KR102059322B1 - 동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템 - Google Patents

동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102059322B1
KR102059322B1 KR1020187022864A KR20187022864A KR102059322B1 KR 102059322 B1 KR102059322 B1 KR 102059322B1 KR 1020187022864 A KR1020187022864 A KR 1020187022864A KR 20187022864 A KR20187022864 A KR 20187022864A KR 102059322 B1 KR102059322 B1 KR 102059322B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hel
illumination
doppler
laser beam
remote object
Prior art date
Application number
KR1020187022864A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180103096A (ko
Inventor
조셉 마론
모리스 제이. 할모스
저스틴 에스. 그레이어
가메즈 에르텐
주니어. 데이비드 엔. 시터
Original Assignee
레이던 컴퍼니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 레이던 컴퍼니 filed Critical 레이던 컴퍼니
Publication of KR20180103096A publication Critical patent/KR20180103096A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102059322B1 publication Critical patent/KR102059322B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H13/00—Means of attack or defence not otherwise provided for
    • F41H13/0043—Directed energy weapons, i.e. devices that direct a beam of high energy content toward a target for incapacitating or destroying the target
    • F41H13/005—Directed energy weapons, i.e. devices that direct a beam of high energy content toward a target for incapacitating or destroying the target the high-energy beam being a laser beam
    • F41H13/0062—Directed energy weapons, i.e. devices that direct a beam of high energy content toward a target for incapacitating or destroying the target the high-energy beam being a laser beam causing structural damage to the target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/66—Tracking systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/4804—Auxiliary means for detecting or identifying lidar signals or the like, e.g. laser illuminators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4917—Receivers superposing optical signals in a photodetector, e.g. optical heterodyne detection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/20—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from infrared radiation only
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
    • H04N5/33—Transforming infrared radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N7/00—Television systems
    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
    • H04N7/183—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast for receiving images from a single remote source

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Studio Devices (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

레이저 빔 투사 시스템(100, 400, 500, 700, 710)은 단단히 포커싱된 레이저 빔을 원격 오브젝트(101) 상에 투사하기 위해 코히어런트 이미지 상에 구축한다. 코히어런트 플러드 조명(105) 및 국부 발진기(LO) 조명은 하나의 주 발진기(102)를 기반으로 한다. 코히어런트 플러드 조명(105)은, 동일한 오브젝트(101) 상의 조준 점(505) 상으로 지향된 제2 레이저 빔(504)과 함께, 원격 오브젝트(101)를 향한다. 도플러-시프트된 LO 조명(420)과 귀환 플러드 조명(106) 사이의 간섭은 속도에도 불구하고 오브젝트(101)의 이미징을 용이하게 한다. 플러드 조명된 원격 오브젝트 이미지의 파면 오차는 계산되어 조준 점(505)에서의 제2 레이저 빔(504)의 원하는 파면과 비교된다. 차이는 원하는 조준 점 강도 프로파일을 획득하기 위해, 제2 레이저 빔 파면을 형성하는 가변 거울(702)에 적용된다.

Description

동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템
본 발명은 일반적으로 코히어런트 이미징(coherent imaging)을 이용하는 레이저 빔 투사 시스템에 관한 것이고, 보다 상세하게는 이미지화된 오브젝트 또는 레이저 빔 투사 플랫폼 또는 코히어런트 이미징 센서(들) 사이의 상대적인 움직임의 맥락에서 오브젝트 또는 그 부근의 코히어런트 이미징을 이용하여 원격 오브젝트에 지향된 출력 레이저 빔의 동적 위상을 보정하기 위한 것이다.
코히어런트 이미징 방법들은 원격 오브젝트들로부터 이미지 기반 데이터를 획득하기 위한 유용성이 있다. 그러나, 광의 파장 정도의 오브젝트 움직임은 간섭 특징들을 코히어런트 신호에 부여한다. 동시에, 대기의 난기류 및 다른 현상은 원격 오브젝트로 지향된 레이저 빔에서 파면 오차를 발생시키며, 특히, 원격 오브젝트에 초점을 맞춘 레이저 빔이 원격 오브젝트에 필요한 경우에 그러하다.
