KR100307801B1 - 높은콘트라스트의영상을형성하기위한적응초점면 - Google Patents

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Abstract

높은 콘트라스트로 영상 형성하는 시스템(10)은 적응 초점면(52)을 구비하고 있다. 시스템(10)은 검출되는 타깃(target)(16)과 거기에 입사되는 레이저 빔(14) 모두로부터의 방사파(30)를 수신하는 수신기 광학기구와, 방사파를 반사된 레이저 방사파의 제 1 빔과 방사파(46)의 제 2 빔으로 나누는 편광 빔 스프리터(44)를 포함한다. 편광 빔 스프리터(44)는 검출된 타깃 방사파(46)의 제 2 빔을 선형 편광시킨다. 빔 편광자(48)는 검출된 타깃 방사파(46)의 제 2 빔을 원형 편광시킨다. 적응 초점면 또는 마이크로미러 어레이(52)는 방사파(46)의 반사된 제 2 빔을 선형 편광시키기 위하여 원형 편광되어 검출된 타깃 방사파를 빔 편광자(48)를 통해 되 반사시킨다. 검출기 어레이(56)는 방사파(62)의 반사되는 제 2 빔을 검출하고, 방사파의 세기에 따라 추적기 전자장치(22)에 신호를 출력한다. 추적기 전자장치(22)는 검출기 어레이(56)상에 입사되는 방사파가 소정의 임계값 또는 그 미만으로 되는 것을 보장하기 위하여 마이크로미러 어레이(52)의 반사율을 조정한다.

Description

높은 콘트라스트의 영상을 형성하기 위한 적응 초점면{ADAPTIVE FOCAL PLANE FOR HIGH CONTRAST IMAGING}
본 발명은, 일반적으로 높은 콘트라스트의 부분을 갖는 영상을 포획하고, 소정의 임계값을 초과하는 영상 부분의 강도세기를 줄이는 영상형성 시스템에 관한 것으로, 특히 소정의 강도세기 임계값을 초과하는 마이크로미러 어레이(micromirror array)를 조사하는 영상의 부분이 각 특정 섹션(section)의 반사율을 변화시킴으로써 소정의 임계값으로 또는 그 임계값 아래로 반사되도록 가변 반사율의 어드레스 지정 가능한 섹션(section)을 갖는 마이크로미러 어레이를 사용하는 영상형성 시스템에 관한 것이다.
많은 다양한 분야가, 영상을 포획하고, 포획된 영상을 분석하고 처리하는데 이용 가능한 기술을 이용하고 있다. 포획된 영상은 분석 및/또는 결정을 하기 위한 영상 형성 시스템에 의해 사용될 수 있다. 영상 및 영상 형성 시스템에 대한 다양한 용도의 예는 천문학, 의료 기술, 무기 시스템 및 다른 많은 응용 분야를 포함한다. 예를 들면, 천문학에서, 천문학자들은 태양 흑점을 조사하거나 새로운 행성이나 항성들을 찾기 위하여 종종 영상 기술을 사용한다. 의료 분야에서는, 영상형성 장치 및 영상 프로세서는 X-선 절차(precedures)에 유용하고, 또한 컴퓨터 지원 단층 촬영 스캐닝(computer assisted tomography scanning; CATSCAN) 및 자기공명 영상 촬영(magnetic resonance imaging; MRI)과 같은 보다 진보된 생리학적 스캐닝절차에 유용한 것으로 판명되어 있다. 무기 분야에서, 영상형성 장치 및 영상 프로세서는 지상 기반 및 공중 수송의 운송수단 및 군수품(ground-based and airborne vehicles and munitions) 모두의 방어용 타깃 지정 및 파괴(defensive targeting and destruction)에 유용한 것으로 판명되어 있다.
위에서 논의된 각각의 분야에서, 영상형성 장치에 의해 포획된 영상은 높은 콘트라스트 영상을 만들기 위하여, 전형적으로 상대적으로 낮은 세기의 배경 또는 필드, 상대적으로 중간정도 세기의 있음직한 물체, 및 상대적으로 높은 세기의 물체를 포함한다. 기존의 영상형성 시스템 및 영상 프로세서는 이들 상대 세기를 구별하지만, 때때로 포획된 영상의 실질적인 손실(loss)이나 일그러짐(distortion)을 입음이 없이는 구별하지 못한다. 영상형성 장치 및 영상 프로세서는 특정 세기와 파장의 광을 포획하려고만 시도할 때, 다양한 필터가 소정의 세기 및 주파수 대역 밖의 광을 제거하는데 사용될 수 있다. 상기의 여과작용은 결과적으로 흔히 관심이 있는 특정의 물체를 일그러뜨리는데 충분히 심한 일그러짐을 발생시킬 수 있다. 따라서, 포획된 영상 전체를 여과시키는 것은 수용할 수 없는 일그러짐 또는 심지어 포획된 영상의 정보 손실의 결과를 흔히 야기한다.
