー７４の反射面を反射した後も拡大し つづける。前記指向ミラーを傾斜して前記拡大ミラー７２からの到来ビームを入 力ビーム軸の反対側に設けられた第１次ミラー７６へと反射させる。この第１次 ミラー７６の反射面は凹状でありビームが該表面から反射するときビームをコリ メートする。前記コリメータミラー７６によってビームを前記指向ミラー７４へ ともどして再反射し前記出力窓１６の中央部を所望のオフセット角で延長する出 力軸７８に沿ってビームを指向する。

前記拡大ミラー７４、前記指向ミラー７４、前記コリメータミラー７６の相対傾 斜角は、ビームが直角でない角度、すなわち入力ビームに対して零度にならない 角度で各ミラーに当たるように選択する。前記拡大ミラー７２と前記指向ミラー ７４間の拡大ビーム方向を軸８０によって示し前記指向ミラー７４と前記コリメ ータミラー７６間の拡大ビームの方向を軸８２によって示す。さらに、前記コリ メータミラー７６から前記指向ミラー７４へ反射するコリメートビームの方向を 軸８４によって示す。第５図が示すようにどの軸も一致しないので、ビームが前 記指向ミラー７４から２度目に反射した後、最終的に出力軸７８に一致するまで 反復可能である。

前記各入力ミラー６８．７０．７２は、拡大中のビーム及び再度にわたってコリ メートされたビームの包絡線の外部に設けられることに注目すべきである。

前記指向ミラー７４は二重の機能をもつ。ひとつには、軸８０及び８２が示すよ うにビームの拡大路を２つに分離する。

これによって、先行反射系の前記第１及び前記第２ミラーのように２つを比較的 距離をおいて分離する必要がなくなるので本発明の系をよりコンパクトにするこ とができる。第二に、前記指向ミラー７４は前記コリメータミラー７６によって コリメートされたビームを所望の出力軸に沿って指向する。このように一つのミ ラー素子に２つの機能を持たせることによ前記したように前記指向ミラー７４は 平らな面を有するので拡大ビームを再びコリメートするのは実質的に、凹状面を 有する前記コリメータミラー７６によってなされる。一方、前記拡大ミラー７２ から受けた拡大ビームを一部コリメートするために、前記指向ミラー７４の反射 面を幾分凹状にすることも可能である。この場合、前記コリメータミラー７６の 凸の度合いを幾分緩和して、ビームが、前記指向ミラー７４、前記コリメータミ ラー７６、再び前記指向ミラー７４を順に反射するにつれてビーム拡大の度合い を漸次減少させると同時に漸次コリメートする。従って前記指向ミラー７４と前 記コリメータミラー７６の凸の度合いは、前記ミラー７６からの反射と前記ミラ ー７４からの反射との２度の反射によってビームが完全にコリメートされるよう に選択される。このようにしてビームの拡大有効距離を、前記コリメータミラー ７６と前記指向ミラー７４間の軸８４に沿う距離によって増大してビーム発散角 を幾分小さくし、かつビームの光学的品質の強化を可能とする。

以上によって、コンパクトでしかも高品質のビーム拡大系及び方法が本発明にお いて示されかつ記載された。他に数多くの変更態様が当業者にとって可能となる 。たとえば、拡大ミラーとコリメータミラー間のビーム路に、出力ビーム路を塞 がないように一つ以上の反射面を付加的に追加して、装置のサイズをさらに縮小 することもできる。したがって本発明は添附した請求の範囲によってのみ限定さ れる。