레이저 투사 시스템은 단단히 집속된(tightly focused) 레이저 빔을 원격 오브젝트에 투사하기 위한 코히어런트 이미징 시스템(coherent imaging system)을 기반으로 한다. 코히어런트 이미징 시스템은 플러드 조명과 동일한 주 발진기(master oscillator: MO)를 기반으로 파생된 코히어런트 플러드 조명 및 국부 발진기(local oscillator: LO) 조명을 생성한다. 코히어런트 플러드 조명은 원격 오브젝트를 향한다. 동시에, 레이저 빔 투사 시스템은 제2 레이저 빔(및 일반적으로 더 높은 전력의 레이저 빔)을 동일한 원격 오브젝트 상의 원하는 조준 점으로 향하게 한다. 제2 레이저 빔은 주로 제2 주 발진기로부터 파생된다. 도플러 센서는 LO 조명 및 오브젝트 반사된 플러드 조명의 귀환을 수신한다. 이미징 시스템에 대한 오브젝트의 종 방향 속도(longitudinal velocity)에 대응하는 도플러 센서로부터의 도플러 시프트 데이터는 오브젝트로부터의 귀환 조명과 함께 초점면 배열(focal plane array: FPA)에 의해 수신된 도플러-시프트된 LO 조명을 생성하는데 이용된다. 도플러-시프트된 LO 조명 및 귀환 조명 간의 간섭은 종 방향 속도에도 불구하고 낮은 대역폭 FPA를 갖는 오브젝트의 이미지를 생성하는 것을 용이하게 한다. 이미지의 파면 오차 또는 이미지의 영역이 계산되고, 조준 점에서 원하는 파면과 비교된다. 그 차이는 원격 오브젝트 상의 조준 점에서 제2 레이저 빔의 최적 또는 원하는 강도 프로파일(intensity profile)을 얻기 위해 제2 투사된 레이저 빔의 파면을 형성하기 위해 가변 가능한 거울에 적용된다.
일부 실시예들에서, 고 에너지 레이저(high energy laser: HEL)는 원격 오브젝트에 투사되어 고 강도 히트스팟(hitspot)을 형성하고, 이는 원격 오브젝트를 이미지화하는 코히어런트 이미징 시스템에 의해 원격 오브젝트 상에 이미징된다. (오브젝트 및 히트스팟의 이미징은 원격 오브젝트의 히트스팟의 위치의 레지스트레이션(registration)을 허용한다.) 제2 LO 조명은 제2 MO에 기초하여 파생된다. HEL LO는 제2 LO 또는 제2 HEL MO 출력들 중 하나 또는 둘 모두에 기초하여 HEL LO 조명을 생성한다. 초점면 배열은, 초점면 배열의 적어도 일부 픽셀들에 대한 광 강도 데이터가 HEL LO 조명과 HEL 귀환의 간섭에 대응하도록, HEL LO 조명과 함께 원격 오브젝트로부터 반사된 히트스팟의 HEL 귀환을 수신한다. 따라서, FPA 상의 코히어런트 이미지는 원격 오브젝트의 이미지와 히트스팟의 이미지이다(HEL LO 조명과 HEL 귀환의 간섭). 가변 거울은 HEL 소스 빔을 수신하고, 수신된 HEL 소스 빔을 원격 오브젝트의 조준 점 방향으로 향하게 한다. 프로세서들은 가변 거울의 변형 및 배향 중 하나 또는 둘 모두를 제어하기 위해 도플러 센서의 출력 또는 초점면 배열로부터의 광 강도 데이터 중 적어도 하나를 이용한다. 가변 거울은 결정된 파면 오차(wavefront error: WFE), HEL 빔을 미리 왜곡하거나, 또는 HEL 빔의 방향이 원격 오브젝트 상의 조준 점과 일치하도록 요구되는 변경에 응답하여 상기 프로세서(들)에 의해 제어된다. 가변 거울이 FPA 상의 코히어런트 이미지를 이용하여 계산된 파면 오차에 기반으로 제어된다.
특정 장점들이 위에 열거되었으나, 다양한 실시예들은 열거된 장점들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 또한, 아래의 도면들 및 설명을 검토한 후, 당업자에게는 다른 기술적 장점들이 쉽게 명백해질 수 있다.
본 개시 및 그 이점들에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 동일한 도면 부호가 동일한 부분을 나타내는 첨부된 도면들과 관련한 아래의 설명이 참조된다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 코히어런트 이미징 시스템의 동작을 도시한다.
도 2는 도 1의 코히어런트 이미징 시스템 내에서 수행되는 이미지 프로세스를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 프로세스와 함께 도 1에 도시된 유형의 코히어런트 이미징 시스템을 이용하여 획득된 시뮬레이션 강도 이미지(intensity image)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예들에 따른 도 1의 코히어런트 이미징 시스템에 대한 부가적인 세부 사항의 개략도이다.
도 5는 투사된 레이저 스팟을 포함하는 본 개시의 대안적인 일 실시예들에 따른 도 1의 코히어런트 이미징 시스템에 대한 부가적인 세부 사항의 개략도이다.