특정한 분야에서, 영상 추적기(tracker)는 비행 중(in-flight)인 미사일을 무력화(disable)시키기 위해 레이저 또는 다른 무기와 연계하여 종종 사용된다. 종래의 영상 추적기는, 레이저 빔이 원하는 목표물(aimpoint)에 향하도록 하기 위해 스스로 참조하지 않는 구조(non-self-referencing schemes)만을 현재 사용한다. 실제로, 이것은 추적기가 미사일을 추적함에 따라 공간에서의 레이저 빔 방향이 추적기 조준선(line of sight)으로부터 추론(inferred)될 수 있다는 것을 의미한다.
영상을 형성하는, 스스로 참조하지 않는 기술(non-self-referencing techniques)을 사용하는 추적기는, 전형적으로 먼저 대략(approximate) 위치, 즉 넓은 시야 영역(wide field of view; WFOV) 위치를 먼저 결정하고, 다음에 타깃 물의 순간 위치, 즉 좁은 시야 영역(narrow field of view; NFOV)의 위치를 결정하는, 전자 카메라와 같은, 하나 또는 그 보다 많은 영상형성 장치를 사용한다. 그 다음에, 타깃 좌표 시스템이 전형적으로 타깃 영상의 도심(centroid)을 결정함으로써 설정된다. NFOV의 트랙 게이트(track gate)에서 타깃 영상을 포획한 후, 서보-루프 제어(servo-loop control) 하에서 추적기는 타깃을 추적한다. 대부분의 경우에, 추적기는 빔 포인터(beam pointer)의 짐벌(gimbals) 상에 물리적으로 장착된다. 그러므로, 포인터 조준선(pointer line-of-sight)은 또한 포인터 및 추적기가 적절하게 조준 정렬 확인(boresighted)되면, 타깃을 추적한다.
비록 종래의 영상 형성하는, 스스로 참조하지 않는 추적기(non-self-referencing trackers)가 적절한 타깃 위치 선정 기능을 종종 제공하지만, 많은 제한이 상기 시스템에 존재한다. 예를 들면, 중파 적외선 영상 직시 장치를 기반으로 한 추적기[medium wave forward looking infrared(FLIR) based trackers]에서, 타깃 교전(target engagement)을 위해 사용되는 레이저 무기는, 물체 상의 레이저 타격점(hit spot)으로부터의 순간 비반사 복귀(instantaneous non-specular return)가 카메라를 종종 어둡게(blind) 하기 때문에, 레이저 추적기 영상형성 시스템을 종종 간섭하거나, 또는 적어도 카메라 자동 이득 제어에 의해 밝은 레이저 타격점에 적응하기 위해 카메라 이득을 감소시키기 때문에, 이것에 의해 모든 타깃 영상 정보를 상실하게 되는 것으로 된다. 전형적으로, 레이저-반사된 출력(power)은 타깃 열적 시그너처(target thermal signature)보다도 대략 40 내지 60 ㏈ 정도 더 크다. 게다가, 장파의 FLIR 기반으로 한 시스템에 관해서는, 가열된 탄두로부터의 밝은 열 에너지는 또한 상기 시스템을 어둡게 하여, 상기 시스템이 타깃 물체의 추적을 잃어버릴 수 있다.
상기 문제점에 대한 해결책은, 좁은 시야 영역(NFOV) 외부에 레이저 조준점을 선택하도록 시스템을 프로그래밍하는 것이나 또는 단파 적외선(short wave infrared; SWIR) 추적 대역을 액티브 조명(active illumination)과 함께 이용하는 것에 의해, 레이저 복귀가 NFOV SWIR 카메라에는 보이지 않도록(invisible) 하는 것을 포함한다. 그러나, 만약 레이저 조준점이 NFOV의 시야 외부에 선택된다면, 레이저 빔의 위치 지시(pointing)는 피드 포워드 추정(feed forward estimation)에 의해 결정되어야 한다. 이러한 조준점 선택은 미사일 탄두-요격 가능성(missile nose-kill possibilities)을 제거하고, 앞서 설명된 것처럼 추정 노이즈(estimation noise)를 받기 때문에 바람직하지 못하다. 선택적으로, 만약 SWIR 추적 대역이 사용된다면, 레이저 빔 목표 설정은 또한 피드 포워드 추정을 통해 실행되어야 한다. 이러한 구조는 추적기가 대기 교란을 발생시키는 가능성(susceptibility)을 증가시킨다.
게다가, 스스로 참조하지 않는 영상형성 추적기(non-self-referencing imaging trackers)에서는, 추적기 조준선은 레이저 무기 조준선과 정확하게 조준정열되어야 한다. 이러한 시스템의 디자인 때문에, 나쁜 환경 조건하에서 정확한 조준 정렬(bore sight)을 유지하는 것이 어렵다는 사실이 알려져 있다.
스스로 참조하는 추적기(self-referencing trackers)는, 추적기 조준선 방향(line-of-sight direction)이 아닌 타깃 영상 그 자체에 레이저 빔 순간 위치를 참조함(referencing)으로써 종래의 영상 형성하는, 스스로 참조하지 않는 추적기(non-self-referencing trackers)의 위에서 설명된 한계를 해소한다. 또한, 스스로 참조하는 추적기(self-referencing trackers)는 레이저 무기와 동일한 축으로 될 필요가 없는 조준선(line of sight)을 가지고 있어서, 결과적으로 시스템 짐벌의 무게를 줄이고, 시스템 전송 광학계를 단순화시킨다.