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Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．所定の入射軸に沿って入射ビームを受け、反射し、所望の出力軸に沿って前 記入射ビームを指向すべく傾斜した指向反射器手段と、 入力コリメートビームを受け、前記入力コリメートビームを角発散して前記入力 コリメートビームの横断面を拡大し、さらに前記入射軸以外の軸に沿って前記拡 大ビームを前記指向反射器手段に先導する拡大反射器手段と、前記指向反射器手 段から反射した前記拡大ビームを受け、前記所定の入射軸に沿って前記拡大ビー ムを前記指向反射器手段へと逆反射すべく設けたコリメータ反射器手段とを具備 し、 実質的コリメートビームとしての前記拡大ビームが前記入力ビームよりも大なる 横断面を持つように前記拡大ビームを前記指向反射器手段によって所望の出力軸 に沿って反射すべく前記コリメータ反射器手段が前記拡大ビームをコリメートす るコンパクトな拡大指向システム。
2. ２．前記指向反射器手段が実質的に平面鏡を具備し、前記コリメータ反射器手段 が前記拡大ビームを実質的に完全にコリメートする請求の範囲第１項に記載のビ ーム拡大指向システム。
3. ３．所定の入射軸に沿って入射ビームを受け、反射し、所望の出力軸に沿って前 記入射ビームを指向すべく傾斜した指向反射器と、 前記出力軸以外の入力軸に沿って入力コリメートビームを受け、前記入力軸又は 前記出力軸以外の軸に沿って前記入力ビームを前記指向反射器へ連続して反射す べく設けた複数の入力反射器と、 前記指向反射器から反射した前記拡大ビームを受け、前記所定の入射軸に沿って 前記拡大ビームを前記指向反射器へと逆反射すべく設けた凹状反射器とを具備し 、前記入力反射器の少なくとも一つが前記入力コリメートビームを角発散して前 記入力コリメートビームの横断面を拡大し、実質的コリメートビームとしての前 記拡大ビームが前記入力ビームよりも大なる横断面を持つように前記拡大ビーム を前記指向反射器によって所望の出力軸に沿って反射すべく前記凹状反射器が前 記拡大ビームをコリメートし、さらに前記指向反射器と前記入力反射器と前記凹 状反射器とが前記入力軸の回りに回転して前記入力軸と前記出力軸との相対角を 実質的に維持するコンパクトなアフォーカルビーム拡大指向システム。
4. ４．前記入力反射器が前記指向反射器からの出力ビームの包絡線の外部に設けた ３つの反射器を具備し、第１反射器を前記入力コリメートビーム路に設け、第２ 反射器が第１反射器から反射した前記入力コリメートビームを第３反射器へと先 導し、第３反射器を凸状にして前記入力コリメートビームを角発散しつつ前記入 力コリメートビームを前記指向反射器へ反射するように設けた請求の範囲第３項 に記載のビーム拡大指向システム。
5. ５．第１及び第２入力反射器を前記第３入力反射器から見て前記指向反射器と前 記凹状反射器の概して反対側に設けた請求の範囲第４項に記載のビーム拡大指向 システム。
6. ６．前記第２入力反射器の傾斜角を調整可能にした請求の範囲第４項に記載のビ ーム拡大指向システム。
7. ７．前記指向反射器と前記第２入力反射器とを前記凹状反射器と前記第３入力反 射器から見て前記入力軸の概して反対側に設けた請求の範囲第４項に記載のビー ム拡大指向システム。
8. ８．前記指向反射器と前記凹状反射器とを前記入力軸の概して反対側に設けた請 求の範囲第３項に記載のビーム拡大指向システム。
9. ９．前記指向反射器が実質的に平面鏡を具備する請求の範囲第３項に記載のビー ム拡大指向システム。
10. １０．入力ビームを拡大し、前記入力ビームの入力ビーム軸に対して所定の角度 を持つ出力軸に沿って前記入力ビームを指向する方法であって、 前記入力ビームを角発散して前記入力ビームの横断面を拡大する工程と、 前記入力ビーム軸以外の軸に沿って前記拡大ビームを反射面へ先導する工程と、 前記反射面から反射した前記拡大ビームを少なくとも部分的にコリメートし、さ らに入射軸に沿って前記拡大ビームを前記反射面へ再び先導する工程とを具備し 、前記コリメートビームが前記入力ビームの横断面よりも大なる横断面を持って 前記入力ビーム軸に対して所定の角度の所望の出力軸に沿って前記反射面を反射 するように前記入射軸が選択される入力ビーム拡大指向方法。
11. １１．前記拡大ビームが前記反射面から最初に反射する工程と前記拡大ビームを 前記反射面へ再度先導する工程との間に前記拡大ビームを実質的に完全にコリメ ートする請求の範囲第１０項に記載の方法。
12. １２．さらに前記入力ビーム路を前記入力軸の回りに回転する工程を含む請求の 範囲第１０項に記載の方法。