도 6은 도 5의 코히어런트 이미징 시스템 내에서 수행되는 이미지 프로세스를 도시한다.
도 7a 내지 7b는 투사된 레이저 스팟에 대한 파면 오차 보정을 포함하는 본 레이저 빔 투사 시스템의 제1 대안 실시예 및 제2 대안 실시예의 개략도이다.
도 8는 본 개시의 일 실시예들에 따라 투사된 레이저 스팟에 대한 파면 오차 보정을 위한 수차 결정을 도시한다.
도 9a 내지 9c는 본 개시의 일 실시예들에 따라 투사된 레이저 스팟에 대한 파면 오차 보정을 도시한다.
도 10은 원격 오브젝트 상의 투사된 레이저 히트스팟에 대한 파면 오차 수정 프로세스의 흐름도이다.
비록, 예시적인 실시예들이 도면들에 도시되어 있고, 아래에 설명되었지만, 본 개시의 원리들은 현재 알려져 있는지 여부와는 관계없이 임의의 수의 기술들을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 처음부터 이해되어야 한다. 본 개시는 어떠한 방식으로도 도면에 예시되고, 아래에 설명된 예시적인 구현들 및 기술들로 제한되어서는 안된다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한, 도면들에 도시된 물품들은 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다.
이미지의 진폭 및 위상을 측정하기 위해, 활성 레이저 기반 시스템을 이용하는 코히어런트 이미징 시스템은 국부 발진기(local oscillator: LO) 빔과 코히어런트하게 조명된 타겟으로부터의 귀환 간의 간섭에 의존한다. 코히어런트 이미징은 원격 오브젝트에 대한 정보를 획득하기 위한 큰 유용성을 제공한다. 이 유용성의 특정 요소들은 낮은 조명 수준으로 향상된 성능, 3 차원(three-dimensional: 3D) 이미징, 광학 수차의 보정 및 오브젝트 내부 동작 평가를 포함한다. 예를 들어, 코히어런트 이미징은 일반적으로 직접 검출 방법보다 낮은 조명 전력으로 동작할 수 있는 광자 제한 검출을 포함한다. 또한, 상이한 파장들의 코히어런트 이미지들을 결합함으로써 3D 이미지들이 획득될 수 있고, 광학 수차(예를 들어, 파면 오차)가 코히어런트 이미징으로 결정되고 보정될 수 있다.
그러나, 코히어런트 특징들은 매우 동적이어서 이미지 데이터를 기록하기 위해 고속 데이터 수집 센서들이 필요한다. 타겟이 센서에 대해 움직일 때, 귀환의 간섭 주파수(interference frequency: IF)(이는, 주파수-시프트된 국부 발진기의 주파수를 뺀 귀환 조명 주파수의 절대 값에 기초하여 후술하는 목적을 위해 결정될 수 있음)는 도플러 시프트를 경험한다. 동적 결합의 경우, 센서 및/또는 타겟의 상대 운동이 변함에 따라 이러한 간섭 주파수가 가변적일 수 있다. 타겟 움직임은 광의 파장의 순서로 간섭 특징들을 코히어런트 신호에 전달하므로, 이전의 코히어런트 이미징 시스템은 매우 짧은 누적 시간들 및 높은 대역폭을 가져야한다. 따라서, 광의 파장 정도의 오브젝트 움직임은 검출 시스템에 의해 기록되어야 하는 신호에 필수 정보를 전달하기 때문에, 적어도 상기에서 언급된 측면에서는 가치가 있지만, 코히어런트 이미징은 매우 고속의 검출기를 필요로 한다. 이는 센서 플랫폼과 조사되는 오브젝트 사이에 상당한 상대적인 움직임이 있는 결합(engagement)들에 대한 코히어런트 이미징을 복잡하게 한다. 본 개시는 센서와 오브젝트 사이에 상당한 상대 움직임을 갖는 동적 환경들에서 코히어런트 이미지들을 기록할 수 있게 하는 기술들을 제시한다.