더욱이, 계류중인 "레이저 크로스바디 추적 시스템 및 방법(Laser Crossbody Tracking System and Method)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제 08/631,645호, "원격 탄도 미사일 트레이서를 위한 새로운 추적 수단(A Novel Tracking Means for Distant Ballistic Missile Tracers)"이라는 명칭의 1996년 12월 4일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 08/763,635호, 및 "레이저 크로스바디 및 특징 곡률 추적기(Laser Crossbody and Feature Curvature Tracker)"("LACROSST 특허 출원")라는 명칭의 1996년 12월 14일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 08/760,434호에 개시된 것과 같은 시스템은, 영상형성하지 않는(non-imaging) 스스로 참조하는 추적기(self-referencing tracker)를 제공하며, 이들 특허출원의 내용은, 이 언급에 의해 본원에도 채용된 것으로 한다.
상기의 내용을 고려해 볼 때, 높은 콘트라스트 영상 내의 세기가 다른 물체를 구별할 수 있는 영상형성 시스템이 필요하다. 더욱이, 특정한 세기의 방사파를 여과하는 동시에 남아 있는 영상의 일그러짐을 제한하는 영상형성 시스템이 필요하다. 여전히 또한, 포획된 영상의 세기를 섹션마다 변화시키기 위해 어드레스 지정 가능한 섹션을 갖는 적응 초점면 영상형성 시스템이 필요하다.
본 발명에 따라서, 높은 콘트라스트의 영상형성 광학 시스템은 검출된 타깃으로부터 방사파를 수신하는 수신기 광학기구를 포함한다. 수신된 방사파는 변화하는 세기를 가지고 있다. 편광 빔 스프리터는 방사파의 제 1 부분을 반사하고, 방사파의 제 2 부분을 통과시킨다. 편광 빔 스프리터는 방사파의 제 2 부분을 선형 편광(linearly polarize)시킨다. 빔 편광자는 선형 편광된 방사파의 제 2 빔을 원형 편광(circularly polarize)시킨다. 미러는 원형 편광된 방사파를 반사시켜서, 빔 편광자를 다시 통과하도록 하여, 반사된 방사파의 제 2 빔이 선형 편광되게 한다. 선형 편광된 반사 빔은, 영상형성을 위해 영상형성 평면을 향해 빔 스프리터에 의해 반사된다. 미러는 반사율을 변화시키는 것이 가능한 복수의 섹션(section)을 가지고 있고, 어느 섹션이 소정의 임계값을 초과하는 원형 편광된 방사파에 의해 조사될 때 그 섹션의 반사율을 변화시켜, 반사율을 저하시킨다.
첨부된 도면과 관련하여 취해진 후속되는 상세한 설명 및 특허청구의 범위로부터, 본 발명의 다른 목적 및 이점은 당업자에게 자명하게 될 것이다.
도 1은 미사일 추적기(tracker)로 구현된 본 발명의 예시적 적용을 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 상기 도 1의 본 발명에 따른 높은 콘트라스트의 영상형성 시스템과 그와 관련된 전자장치를 위한 적응 초점면을 도시한 다이어그램.
도 3은 마이크로미러 어레이의 개별적 마이크로미러에 대한 반사율을 변화시키기 위하여 제어 신호를 발생시키기 위한 전자 회로를 도시한 회로도.
도 4는 액정 디스플레이 적응 초점면을 도시한 사시도.
도 5는 적응 초점면의 마이크로미러를 제어하기 위한 방법론을 도시한 흐름도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 높은 콘트라스트로 영상 형성하는 시스템
14: 레이저 빔 16: 타깃
22: 추적기 전자장치 30: 방사파
32: 광학기구 44: 편광 빔 스프리터
46: 방사파의 제 2 빔 48: 빔 편광자
52: 적응 초점면 56: 검출기 어레이
도 1을 참조하면, 미사일 추적기 시스템은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 예시적인 적용을 제공하며, 일반적으로 도면번호 10으로 도시되어 있다. 상기 시스템은 레이저 무기에 의해 생성된 레이저 빔(14)을 도면번호 16으로 도시된 미사일과 같은 타깃과 교전(engagement)하도록 레이저 빔을 조향(steer)하기 위해 레이저 무기(12)와 함께 수행된다. 실제 레이저 빔(14)의 교전점(point of engagement)은 도면번호 20으로 도시되고, 이후부터는 레이저 빔 타격점(hit spot)으로 언급된다. 미사일로부터 반사된 방사파(28)와 결합하여, 타격점(20)으로부터 반사된 방사파(24)는 일반적으로 도면번호 30으로 지시된 방사파의 입력 원추체(input cone)를 형성한다. 이제 기술되는 바와 같이, 본 발명의 예시적 적용을 제공하는 추적기는 미사일 정보의 손실을 최소화시키는 방식으로 미사일(16)과 레이저 빔 타격점(20) 모두의 영상을 만든다.
