KR100266092B1 - 관절식 미러 유닛을 갖춘 광학 시스템 - Google Patents

관절식 미러 유닛을 갖춘 광학 시스템 Download PDF

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KR100266092B1 KR1019970703908A KR19970703908A KR100266092B1 KR 100266092 B1 KR100266092 B1 KR 100266092B1 KR 1019970703908 A KR1019970703908 A KR 1019970703908A KR 19970703908 A KR19970703908 A KR 19970703908A KR 100266092 B1 KR100266092 B1 KR 100266092B1
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브라이스 휠러
존 피. 하렐
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글렌 에이치. 렌젠, 주니어
레이티언 캄파니
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    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
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Abstract

관절식 광학 시스템은 차량(30)의 창(36)을 관통하는 광학 비임의 시선을 광학 센서(38)로 안내하기 위해 개별적으로 평행한 축(E1, E2)을 중심으로 헤드 미러(34)를 각각 피벗시키는 한 쌍의 액츄에이터(42, 44)를 갖는다. 액츄에이터들중, 조동 액츄에이터(42)는 실질적으로 광학 시스템의 관심의 전체 소정 분야를 통하여 미러(34)를 피벗시키고, 미동 액츄에이터(44)는 미동 조정 즉, 5° 미만 조정에 적합하도록 미러(34)를 피벗시킨다. 조동 액츄에이터(42)는 그의 축(E1)이 미러(34)의 모서리에 가능한 한 밀접하게 위치되도록 위치되어, 그들 사이의 반경 방향 거리는 작고, 따라서, 창(36)의 크기는 광학 비임의 직경(db)에 비하여 작다. 미동 액츄에이터(44)는 미러(34)의 기하학적 중심에 근접하게 부착되어, 미러(34)는 미동 액츄에이터(44)의 승강축(E2)을 중심으로 정적으로 균형을 이루고, 지터 및 진동은 실질적으로 제거된다.

Description

관절식 미러 유닛을 갖춘 광학 시스템
광학 시스템은 차량의 외부를 관찰하는 수단을 제공하기 위해 지상 차량 또는 항공기에 사용된다. 도1을 참조하면, 기존에 사용되는 종래의 광학 시스템이 도시되어 있다. 광학 시스템은 차량의 내측에 배열되고 창(12)에 근접하여 경사지게 위치된 헤드 미러(10)와, 미러(10)의 기하학적 중심에 부착된 제어 및 안정화 유니트(14)를 포함한다. 광학 센서(16)는 미러(10) 아래에 위치된다.
미러(10)는 정적인 불평형을 최소화하도록 미러(10)의 기하학적 중심에 비교적 근접한 수평축을 중심으로 피벗된다. 이 수평축은 승강축이라 불리며, 미러(10)가 이를 중심으로 피벗되면, 광학 시스템의 시선은 수직 평면을 따라, 즉 수평선의 상하로 안내된다. 또한, 미러(10)는 방위축이라 부르는 수직축을 중심으로 피벗된다. 미러(10)가 방위축을 중심으로 피벗될 때, 광학 시스템의 시선은 수평면을 따라서, 즉 수평면을 가로질러 전후로 안내된다.
광학 센서의 광축이 실질적으로 수직이면, 대체로 원형의 비임의 시선은 경사지게 위치된 미러(10)에 반사되어 수직 방향으로 하향으로 안내된다. 승강축 및 방위축을 중심으로 미러(10)가 피벗됨으로써, 소정의 관심 시야에 걸친 시선을 "조정"한다. 창(12)은 대체로 광학 시스템의 미러(10), 광학 센서(16) 및 나머지 부분을 비, 먼지 등의 환경적인 위험으로부터 보호한다.