센서와 오브젝트 사이의 상대적인 움직임으로 인한 문제를 해결하기 위한 이전의 시도들은 고속 기록 능력(예를 들어, 빠른 프레임 레이트들)을 갖는 센서의 개발을 포함한다. 또한, 일부 제안들은 종 방향 움직임을 보상하기 위해 기준 빔 (국부 발진기 또는 "LO")에 오프셋 주파수를 부여했다. 본 개시는 필요한 기준 오프셋 주파수를 적응적으로 측정하고, 이 오프셋 주파수를 기준 빔에 부여함으로써 동적인 결합에서 코히어런트 이미징을 가능하게 하는 별도의 센서를 갖는 코히어런트 이미징 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 오브젝트 또는 타겟의 영역으로부터 도플러 오프셋 주파수를 기록할 수 있는 단일 또는 다중 픽셀 고속 검출기를 이용한다. 도플러 오프셋 주파수는 센서 및 오브젝트의 상대 속도가 이동함에 따라 동적으로 결정되고, 결정된 도플러 주파수는 코히어런트 이미징 시스템의 기준 빔에 부여되며, 이에 의해 보다 낮은 대역폭, 보다 큰 포맷의 이미징 센서로 코히어런트 이미징을 가능하게 한다. 본 개시에서 설명되는 설계의 다양한 실시예들은 (a) 고속 도플러 센서, (b) 동적 결합들을 위해 기준 빔에 도플러 오프셋 주파수를 동적으로 부여하는 것, (c) 성능을 향상시키고 상이한 오브젝트 영역들에 대한 도플러 오프셋을 평가하기 위해 다수의 픽셀들을 갖는 도플러 센서들의 하나 이상을 포함한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 코히어런트 이미징 시스템의 동작을 도시한다. 당업자라면, 간략화 및 명료함을 위해 후술하는 도면과 관련하여 도시된 것을 포함하여 일부 특징 및 구성 요소가 명시적으로 도시되어 있지 않음을 인지할 것이다. 예를 들어, 모든 거울 및 렌즈, 빔 스플리터, 전송기/수신기, 조리개, 전기 기계적 셔터들, 기타 등등 및 연관된 광 경로들을 포함하는 전체 광학 시스템은 도 1에 도시되지 않았다. 후속 도면들에 도시된 것을 포함하는 이러한 특징들은 도 1의 코히어런트 이미징 시스템에 동등하게 적용 가능한 것으로 이해될 수 있다.
코히어런트 이미징 시스템(100)은 도 1에 도시된 타겟 오브젝트(101)를 제외한다. 주 발진기(master oscillator)(102)는 주파수 신호를 생성하고, 이는 변조기(modulator)(103) 및 전력 증폭기(power amplifier)(104)를 통과하여 이미징될 오브젝트(101)를 향해 코히어런트 플러드 조명(105)(긴 대쉬를 갖는 점선으로 도시 됨)을 지향시키는 조명 소스(타겟 조명 레이저, 명시적으로 도시되지 않음)를 구동한다. 오브젝트(101)에서 반사된 광(106)(실선 화살표로 끝나는 것으로 도시)은 사출 동공(exit pupil)(107)을 통해 수신되고, 이미징 동공(imaging pupil)(108)을 통해 단파장 적외선(short wavelength infrared: SWIR) 초점면 배열(focal plane array: FPA)(109) 상으로 집속된다. SWIR FPA(109)는 주 발진기(102)에 연결된 타이밍 및 제어 프로세서(110)의 제어 하에서 동작한다. SWIP FPA(109) 상에 조명(112)(짧은 대쉬들을 갖는 점선)을 지향시키는 조명 소스(도시되지 않음)를 구동하는 국부 발진기(LO)(111)가 주 발진기(102)에 또한 결합된다.
도 1의 시스템에서, 타겟 오브젝트(101)는 주 발진기(102)로부터 파생된 주파수에서 코히어런트 광(105)으로 플러드 조사(flood illuminated)된다. 귀환(반사) 광(106)은 LO(111)의 주파수에 기초하여 조명(112)과 간섭하며, 간섭은 FPA(109)를 사용하여 검출된 총 광에 기초하여 결정될 수 있다. 이 검출 방법은 공간 헤테로 다인(spatial heterodyne) 또는 디지털 홀로그래피(digital holography: DH)라고 할 수 있다. 이러한 간섭 이미징은 광자-노이즈 제한 검출, 3D 이미징을 허용하는 위상 프로세스, 수차 결정/보정, 및 진동 이미징을 가능하게 한다. 그러나, 간섭 패턴은 검출 누적 시간(예를 들어, 약 100 nanoseconds (nsec)(즉, 0.1 microseconds (μsec)) 동안 또는 0.001 μsec 내지 1.0 μsec의 범위 내의 다른 주기 동안 정적이어야 한다. 추가적으로, 코히어런트 이미징 시스템과 오브젝트 사이의 상대 움직임(특히, 서로를 향한 또는 서로 멀어지는 종 방향 운동)은 종 방향 오브젝트 방향 속도로부터의 도플러 주파수 오프셋을 상쇄하는 방식으로, 검출 간격을 짧게 하거나 LO 주파수를 오프셋할 필요성을 야기한다.