도 2를 참조하면, 추적기의 입력 광학기구(18)는 방사파의 입력 원추체(30)를 수신하여 추적기 광학기구(32)로 전달한다. 아래에서 보다 상세하게 설명되듯이, 추적기 광학기구(32)는 미사일 본체와 레이저 빔 타격점(20)의 영상을 만들고, 영상 형성 정보(imaging information)를 추적기 전자장치(22)로 출력한다. 추적기 전자장치(22)는 제어 지령(control commands)을 발생하여 영상 내의 변화하는 콘트라스트의 물체를 구별한다. 추적기 전자장치(22)는 또한 영상 형성 정보를 처리하고, 레이저 빔 조향 지령(laser beam steering commands)(34)을 레이저 무기(12)로 출력한다. 조향 지령은 타깃 조준점과 레이저 빔 타격점(20)간의 거리를 좁히고, 타깃 요격(target kill)이 달성될 때까지 타깃 조준점에 상기 타격점을 유지시킨다.
계속 도 2를 참조하면, 추적기 광학기구(32)가 보다 상세하게 도시되어 있다. 상기 광학기구는 재시준(recollimating) 렌즈(42)를 포함한다. 재시준 렌즈는 방사파(30)의 평행-방사선 입력 컬럼을 편광 빔 스프리터(44) 상으로 전달한다. 편광 빔 스프리터(44)는 방사파의 입력 컬럼(input column)을 2개로 분리된 방사파 빔으로 분할한다. 방사파의 절반은 대략 3 데시벨(㏈)의 손실로 방사파의 제 1 빔으로서 위쪽으로 반사한다.
빔 스프리터(44)는 방사파의 제 2 빔(46)을 1/4파장 플레이트(48)로 통과시킨다. 방사파의 빔(46)은 1/4파장 플레이트(48)를 통과한 후 제 2 영상형성 렌즈(50)를 통과하기 전에 원형 편광된다. 제 2 영상형성 렌즈(50)는 적응 초점면 또는 마이크로미러 어레이(52) 상에 방사파 빔의 영상을 형성한다. 바람직하게는 마이크로미러 어레이(52)는, 복수의 개별적 미러 요소로 구성되어 있고, 이것들을 조합시켜 방사파의 빔(46)을 반사시키고, 영상형성 렌즈(50) 및 1/4파장 플레이트(48)를 되 통과시킨다. 방사파의 빔(46)은 다시 1/4파장 플레이트(48)를 통해 통과할 때, 초기의 선형 편광에 대하여 수직한 방위로 선형 편광된다. 그 결과, 방사파는 빔 스프리터(44)에 의해 반사되어, 검출기 영상형성 렌즈(54)를 통해 초점면 검출기 어레이(56) 상으로 도달한다. 초점면 검출기 어레이(56)는, 그 위에 입사되는 방사파에 반응하여 전기 신호를 각각 출력하는 개별적 센서 요소의 그리드(grid)로 구성되는 백금-규소 화합물(platinum-silicide) 또는 HgCdTe 전하 결합 소자(charge coupled device; CCD) 어레이인 것이 바람직하다. 검출기 어레이(56)는 도면번호 58로 지시된 것처럼, 전기 신호를 발생시켜 추적기 전자장치(22)로 출력한다.
추적기 전자장치(22)는 전기 신호(58)를 계속적으로 처리한다. 추적기 전자장치(22)는 참조로서 병합된 계류중인 LACROSST 특허 명세서에 개시된 것과 같이, 타깃 추적 알고리즘으로 프로그램화된 프로세서를 포함하는 것이 바람직하다. 추적기 전자장치(22)는 공통 좌표 시스템에서의 검출기 어레이(56)로부터 신호를 타깃 조준점과 함께 참조한다. 추적기 전자장치(22)는 신호를 처리하고, 이것에 반응하여 빔 조향 지령(34)을 출력하며 타깃 조준점과 레이저 빔 타격점 간의 거리를 접근시킨다. 추적기 전자장치(22)는 또한 적응 초점면 또는 마이크로미러 어레이(52)의 반사율을 변화시키기 위하여 지령(60)을 생성한다.
도 3은 적응 초점면이나 마이크로미러 어레이(52)의 개별적 마이크로미러 또는 화소의 반사율을 변화시키기 위하여 제어 신호를 발생시키기 위한 전자 회로의 회로도이다. 상기 회로는 특정의 마이크로미러 또는 화소의 반사율을 변화시키기 위하여, 마이크로미러 어레이(52)로 입력하기 위한 제어 신호(60)를 발생시키는 추적기 전자장치(22)의 일부일 수 있다. 제어 신호(60)는 제어 신호(60)에 의해 제어되는 마이크로미러 어레이(52)의 특정한 화소의 어드레스를 포함하는 것이 바람직하다. 마이크로미러 어레이(52)의 각각의 마이크로미러 또는 화소는 검출기 어레이(56)의 화소에 상응한다. 그러므로, 검출기 어레이(56) 및 마이크로미러 어레이(52)는 공동으로 등록된다(coregistered).