미러(10) 등의 물체가 축을 축심으로 피벗됨에 따라, 물체가 이동한 각거리는 각도(물체가 피벗된 각도) 및 축에 대한 반경 방향 거리(즉, 각거리 및 반경 방향 거리의 곱과 동일한 호의 길이)에 따른다. 따라서, 도1에 도시된 바와 같이, 승강축이 미러(10)의 실질적인 기하학적 중심에 위치되기 때문에, 미러(10)의 상부 및 하부 모서리는 소정 반경 방향 거리에서 승강축으로부터 등거리에 위치된다. 따라서, 미러(10)가 피벗될 때, 그 모서리들은 소정의 각거리(수직 및 수평 성분을 모두 가짐)만큼 이동되어, 창(12)이 미러(10)의 수평 변위를 수용하도록 미러(10)로부터 소정 거리에 위치된다. 마찬가지로, 창(12)은 소정의 관심 시야를 계속하여 관찰하기 위해 미러(10)의 수직 변위를 수용하는 데 충분히 커야 한다.
광학 시스템이 군용 차량 및 항공기에 탑재될 때, 이들은 극심한 환경에 사용되도록 설계되어야 한다. 따라서, 광학 시스템의 창은 적의 감시 및 공격에 대한 취약성 면에서 중요한 요소이고, 특히 창의 크기는 적이 사용할 수도 있는 수동 또는 능동 센서에 의한 관측과 관련이 있다. 또한, 창은 특히 이러한 창들이 제조되는 대부분의 재료의 취성을 고려할 때 지상 차량의 운행되는 지형에서 나타나는 자연적인 위험에 취약하다.
일반적으로, 창이 작으면 작을수록 시스템은 양호하다. 따라서, 창의 크기는 소정의 관심 시야를 유지하면서 최소화되어야 한다. 예컨대, 도1의 종래의 시스템을 참조하면, 승강축을 따른 광학 센서로부터의 광학 비임의 시선의 관심 시야는 각도(α)로 표시된 바와 같이 대략 42°이다. 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 이러한 관심 시야를 위해 창(12)의 수직 치수[창(12)의 상승 방향으로의 치수]는 광학 센서(16)에서 광학 비임의 직경의 적어도 대략 2배이다. 이는 관심 시야를 통하여 피벗됨에 따라 미러(10)의 비교적 큰 수직 변위, 즉 각도(α)를 창(12)이 수용하기 때문이다.
따라서, 광학 시스템, 특히 군사용으로 사용되는 광학 시스템 분야에서는 안정적인 시선 및 소정의 관심 시야를 유지하면서 광학 비임의 크기에 대한 창의 크기를 최소화시키는 시스템이 바람직하다.
본 발명은 지상 또는 항공기에 사용되는 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 관심 시야에 걸친 광학 비임의 시선을 안내하고 안정화하는 관절식 헤드 미러를 갖는 광학 시스템에 관한 것이다.
제1도는 종래 기술에 따른 광학 시스템의 측면도이다.
제2도 및 제3도는 각각 본 발명의 원리를 도시 및 설명하는 관절식 광학 시스템의 측면도이다.
제4도는 본 발명의 바람직한 실시예에서 광학 비임의 시선을 나타낸, 도3과 유사한 측면도이다.
본 발명의 주요 목적은 소정의 관심 시야 또는 시스템의 안정화 성능을 감소시키지 않고 지상 차량 또는 항공기에 사용되는 광학 시스템의 창의 크기를 축소시키는 것이다.
본 발명에 따른 광학 시스템은 차량의 내부에 설치되고 승강축 및 방위축에 대하여 광학 시스템을 안정화하는 짐벌링(gimballing) 시스템과, 광축을 갖는 광학 센서와, 차량에 배열된 창과, 광학 센서와 창을 통한 차량의 외부와의 광학 비임의 시선 안내를 위해 창에 인접하여 경사지게 위치된 관절식 헤드 미러를 포함한다. 승강축은 수평면에 실질적으로 평행하고, 방위축은 수평면에 실질적으로 수직하게 형성된다.
특히, 광학 시스템의 바람직한 일 실시예는 소정의 관심 시야에 걸친 상승 및 방위 방향에 대하여 미러를 연결시키는 관절 시스템을 포함한다. 미러가 승강축을 중심으로 피벗되면, 광학 비임의 시선은 수직 평면을 따라 즉, 수평면에서 상하로 이동된다. 미러가 방위축을 중심으로 피벗되면, 광학 비임의 시선은 수평 평면을 따라, 즉 수평면을 가로질러 전후로 이동된다.