도 2는 도 1의 코히어런트 이미징 시스템 내에서 수행되는 프로세스들을 도시한다. 이 프로세스(200)는 예를 들어, 타이밍 및 제어 프로세서(110) 내의 프로세스 회로 또는 선택적으로 시스템(100)에 결합된 별도의 프로세서(도 1에 도시되지 않음)에 의해 수행된다. 사출 동공(107)을 통해 수신된 조명(106) 및 LO(111)에 기초한 조명(112)은 검출기 배열(즉, FPA)에서 간섭하고, 이는 오브젝트로부터 반사된 플러드 조명 광에 대응하는 이미지에 기초하여 검출기 배열의 개별적인 픽셀들에서 수신된 광(201)의 강도를 변화시킨다. 검출기 배열로부터의 강도 값들의 고속 퓨리에 변환(fast Fourier transform: FFT)은 사출 동공(107) 및 LO 기반 조명(112)을 통해 수신된 광에 기초하여 디지털 이미지 데이터(202)를 생성한다. 디지털 이미지 데이터(202)의 일부에 대한 추가의 FFT는 오브젝트에 대한 2차원(two dimensional: 2D) 이미지인, 강도 이미지의 디지털 디스플레이(203)를 생성할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 프로세스와 함께 도 1에 도시된 유형의 코히어런트 이미징 시스템을 이용하여 획득된 시뮬레이션 강도 이미지이다. 시뮬레이션 강도 이미지는 256×256 검출기 배열에 의해 기록된 빛에 대응하고, 이미징 센서 및 오브젝트 간의 상대적인 움직임이 어떻게 코히어런트 신호를 열화시킬 수 있고, 미세한 프린지 디테일(fine fringe detail)이 "씻겨 나가는"지를 나타낸다. 공간적으로 오프셋된 LO에 의해 전달되는 미세한 프린지 디테일을 위해 흐려진 엣지들이 주목된다. 동적인 결합에서, 타겟 및 이미징 시스템 사이의 종 방향 움직임(이미징 시스템으로의 타겟의 움직임 또는 이미징 시스템으로부터 멀어지는 타겟의 움직임)은 프린지 움직임에 가장 큰 영향을 미친다. 이 충격(impact)은 종종 총 도플러 주파수 시프트(gross Doppler frequency shift)라고 한다. 종 방향 속도가 동적 환경에서 종종 시간에 따라 달라지는데, 누적 시간
Figure 112018078359375-pct00001
(누적 시간은 간섭 주파수의 주기보다 반드시 작아야 한다. 즉,
Figure 112018078359375-pct00002
)이 종 방향 속도에 반비례하기 때문에 이 효과가 발생한다.
Figure 112018078359375-pct00003
이고,
Figure 112018078359375-pct00004
는 소스 파장이고,
Figure 112018078359375-pct00005
는 종 방향 속도이다. 큰 종 방향 속도들
Figure 112018078359375-pct00006
의 경우, 누적 시간은 검출기 배열 기술의 능력보다 아래로 떨어질 수 있다. 일부 경우에서, LO에 오프셋 주파수를 추가하여 이 효과를 줄일 수 있다. 디지털 홀로그래피(digital holography: DH) 기반의 코히어런트 이미징 시스템들은 예를 들어, 1 microsecond(μsec)의 누적 시간
Figure 112018078359375-pct00007
으로 간섭 패턴의 "스냅 샷"을 기록하는 다중 픽셀 프레이밍 카메라를 이용한다. 이렇게 하려면, 간섭 패턴이 정적으로 유지되어야 한다. 즉, IF가 1 mega-Hertz (MHz) 미만이어야 함을 의미한다. 따라서, 동적 결합에서 DH 탐지를 수행하려면 타겟의 도플러 시프트를 모니터링하고, IF가 1MHz 미만이 되도록 LO를 조정하는 기능이 요구된다.
본 개시에 따른 동적 결합 동안의 코히어런트 이미징을 위한 시스템에서, 고 대역폭 코히어런트 검출 시스템(즉, 도플러 센서)이 귀환에서의 도플러 시프트 및 그에 따른 종 방향 속도를 측정하기 위해 도입된다. 도플러 오프셋 주파수(종 방향 속도에 비례함)가 측정되고, 측정된 도플러 주파수가 LO 빔의 주파수의 시프트에 적용되어 간섭 패턴을 누적 시간 동안 정적으로 만든다. 이용된 고 대역폭 코히어런트 검출기의 성능은 SWIR FPA 노출의 수용 가능한 타이밍에 대한 목표 범위의 한계를 결정할 수 있다. 도플러 센서는 단일 픽셀 검출기로 구성되거나, 또는 신호 특성을 향상시키고 타겟 상의 몇몇 포인트들에 대한 도플러 시프트를 결정하기 위해 다중 픽셀을 이용할 수 있다. 고 대역폭 검출기는 또한 SWIR FPA 노출 타이밍의 목표 범위를 결정한다.