도 3을 참조하면, 비교기(70)는 검출기 어레이(56)로부터 전기 신호(58)를 수신한다. 전기 신호(58)는 검출기 어레이(56)의 특정 화소 상의 방사조도(irradiation)의 세기에 따라 변화한다. 비교기(70)는 마이크로미러 어레이(52)의 특정 마이크로미러 또는 화소의 반사율을 변화시키는 제어 신호(60)를 출력한다. 제어 신호(60)는 또한 피드백 신호를 제공하며, 검출기 어레이(56)로부터 수신된 입력 전기신호(58)에서 이 피드백 신호를 감산하여 차이 신호(difference signal)(74)를 얻는다. 차이 신호(74)는 차동 증폭기(72)의 네거티브 단자에 입력되며, 여기서 차이 신호(74)는 전압원(75)에 의해 출력된 고정 전압(V)에 대비하여 비교된다. 전압원(75)은 고정 전압(V)을 증가나 감소시켜서, 검출기 어레이(56)의 개별적 화소를 조사하는 반사된 광의 최대 세기에 대한 임계값을 변화시키기 위하여 조정될 수 있다. 차동 증폭기(72)는 고정 전압 신호(V)와 차이 신호(74)간의 차이에 따라 신호를 출력한다. 만약 차이 신호(74)가 고정 전압(V) 미만이라면, 차동 증폭기(72)는 스위치(76)를 개방(open)한 상태로 유지하는 신호를 출력한다. 만약 차이 신호(74)가 고정 전압(V)을 초과한다면, 차동 증폭기(72)는 스위치(76)를 폐쇄(close)하는 신호를 출력하여 소스(S)로부터 저항(80)을 거쳐 드레인(82)으로 전압 강하를 일으킨다. 이것은 신호 라인(84) 상에 출력 전압을 생성한다. 따라서, 출력 증폭기(86)는 마이크로미러 어레이(52)의 특정 어드레스 지정된 화소를 구동하기 위하여 제어 신호(60)를 생성한다. 제어 신호(60)의 크기가 증가함에 따라, 선택되고 어드레스 지정된 화소의 반사율은 감소한다.
도 4를 참조하면, 적응 초점면 또는 마이크로미러 어레이(52)의 사시도가 도시되어 있다. 여기에 구현된 바와 같이, 마이크로미러 어레이(52)는, 또한 화소 또는 마이크로미러로 불리는, 복수의 투명한 셀(90)을 구비한콜레스테릭(cholesteric) 액정 표시 장치(LCD)이다. 위에서 기술된 바와 같이, 적응 초점면(52)의 각 화소(90)는 검출기 어레이(56)의 특정 화소에 대응한다. 적응 초점면(52)은, 방사파 빔(62)의 부분이 검출기 어레이(56)의 공동으로 등록된(coregistered) 화소를 소정의 값을 초과하여 조사할 때 특정 화소(90)의 반사율을 변화시키도록 프로그래밍 된다. 검출기 어레이(56)의 조사된 화소는 도 3의 비교기(70)로 출력 신호(58)를 방출하여, 공동으로 등록된 화소(90)의 반사율이 상응하게 감소하도록 하는 제어 신호(60)를 생성한다. 이것은 검출기 어레이(56)의 화소가 과부하(overloading)되는 것을 방지한다. 추적 시스템(10)에 관하여는, 이것은 추적기 시스템(10)이 레이저 무기(12)와 동일한 대역에서 작동할 때 레이저 빔 타격점(20)에 의해 야기된 미사일(16) 상의 밝은 버닝 스폿(bright burning spots)의 존재로부터 기인하는 추적 지터(track jitter)의 기여를 제거한다.
적응 초점면(52)은 적응 초점면(52)의 배면 상에 형성된 그라운드 전극(96)과 커버슬립 또는 커버플레이트(94) 사이에 얇은 층으로 형성된 콜레스테릭 액정(92)을 포함한다. 커버슬립(94)은 적응 초점면(52)의 전면 상에 형성된 복수의 투명한 인듐 산화물 전극(98)을 포함한다. 전극(98)은 적응 초점면(52)의 셀 또는 화소(90)에 상응한다. 더욱이 각각의 화소(90)는 각 화소(90)에 대한 액정재료를 제한(confine)하는 얇은 스페이서(thin spacers)(100)에 의해서도 한정된다.
해당 기술 분야에 잘 공지되어 있지만, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 콜레스테릭 액정은 층들을 형성하는 긴 사슬 지방 분자이어서, 이들 층이 적층될 때, 적층된 층에 수직한 방향으로 통과하는 광은 그 편광에서의 트위스트(twist)를 축적한다. 각 층은 앞선 층에 대하여 작은 각도로 정렬되는 분자의 장축을 가지며, 매 p 층마다 적층 패턴의 반복을 형성한다. 더 공지된 바와 같이, 편광된 광으로부터 작은 광학적 활동의 파장 영역은, 아래의 수학식 1에 도시된 바와 같이, 정상 굴절률과 이상 굴절률의 평균값에 층(p)의 피치 또는 수를 승산한 것에 의해 한정된 파장(λo)을 중심으로 한다.
여기서, λo= 중심 파장
no= 정상 굴절률
ne= 이상 굴절률
= 반복 적층마다 층들의 평균수
= 평균 굴절률
게다가, 광학적으로 활성인 주파대의 폭(optically active waveband)은 아래에 도시된 바와 같이 정상 굴절률과 이상 굴절률간의 차에 중심 파장(λo)을 승산한 것에 의존한다. 즉
여기서,= 최대값의 1/2에서 전 폭(full width)에 대한 파장의 차이고, λo, no및 ne는 위에서 정의된 것과 같다.