관절 시스템은 한 쌍의 액츄에이터, 즉 큰 범위에 걸쳐 미러를 구동시키기 위한 조동(coarse) 액츄에이터와, 작은 범위에 걸쳐 미러를 구동시키기 위한 미동 액츄에이터를 갖는다. 액츄에이터들은 그들 사이에 기계적으로 결합된 아암을 갖는다. 각각의 액츄에이터는 미러를 구동시켜서 개별적인 승강축을 중심으로 피벗시킨다. 짐벌링 조립체에는 조동 액츄에이터가 체결되고 그들의 승강축이 미러의 모서리, 특히 창에 근접한 미러의 모서리에 가능한 한 밀접하게 위치된다. 미동 액츄에이터는 미러 배면의 기하학적 중심에 근접하게 부착되어서 미러가 미동 액츄에이터의 승강축을 중심으로 정적 균형을 이룬다.
본 발명에 따른 광학 시스템의 하나의 장점은 창이 광학 비임보다 약간 크다는 것이다. 미러의 모서리와 조동 액츄에이터의 승강축 사이의 반경 방향 거리는 작고, 미러 모서리의 수평 및 수직 변위는 미러가 피벗되는 각도, 즉 상승 방향으로의 관심 시야에 대해 작다. 따라서, 창의 수직 크기는 소정의 관심 시야를 유지하기 위해 미러의 작은 수직 변위만을 수용하기만 하면 된다. 예컨대, 창의 최소 수직 크기는 상승 방향으로의 작은 관심 시야를 위해 광학 비임의 직경보다 약간 크다. 일반적으로, 창의 수직 크기는 광학 비임의 직경 및 미러 모서리의 수직 변위의 합과 거의 동일하거나 또는 약간 크다.
본 발명의 하나의 특징은 시선이 안정되는 것이다. 시선의 안정화는 작동자에게 반점 영상을 발생시키는 진동 또는 지터(jitter)를 제거하는 데 중요하다. 따라서, 미러는 축을 중심으로 정적으로 균형을 이룰 필요가 있다. 조동 액츄에이터의 승강축이 시스템의 유일한 축이라면, 미러의 질량은 승강축에 편재하게 되어, 미러의 실질적인 지터를 발생시킨다. 따라서, 미동 액츄에이터는 그 승강축이 미러의 기하학적 중심에 근접(미러의 무게 중심에 근접)하게 위치되어, 이 축을 중심으로 미러의 정적 균형을 이루고 존재할 수도 있었던 지터를 실질적으로 제거한다.
본 발명의 다른 특징은 2개의 액츄에이터가 소정의 관심 시야에 걸쳐 피벗되도록 미러를 구동시키기 위해 연계하여 작동한다는 것이다. 즉, 조동 액츄에이터는 낮은 정밀도로 큰 범위에 걸쳐 미러를 신속하게 구동시키고, 미동 액츄에이터는 높은 정밀도로 작은 범위에 걸쳐 미러를 구동시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 장점 및 특징들은 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 보면 당업자들에게 명확해질 것이다.
도면들 중 도2 및 도3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안정적으로 연결된 두 축 광학 시스템의 측면이 도시된다. 광학 시스템은 지상, 항공 또는 다른 용도의 차량(30) 내부에 배치되고 예컨대 무장 차량의 사수 시야에서 광학 비임의 시선을 안내하고 안정화시키도록 사용된다. 광학 시스템은 차량(30)에 부착된 짐벌링 시스템(32)과 차량(30) 외부로부터 광학 비임의 시선을 미러(34) 아래에 위치된 광학 센서(38)로 안내하기 위해 창(36)에 근접하여 경사 위치된 반사면을 갖춘 헤드 미러(34)를 포함한다. 차량의 외부를 관찰할 수 있고 광학 비임에 실질적으로 투명한 광학 구멍이 창(36)에 제공된다. 센서(38)는 빛을 창(36)을 통하여 입사시키고 미러(34)에 의해 센서(38)로 안내되게 하는 종착점을 제공한다.