본 개시의 코히어런트 이미징 시스템은 타겟의 도플러 주파수를 측정하기 위해 고 대역폭 검출기(간섭을 측정하기 위해 사용되는 DH 카메라와 별개인)를 이용한다. 그러면 도플러 주파수가 LO에 적용되므로 간섭 패턴은 카메라의 누적 시간 동안 정적이다. 도플러 측정 및 IF 조정 프로세스는 DH 기반 코히어런트 이미징을 가능하게 하기 위해 동적 결합을 통해 반복적으로 수행된다. 도플러 시프트들 및 그에 따른 LO 주파수의 변화를 측정하기 위한 전용 센서는 종 방향 속도의 변화가 실시간으로 보상되는 효과적인 폐루프 시스템을 제공한다. 이것은 코히어런트 이미징 시스템의 유용성을 매우 동적인 환경으로 확장한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른, 도 1의 코히어런트 이미징 시스템에 대한 부가적인 세부 사항의 개략도이다. 간단하고, 명료한 설명을 위해, 도 1 및/또는 이후의 도면들에는 일부의 요소들이 도시되지 않았고, 도 1에 도시되지 않은 부가적인 구성 요소가 도시된다. 도면들에 도시된 모든 특징들은 설명된 임의의 실시예들에서 사용될 수 있음이 이해될 수 있다. 특정 도면에서 특징 또는 요소를 생략하는 것은 단순성 및 명료함을 위한 것이고, 그 특징 또는 요소가 그 도면에 대해 설명된 실시예에서 채용되지 않는 것을 의미하지 않는다.
전술한 바와 같이, 주 발진기(102)에 의해 구동되는 플러드 조명 소스(401)로부터의 코히어런트 광(105)은 오브젝트(101)로부터 반사되어 반사(또는 "귀환(return)") 조명(106)으로서 수신된다. 도시된 실시예에서, 플러드 조명 소스(401)로부터의 코히어런트 광은 오브젝트(101)를 지향하는 방향을 위해 적절한 광학 구성 요소들을 통과하기 전에, 고정된 거울에서 반사된 후 (바람직하게는 변형 가능한) 거울(402)에서 반사된다. 제1 빔 스플리터(403)는 수신된 귀환 조명(106)을 분할하여, 중-파 적외선(mid-wave infrared: MWIR) FPA(404) 상에 초점을 맞추는 부분에 지향시킨다. 제2 빔 스플리터(405)는 제1 빔 스플리터(403)를 통과하는 귀환 조명(106)의 부분을, SWIR FPA(109) 상에 포커싱되고, 도플러 센서(406) 상에 포커싱되도록 분할한다. 빔 스플리터(405)에 의해 재지향(redirected)되지 않는 귀환 조명(106)의 부분을 통과하도록 편광된 전송기/수신기(407)는, 귀환 조명(106)의 비-재지향 부분 및 도플러 센서(406) 상의 LO 주파수(조명 소스(408)로부터)에 기초한 조명을 효과적으로 중첩(superimpose)시킨다. 도플러 센서(406)는, 조명 소스(408)로부터의 LO 조명에 대한 귀환 조명의 도플러 주파수를 측정하는 단일 픽셀(또는 다중 픽셀들)을 갖는다. 도플러 센서(406)에 대한 샘플링 레이트는 플러드 조명(또는 후술하는 다른 조명 소스(들))에 이용된 파장에 의해 나누어진 타겟에 대한 최대(종 방향) 속도보다 커야 한다. 도플러 센서(406)의 출력은 프로세서(110)에 의해 수신되며, 프로세서(110)는 플러드 조명에 대한 귀환 조명의 도플러 시프트(또는 오프셋)를 결정한다. 그 도플러 시프트는 코히어런트 이미징 시스템(100)에 대한 오브젝트(101)의 종 방향 속도(또는 다르게 표현하면, 전체 속도의 종 방향 성분)를 나타낸다.