콜레스테릭 액정 상에 입사되는 원형 편광된 광은 만약 액정의 좌우상(handedness)이 분자 유도체(molecule directors)의 나선 회전 방향(the sense of helical rotation)과 일치한다면, 반사될 것이다. 입사광은 층에서 층으로 진행하면서 불연속 변화와 굴절률을 받아, 보강 광학 간섭(constructive optical interference)을 일으킨다. 반사된 광은 아래의 수학식에 따라 진행한다. 즉,
여기서, Φi= 입사각
Φr= 반사각
λo및는 위에서 정의된 것과 같다.
액정 분자의 내부 구조가 규정된 방식으로 변경되지 않는다면 고차항이 나타나지 않는 것을 제외하고, 상기의 각 반사(angle reflectance)는 다수-층의 유전체 적층으로부터의 반사(reflectance)와 유사하다. 이러한 특정 발명에서, 입사각은 수직이다. 따라서, 콜레스테릭 액정은 최소한 대략 10개의 층이 있다면 적절한 피치 방향으로 액정의 오른쪽이나 왼쪽의 원형 편광된 광(right handed or left handedcircularly polarized light)을 완전하게 반사할 것이다. 편광되지 않은 소스로부터 원형 편광된 광은 전형적으로 2개의 반대로 회전하는 성분을 갖고 있기 때문에, 본 발명에서 관심을 갖는 셀 물질은 콜레스테릭 할로겐화물(cholesteric halides)과 넌아노에이트(nonanoates)와 같은 좌회전 및 우회전하는 물질의 혼합물일 것이다. 게다가, 분자 평면에 수직하게 가해지는 전기장은 분자를 전기장과 정렬시키기 위해, 위에서 기술된 미러 배열을 붕괴시킨다.
도 4를 참조하면, 방사파(46)는 상면(102)으로부터 적응 초점면(52)에 들어간다. 전극(98) 및 커버슬립(94)의 물질은 동작하는 파장 대역에서 투명하기 때문에, 광은 전극(98) 및 커버슬립(94)을 통과한다. 전기 신호가 전극(98)에 인가되지 않을 때, 콜레스테릭 결정(92)의 분자는 무질서하게 정렬하여 있고, 이것에 의해 개개의 셀 또는 화소(90)에 충돌하는 방사파를 실질적으로 전부 반사시킨다. 전극(98)에 전기 신호를 인가하면, 콜레스테릭 액정(92)의 분자가 정렬하는 것에 의해, 방사파(46)가 콜레스테릭 액정을 통과하여 공통 전극(96)에 도달하는 것이 가능하게 된다. 공통 전극(96)의 검은 표면(black surface)은 상기 특정 셀 또는 화소(90)의 반사율을 줄인다.
특정 적용에서, 만약 커버플레이트(94)가 협대역 필터를 포함하여 그 중심 파장이 최대 반사 파장에 동조된다면, 적응 초점면(52)의 콘트라스트비는 증진될 수 있다. 협대역 필터의 대역폭은 중심 동작 파장의 20% 이상 또는 20% 이하가 바람직하다. 본 명세서에서 적응 초점면(52)이 LCD로 기술되었지만, 반사율이 가변적인 어드레스 지정 가능한 화소를 갖는 임의의 반사 어레이도 여기서 기술된 LCD와치환가능하다는 것을 당업자는 알 것이다.
도 2를 다시 참조하면, 마이크로미러 어레이(52)의 각 마이크로미러(90)는 초기에는 최대 반사율 구성으로 유지된다. 그러나, 검출기 어레이(56)의 특정 화소로부터 영상 세기에 대응하는 신호 레벨이 소정의 임계값을 초과한다면, 광이 흡수되는 전극(96)으로 광을 전달하게 하는 대응하는 마이크로미러(90)의 반사율을 줄이는 신호가 발생하여, 이것에 의해 검출기 어레이(56)의 대응하는 화소로부터의 신호를 소정의 값 또는 그 이하로 유지시킨다. 이 신호는 마이크로미러(90)가 지정된 파형을 가지도록 하여, 마이크로미러(90)가 그 정상인 최대 반사 상태(normal maximum reflecting state)에 있는 시간 부분(fraction of time)을 제어 가능하게 한다. 그러므로, 개별적 마이크로미러 요소(90)의 반사율은 필요하다면 적어도 256 단계를 갖는 그레이 스케일(gray scale)을 제공되도록 제어될 수 있다. 그레이 스케일은, 검출기 어레이(56)의 출력에 인가되는 후속 영상 처리가 1과 0으로 구성되는 2진 화상(binary image) 상에 대해 행해지기 때문에, 본 발명의 목적에 전적으로 적당할 수 있다. 그러므로, 만약 신호 임계값이 2진수 화상을 실현하는데 필요한 클리핑 레벨(clipping level)을 초과한다면, 모든 타깃 요소는 1로 되는 반면에, 모든 배경 화소는 0으로 설정될 것이다. 이와 같은 방식으로, 본 시스템은 타깃 형상(target shape)을 결정한다.