광학 시스템은 두 축 즉, 수평면에 실질적으로 평행한 것으로 정의된 승강축과 수평면에 실질적으로 수직한 것으로 정의된 방위축에 대하여 배향된다. 짐벌링 시스템(32)은 미러 및 방위 짐벌링 시스템의 관성 속도를 각각 측정하는 한 쌍의 자이로스코프(40)를 포함한다.
광학 시스템은 승강축을 중심으로 피벗하도록 미러(34)를 구동시키기 위한 관절 시스템을 더 포함한다. 관절 시스템은 짐벌링 시스템(32)에 각각 연결된 조동 액츄에이터(42) 및 미동 액츄에이터(44)를 포함하고, 미동 액츄에이터(44)는 미러(34)에 더 연결된다. 지지 아암(46)은 사이에 연장하고 액츄에이터(42, 44)에 개별적으로 기계적으로 단부 연결된다. 액츄에이터(42, 44)는 각각 평행한 승강축들 즉, 조동 승강축(E1) 및 미동 승강축(E2)을 중심으로 피벗된다. 미동 상승 각도 센서(48)는 지지 아암(46)에 대한 미동 승강축(E1)의 각위치를 측정한다. 승강축(E1, E2)들은 실질적으로 서로 평행하고 광학 비임의 시선에 실질적으로 수직이다. 관절 시스템에 의한 방위축(참조 부호 A로 표시됨) 주위의 미러(34)의 피벗은 방위 액츄에이터(50)에 의해 수행되고, 방위 액츄에이터는 음성 코일일 수 있다.
관절 시스템은 시선을 원하는 방향으로 정하고 그의 공칭 방향을 따라 시선을 안정화시키기 위해 승강축(E1, E2)을 중심으로 미러(34)를 위치시키도록 짐벌링 시스템(32)과 합체하여 작용한다. 특히, 자이로스코프(40)는 시선의 순간 지터를 결정할 수 있고 방위 액츄에이터(50) 및 음성 코일로 이루어진 미동 액츄에이터를 구동시키도록 지시를 계산할 수 있는 신호를 제공하여 시선의 실질적인 지터를 제거한다. 전기 모터 및 워엄 기어로 이루어진 조동 액츄에이터(42)는 미동 승강축(E1)을 수용하도록 의도된 각도보다 큰 각도를 통해 상승 평면에서 미러를 회전시키기 위해 각도 센서(48)와 합체하여 작용한다. 액츄에이터(42, 44, 50)들과, 자이로스코프(40)와, 각도 센서(48)의 합체는 전기 또는 다른 수단이 될 수 있고 제어 시스템에 의해서 제어될 수 있다. 자이로스코프(40)는 관성 속도의 두 축 자이로스코프로 될 수 있다.
도2에 도시된 바와 같이, 조동 액츄에이터(42)는 조동 승강축(E1)이 창(36)에 근접하는, 바람직하게는 미러(34)의 이동을 방해시킴이 없이 가능한 한 근접하는 미러(34)의 모서리 근방에 설치되도록 위치되고, 도시된 예시 실시예에서, 미러(34)의 이 모서리는 미러(34)의 상단 모서리에 있다. 조동 승강축(E1)을 미러(34)의 상단 모서리에 근접하게 위치시킴으로써, 조동 승강축(E1)과 미러(34)의 상단 모서리 사이의 반경 방향 거리는 상대적으로 작다. 따라서, 호의 길이(각 변위)는 반경 방향 거리와 회전 각도의 곱이고, 미러(34)의 상단 모서리는 미러(34)가 조동 승강축(E1)을 중심으로 회전 또는 피벗될 때 상당한 거리만큼 변위하지 않는다.
미동 승강축(E2)에 관하여, 미동 액츄에이터(44)는 미동 승강축(E2)이 미러(34)의 기하학적 중심(즉, 미러(34)의 무게 중심)에 근접하게 위치되도록 위치된다. 미동 승강축(E2)을 미러(34)의 기하학적 중심에 근접하게 위치시킴으로써, 미러(34)는 미동 승강축(E2)을 중심으로 정적으로 균형을 이루고, 다시 말하면, 미러(34)의 무게 중심은 미동 승강축(E2)에 근접하게 위치되어 어떠한 불균형 모멘트가 실질적으로 제거된다. 따라서, 작동자에게 반점 영상을 야기시키는 진동 및 지터는 실질적으로 감소 또는 제거된다.