도플러 시프트는 오브젝트(101)에 의한 종 방향 가속을 설명하기 위해 정기적으로 측정되고, 갱신된다. 도플러 시프트는 도플러-시프트된 국부 발진기(409)에 의해 이용된다. 도플러-시프트된 국부 발진기(409)는 도플러-시프트된 LO 조명을 생성하기 위해 이용되는 국부 발전기(111)로부터 출력 주파수의 도플러- 시프트된 버전을 생성한다. 도플러 시프트의 측정(예를 들어, 역(inverse))에 기초한 값은 전기-광학 변조기(electro-optic modulator: EOM)(410)에 의해 주 발진기(102)로부터의 주파수 신호에 적용될 수 있다. EOM(410)의 출력은 도플러-시프트된 국부 발진기(409)에 의해 수신된다. 도플러-시프트된 국부 발진기(409)는 도플러 시프트된 LO 조명(420)을 생성하기 위해 조명 소스(411)를 구동시키는 도플러 시프트된 LO 조명 신호를 생성한다. 이미지 센서 SWIR FPA(109)에는 이미징에 대한 도플러 효과를 오프셋하기 위해, 도플러 시프트된 LO 출력 신호로부터 도플러 시프트된 LO 조명(420)이 제공되다. 결과적으로, 간섭 패턴은 0.1 ~ 1 microsecond(μsec)의 글로벌 셔터로 동작하는 FPA와 같은 저 대역폭 초점면 배열(low bandwidth focal plane array)로 기록될 수 있다.
전술한 바와 같이, 플러드 조명 소스(401)로부터의 플러드 조명 및 광 소스(408)로부터의 LO 조명은 모두 동일한 안정 주 발진기(102)로부터 파생된다. 유사하게, 도플러-시프트된 국부 발진기(409)는 동일한, 안정 주 발진기(102)로부터 파생된다. 펄싱(pulsed)된 시스템에 있어서, 도플러 센서(406)는 타겟 범위를 측정하기 때문에, 오브젝트(101)로부터의 귀환 펄스가 존재할 때 SWIR FPA(109)가 트리거될 수 있다.
또한, 본 개시의 코히어런트 이미징 시스템(400)은 원격 오브젝트 상에 투사된 레이저 스팟(spot)을 평가하기 위해 이용된다. 원격 타겟 상에 집속된 고 에너지 레이저(high energy laser: HEL) 히트스팟의 효과를 결정하는 것은 간접적인 방법들로 수행될 수 있다. 이러한 적용들에서, 대기 수차(atmospheric aberration)들은 일반적으로, 다른 파장의 분리된 빔의 귀환 및 HEL 빔에 부여된 보정으로부터 감지될 수 있다. (직접) 관찰은 뛰어난 조준선 정렬을 필요로하고, 가시선(line-of-sight: LOS)은 일반적으로 예상되는 HEL 히트스팟 위치를 결정하기 위해 이용되는 메트릭이기 때문에, 오브젝트 상의 HEL 히트스팟은 일반적으로 관찰되지 않는다. 대신에, 오브젝트의 HEL 히트스팟은 대개 MWIR FPA(404)를 이용하여 감지된다. MWIR FPA(404)는 히트스팟에서 방출되는 열 방사를 감지하여 간접적으로 HEL 히트스팟을 측정한다. 또한, 열 효과들은 순간적이지 않고, MWIR 센서(404)는 HEL 소스의 고유 파장(전형적으로 1 micron 이하)에서 획득될 수 있는 것보다 낮은 이미징 해상도를 갖기 때문에, HEL 히트스팟의 열 측정은 지연 시간의 영향을 받는다.
따라서, 본래 HEL 파장의 직접 관찰을 위한 HEL 히트스팟의 수동 이미징은 일반적으로 추가 SWIR 센서가 필요하다. 이러한 어려움들 때문에, 타겟 사멸 평가(target kill assessment)는 신호-대-잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)의 극적인 저하에 의해 보다 일반적으로 결정된다.
전술한 바와 같이, 코히어런트 이미징 방법은 낮은 조명 파워 및 광학 수차들(파면 오차들)에 대한 결정 및 보정을 포함하여, 원격 오브젝트들로부터 이미지 기반 정보를 획득하는데 큰 가치가 있다. 또한, 파장 선택성은 다중 밴드들의 동시 이미징을 가능하게 한다. 따라서, 디지털 홀로그래피는 원격 비-협력성 타겟 상에 HEL 빔 스팟을 동시에 이미지화하고 및 관찰하는데 이용될 수 있다.