그 결과, 검출기 어레이(56)는 미사일 영상을 검출하고, 이 영상은 장파의 적외선 방사파와 같은 낮은 레벨 방사파로부터 형성되고, 이 방사파는 전형적으로 중간파의 적외선 방사파인 레이저 빔 타격점(20)을 형성하는 방사파보다 더 낮다.따라서, 레이저 빔 타격점(20)은 마이크로미러 어레이(52)의 작용에 의해 방사 조도에서 제한된다. 위에서 기술된 추적기는 타깃 방사파을 편광시키는 것에 의해 타깃으로부터의 방사파만이 검출기 어레이(56)로 전달되는 것을 보장한다.
도 5를 참조하면, 발명에 대한 적응 초점면(52)의 작동과 관련되는 방법론을 도시하는 흐름도가 일반적으로 도면번호 110으로 도시되어 있다. 단계(112)에서, 시스템은 입력 방사파를 수신한다. 단계(114)에서, 빔 스프리터는 이 방사파를 나눈다. 단계(116)에서, 시스템은 타깃 방사파 빔을 편광시킨다. 단계(118)에서, 적응 초점면 또는 마이크로미러 어레이는 원형 편광된 타깃 방사파의 빔을 반사시켜, 방사파 빔을 형성하며, 이 방사파 빔은 원형 편광되지만 단계(116)에서 편광된 방사파 빔에 대하여 수직하게 배향을 가진다. 단계(120)에서, 시스템은 단계(118)에서 반사된 방사파 빔으로부터 타깃 영상을 검출한다. 단계(122)에서, 추적기 전자장치는 적응 초점면(52)에 공동으로 등록된(coregistered) 화소의 임의의 것에 의해 검출된 방사파가 소정의 임계값 방사 조도 미만인지의 여부를 결정한다. 단계(122)에서, 모든 화소가 임계값 미만이 아니라면, 시스템은 모든 화소가 단계(124)에서 도시된 것처럼 임계값 미만으로 될 때까지 미러 반사율을 조정한다. 만약 모든 화소가 임계값 미만이면, 적응 초점면의 반사율에 대한 조정은 일어나지 않는다.
상술한 것으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 적응 초점면 시스템은 대상 방사 조도 대역 내에서 사소한 일그러짐 또는 영상의 손실로 억제하면서 상대적으로 높은 방사 조도 및 낮은 방사 조도의 물체를 갖는 높은 콘트라스트 영상의 포획을 가능하게 한다. 적응 초점면의 화소는 검출기 어레이의 화소와 공동으로 등록되어(coregistered) 있기 때문에, 적응 초점면의 반사율은 선택된 화소의 반사율만을 줄이기 위해 화소마다 조정될 수 있다. 적응 초점면에 제어 가능하고 어드레스 지정 가능한 화소를 제공함으로써, 높은 콘트라스트 영상의 더 낮은 세기 부분은 데이터의 손실을 최소로 억제하면서 포획될 수 있다. 게다가, 영상 형성 기술의 당업자는 본 발명의 적응 초점면이 본 명세서에서 기술된 무기 분야 이외의 분야에 쉽게 적용할 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 상기 분야에는 영상이 변함에 따라 영상의 부분을 연속적으로 삭제할 때, 선택적 삭제를 위한 문자 인식이 포함된다. 상기 다양한 분야에는 또한 X-선, MRI, 및 CATSCAN 을 포함한다. 당업자는 적응 초점면을 제어하는데 다른 접근법을 사용하면 영상의 여러 부분을 보존하고 개량하는 것이 가능하다는 것도 더 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 시스템은 높은 콘트라스트 영상 형성의 모든 분야에 넓은 적용 범위를 가지는 것이다.
전술한 설명 및 도면을 특허청구의 범위와 연계하여 검토를 한 후에는, 본 발명의 여러 가지 다른 이점이 당업자에게는 자명하게 될 것이다.