도4를 참조하면, 일점쇄선은 차량(30)의 외부로부터 창(36)을 통과하고 광센서(38)에 의해 수용되도록 미러(34)로부터 반사하는 광학 비임의 시선을 나타낸다. 광센서(38)는 일반적으로 원형이어서 직경을 갖는 광선 다발을 구비한다. 따라서, 광학 비임은 일반적으로 원형이고 직경(db)을 갖는다. 일점쇄선은 β로 표시된 광학 시스템의 승강축에 대한 소정의 관심 시야의 상한 및 하한을 개별적으로 나타낸다. 광학 시스템은 관심의 어떤 특정 분야에 적합하게 설계되지만, 도4에 도시된 예시 실시예는 약 42°의 소정의 관심 시야[즉, 각도(β)가 약 42° 임]를 갖는다.
조동 액츄에이터(42)는 소정의 관심 시야(β)를 통해 조동 승강축(E1)을 중심으로 피벗하도록 미러(34)[아암(46) 및 미동 액츄에이터(44)와 함께] 구동시키고, 미러(34)의 상단 모서리는 변위된다. 이 변위는 수평 성분과 수직 성분을 갖는다. 따라서, 창(36)은 미러(34)의 변위를 수용하도록 설계된다. 또한, 조동 액츄에이터(42)가 비교적 큰 관심 시야에 걸쳐서 미러(34)를 피벗시킬 때, 조동 액츄에이터(42)는 회전 정밀도의 비교적 큰 허용치를 갖도록 설계된다.
미동 액츄에이터(44)는 소정의 관심 시야보다 실질적으로 작은 범위를 통해 미동 승강축(E2)을 중심으로 미러(34)를 피벗시킨다. 미러(34)의 상단 모서리의 수직 변위를 최소화시키기 위해, 미동 액츄에이터(44)의 범위는 미러(34)의 상부 모서리와 미동 승강축(E2) 사이의 반경 방향 거리가 비교적 크기 때문에 작은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 미동 액츄에이터(44)의 범위는 5° 미만이다. 또한, 범위가 작을 때 미동 액츄에이터(44)는 상대적으로 높은 정밀도를 갖도록 설계될 수 있다.
적의 센서에 의한 광학 시스템의 관측 가능성을 최소화시키기 위해, 창(36)의 수직 방향 치수는 광학 비임의 직경(db)과 미러(34)의 상단 모서리의 수직 변위의 합과 실질적으로 동일하도록 최소화될 수 있다. 광학 시스템의 설계 고려 사항에 따라서, 미러(34)의 치수는 광학 비임의 직경(db)의 1.5배 미만이다.
축(E2)을 중심으로 피벗하게 됨으로써 미동 수직축(E2)을 중심으로 회전하는 각도가 5° 미만일 때 미러(34)의 상단 모서리의 수직 변위는 상대적으로 작아진다.
따라서, 창(36) 크기는 중심으로 피벗되는 하나의 승강축만을 구비한 종래 광학 시스템의 창에 비하여 실질적으로 축소되어, 광학 시스템의 비용과, 창(36)의 자연 손상 가능성과, 창(36)의 취약한 환경 노출 가능성을 감소시킨다.
본 발명의 단지 하나의 예시된 바람직한 실시예가 본 명세서에 도시되고 기재되어 있지만, 본 발명은 다양한 다른 조합, 환경 및 차량에 사용 가능하고 여기에 표현된 바와 같은 발명적 개념의 요지 내에서 변경 또는 수정이 가능하다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 광학 시스템은 레이저 레인지 파인더와 같이 비임을 관심 시에서 관심 물체를 향해 창을 통하여 외향 안내하도록 사용될 수도 있다. 이 경우에, 비임 발생원은 센서(38)의 설정 위치, 가능하면 이 센서를 따라 위치된다. 비임 발생원은 비임의 근원지로서 작용하게 되고 관심 시야의 물체가 비임에 적합한 다른 종착점이 된다. 대상으로부터 반사된 레이저 광에 관하여 대상까지 거리를 나타내는 도달 시간은 상술된 기재가 완전하게 적용된다. 또한, 광학 시스템은 창(36)의 크기, 소정의 관심 시야(각도 β), 승강축(E1, E2)의 일반 위치, 다양한 전자 기계 성분이 사용되는 수단 등에 관하여 다양하게 설계될 수 있다.

Claims (5)

  1. 광학 구멍을 통과하는 광학 비임의 시선을 안내하는 관절식 광학 시스템에 있어서, 상기 광학 시스템을 안정화하는 짐벌링 시스템(32)과, 광학 구멍을 통과하는 광학 비임을 위한 종착점으로서의 역할을 하는 광학 수단(38)과, 광학 구멍 내에 배치되고 상기 광학 비임에 실질적으로 투명한 창(36)과, 광학 수단(38) 및 창(36)을 향해 경사진 반사면을 갖고, 광학 수단(38)과 관심시야 사이에서 광학 비임의 시선을 안내하는 헤드 미러(34)와, 미러(34)를 제1 축(E1) 및 제2 축(E2)을 중심으로 피벗시키기 위해 짐벌링 시스템(32) 및 미러(34)에 결합된 관절 시스템을 포함하며, 제1 및 제2 축(E1및 E2)은 서로 실질적으로 평행하고 상기 광학 비임의 시선에 실질적으로 수직하고, 제2 축(E2)은 미러(34)의 무게 중심 근방에 배치되고, 제1 축(E1)은 무게 중심으로부터 떨어져 배치되며, 관절 시스템은 실질적으로 관심 시야의 광학 비임의 시선을 안내하기 위해 미러(34)를 제1 및 제2 축(E1및 E2)을 중심으로 피벗시키는 것을 특징으로 하는 관절식 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 관절 시스템은, 미러(34)를 제1 축(E1)을 중심으로 피벗시키며, 상기 짐벌링 시스템(32)에 결합된 조동 액츄에이터(42)와, 미러(34)를 제2 축(E2)을 중심으로 피벗시키며, 상기 짐벌링 시스템(32) 및 상기 미러(34)에 결합된 미동 액츄에이터(44)와, 상기 액츄에이터(42, 44)들에 기계적으로 결합되고, 액츄에이터(42, 44)들 사이에서 연장되며, 제1 축(E1)을 중심으로 피벗되는 지지 아암(46)을 포함하며, 상기 광학 비임의 시선은 조동 액튜에이터 및 미동 액츄에이터(42, 44)에 의해 제1 및 제2 축(E1및 E2)을 중심으로 각각 피벗되도록 미러(34)를 선택적으로 구동시킴으로써 관심 시야에 걸쳐 안내되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 미러(34)의 모서리는 창(36) 근방에 위치되고, 제1 축(E1)은 미러(34)의 모서리 근방에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 창(36)은 실질적으로 미러(34)가 광학 비임의 시선을 안내하는 방향으로 소정의 치수를 가지며, 광학 비임은 소정의 직경(db)을 가지며, 미러(34)의 모서리는 미러(34)가 제1 및 제2 축(E1, E2)을 중심으로 소정 각도로 피벗됨에 따라 변위되고, 변위는 미러(34)가 광학 비임의 시선을 안내하는 방향인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 짐벌링 시스템(32)은 한 쌍의 자이로스코프(40)를 포함하고, 자이로스코프(40)는 광학 비임(38)의 시선을 안정화하도록 조동 액츄에이터(42) 및 미동 액츄에이터(44)와 협력하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
KR1019970703908A 1995-10-11 1996-10-09 관절식 미러 유닛을 갖춘 광학 시스템 KR100266092B1 (ko)

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US8/540731 1995-10-11
PCT/US1996/016260 WO1997014070A1 (en) 1995-10-11 1996-10-09 Optical system with an articulated mirror unit

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KR100266092B1 true KR100266092B1 (ko) 2000-09-15

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EP (1) EP0796449A1 (ko)
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