Claims (18)

  1. 높은 콘트라스트의 영상을 형성하는 광학 시스템에 있어서,
    검출된 타깃(target)으로부터 방사파를 수신하는 수신기 광학기구로서, 상기 방사파는 변화하는 세기의 섹션들(sections)을 구비하는, 상기 수신기 광학기구와,
    상기 방사파의 제 1 부분을 반사시키고 상기 방사파의 제 2 부분을 통과시키며, 상기 방사파의 상기 제 2 부분을 선형 편광(linearly polarize)시키는, 편광 빔 스프리터와,
    상기 방사파의 상기 선형 편광된 제 2 빔을 원형 편광(circularly polarize)시키는 빔 편광자(beam polarizer)와,
    상기 원형 편광된 방사파를 반사시켜, 상기 빔 편광자를 다시 통과하도록 하여, 상기 반사된 방사파의 제 2 빔이 선형 편광되게 하는 미러를 포함하여 구성되며, 상기 선형 편광된 반사 빔은 상기 빔 스프리터에 의해 영상형성을 위해 하나의 방향으로 반사되고, 상기 미러는 반사율이 변화될 수 있는 복수의 섹션을 구비하여, 임의의 섹션이 소정의 임계값을 초과하는 원형 편광된 방사파에 의해 조사될 때 상기 임의의 섹션의 반사율을 변화시켜 그 반사율을 저하시키도록 된, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반사되어 선형 편광된 방사파로부터 타깃 영상을 검출하는 상기 편광 빔 스프리터와 광학적으로 정렬한 영상 검출기 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 미러의 상기 섹션들은 마이크로미러를 포함하는데, 각 마이크로미러는 제어 신호의 인가에 따라 가변적인 반사율을 가지며, 각 마이크로미러에 대한 상기 제어 신호는 상기 마이크로미러에 조사하는 상기 방사파의 세기에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 각 마이크로미러는 어드레스 지정이 가능하며, 그래서 특정 파형이 상기 어드레스 지정된 마이크로미러의 상기 반사율을 변화시켜서, 그 결과 상기 원형 편광된 방사파의 섹션이 소정의 임계값을 초과할 때 상기 어드레스 지정된 마이크로미러의 반사율을 실질적으로 감소시키고, 상기 영상 검출기 어레이의 상응하는 섹션에 의해 검출되는 상기 방사 조도(irradiance)를 제한하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 영상 검출기 어레이는 상기 편광 빔 스프리터와 광학적으로 통하는 검출기 어레이를 포함하는데, 상기 영상 검출기 어레이는 상기 반사된 방사파를 수신하고 수신된 방사파에 응답하여 전기 신호들을 발생시키는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 영상 검출기 어레이는 전하 결합 소자(charge coupled device; CCD) 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 영상 검출기 어레이는 초점면 검출기 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 영상 검출기 어레이는 액정 표시 장치(liquid crystal display; LCD) 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 마이크로미러의 어레이는 만곡 빔 마이크로미러 어레이(flexure beam micromirror array)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 빔 편광자는 1/4파장 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 수신기 광학기구는 제 1 초점 길이를 갖는 추적기 입력 광학기구와, 상기 추적기 입력 광학기구를 통해 통과되는 상기 검출되는 방사파를 수신하고 상기 검출되는 방사파를 상기 빔 스프리터로 통과시키기 전에 상기 검출되는 방사파를 재시준하는 재시준(recollimating) 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 미러 및 상기 수신기 광학기구는 결합 초점면(conjugate focal planes) 내에 있는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  13. 제 11항에 있어서, 방사파의 상기 반사된 빔을 영상 검출기 어레이 상에 영상 형성하기 위해 상기 편광 빔 스프리터와 상기 영상 검출기 어레이 사이에 위치해 있는 검출기 영상형성 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 미러에 의해 상기 제 2 빔이 영상형성 목적을 위하여 제 2 방향으로 반사되기 전에, 상기 미러는, 상기 원형 편광된 방사파를 반사하여 상기 빔 편광자를 역방향으로 통과시켜, 검출된 타깃 방사파의 상기 제 2 빔을 선형 편광시키며, 상기 제 2 빔에 대해 수직으로 상기 반사된 방사파를 배향시키는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  15. 제 2항에 있어서, 상기 영상 검출기 어레이의 각 요소는 하나의 화소를 한정하고, 각 화소를 조사하는 상기 방사파의 세기를 결정하기 위한 영상 프로세서를 더 포함하는데, 상기 영상 프로세서는 상기 각 화소에 상응하는 상기 미러의 특정 섹션에 대한 상기 반사율을 변화시키기 위한 신호를 발생시키고, 그 결과 상기 각 화소에 조사하는 상기 방사파를 소정의 임계값 미만으로 유지하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 영상 검출기 어레이의 각 화소는 상기 미러의 상응하는 섹션과 공동으로 등록(coregistered)되는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 광학 시스템.
  17. 높은 콘트라스트의 영상을 형성하는 방법에 있어서,
    타깃으로부터, 상대적으로 높은 세기 및 낮은 세기의 섹션을 구비하는, 입사 방사파를 수신하는 단계와,
    상기 입사 방사파를 상기 타깃으로부터 방사파의 제 1 빔과 방사파의 제 2 빔으로 분리하는 단계와,
    상기 타깃으로부터 상기 방사파의 제 2 빔을 원형 편광시키는 단계와,
    적응 초점면으로부터 상기 방사파의 원형 편광된 제 2 빔을 반사시키는 단계와,
    상기 적응 초점면의 미러에 충돌하는 상기 제 2 빔의 세기를 결정하는 단계와,
    소정의 임계값 미만으로 방사 조도를 유지시키기 위하여 상기 제 2 빔의 상기 세기에 따라 상기 적응 초점면의 미러의 반사율을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제 2 빔의 세기를 결정하는 단계는 타깃 물체의 방사파의 상기 원형 편광된 제 2 빔이 소정의 세기 임계값을 초과하는지의 여부를 세그먼트 방식(segmented manner)으로 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 적응 초점면의 미러의 반사율을 변화시키는 단계는 만약 타깃 물체의 방사파의 상기 제 2 빔이 상기 소정의 세기 임계값을 초과한다면 상기 방사파의 편광된 제 2 빔으로 하여금 상기 소정의 세기 임계값 아래로 내려가도록 상기 적응 초점면의 미러의 반사율을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 높은 콘트라스트의 영상 형성 방법.
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