히트스팟 검출 및 히트스팟 유효성 평가를 이용하여 타겟 추적을 향상시키기 위한 여러 가지 구성들이 제안되었다. 일부의 구성은 2 개의 검출기들을 필요로 하며, 하나는 HEL 히트스팟 검출을 위한 것이고, 다른 하나는 조명 귀한 프로세스를 위한 것이다. 2 개의 검출기들을 이용하면 복잡성이 증가하고, 크기, 무게 및 파워(size, weight and power: SWaP)가 증가하고, HEL 귀환을 이미징 검출기로 파생하기 위해 필터링 또는 능동 빔 제어가 필요하다. 직접 HEL 히트스팟 검출 방법들은 검출기 잡음에 의해 제한(즉, SNR 제한)된다. 2 개의 개별 검출기들을 이용하는 것에 대한 고유한 레지스트레이션(registration) 이슈들은 몹시 힘든 조준 점 정렬의 요구 및 시스템 복잡성을 증가시키는 기계적 강성 요구를 포함하며, 계산상의 부정확성으로 인하여 레지스트레이션을 보상하기 위해 알고리즘들을 사용하는 경우에도 오프셋을 갖는다. 서브 픽셀 이미징은 직접 검출 시스템에 대한 문제를 제기하기 때문에, 이전에 제안된 구성들에 대한 타겟 사이즈들이 제한된다(즉, 서브 픽셀 타겟 특징들에 걸쳐, HEL은 훨씬 더 작아지고 이미지화하기 어렵다). 파면 오차(wavefront error: WFE) 측정들은 추가적인 검출기 및 프로세스가 필요한, 별개의 검출기(예를 들어, Shack-Hartman, 시어링 간섭계(shearing interferometer), 기타 등등을 이용)에 의해 수행된다. WFE 측정들은 반점이 있는 귀환(speckled return) 결과를 초래하는 효과들로 인하여 간접적이고(예를 들어, WF 기울기에 기초), 제한적(분기 절단 등)이다.
지향성 에너지 무기들은 임무 시나리오 중에 대기(atmosphere)에 의해 부여된 파면 수차들을 보정하기 위해 적응적인 광학을 필요로 한다. 그러나, 파면이 감지되고, 이후에 보정되면 오브젝트에서 보정의 효과를 직접 평가하는 것은 어렵다. 더욱이, 타겟 사멸 평가는 간접 수단들(예를 들어, 타겟 가열)과 같은 수단에 의해 종종 수행되며, 간접 수단들은 중화된 타겟(target as neutralized)을 잘못 식별할 수 있다. 본 개시에서, 실시간, 고 해상도 히트스팟 검출기는 원격이고, 비-협력적인 타겟에 투사된 레이저 빔 스팟을 모니터링하고, 또한 중화된 타겟의 손상 평가의 직접적인 수단으로 사용될 수 있다. 디지털 홀로그래픽 이미징은 원격 타겟 및 원격 타겟 상에 투사된 레이저 빔을 동시에 이미지화하기 위해 이용된다.
본 개시는 먼 거리에서 집속된 HEL 히트스팟 및 비-협력적인 타겟 모두에 대한 동시 코히어런트 이미징을 포함하여, 원격 오브젝트 상에 투사된 레이저 스팟(예를 들어, HEL 히트스팟)의 평가를 가능하게 한다. 공간적적으로 및 각도가 오프셋된 국부 발진기들은 타겟으로부터의 HEL 및 조명 귀환을 간섭한다. 코히어런트 도플러 검출기는 도플러 시프트 주파수를 직접 감지하고, 신호를 변조기들로 전송한다. 변조기들은 결합 타임라인(engagement timeline)에 걸쳐 일관성(coherence)을 유지하기 위해 국부 발진기의 주파수를 시프트한다. 따라서, 원격 타겟의 HEL 히트스팟은 직접적으로 모니터링되고, 사멸 평가는 보다 쉽게 결정되고, HEL은 조준 점으로 "걸어"갈 수 있다. 단일 검출기의 사용은 단일 전송기/수신기(Tx/Rx) 아키텍처를 가능하게 하는 단일 편광 귀환(single polarization return)을 수용하여 SWaP를 최소화한다. 타겟 상의 HEL 히트스팟의 선명도 및/또는 선명도 최대화를 직접적으로 조사함으로써 HEL WFE가 감지될 수 있다.
도 5는 투사된 레이저 스팟을 포함하는 본 개시의 대안적인 일 실시예들에 따른 도 1의 코히어런트 이미징 시스템에 대한 부가적인 세부 사항의 개략도이다. 코히어런트 이미징 시스템(500)은, 도 1 및 도 4에 도시되지 않은 몇몇 특징들(예를 들어, 광학 시스템의 세부 사항)이 도 5에 명시적으로 도시되어 있지만, 도 1 및 도 4의 실시예들과 유사하다. 또한, 동일한 특징이 도 1 및 도 4의 실시예에도 존재할 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 추가적으로, 출사 광 및 귀환 광의 완전한 광 경로들은 도시되지 않았다.
코히어런트 이미징 시스템(500)은 귀환 조명(106)의 경로 내에 제1 전송기/수신기(501)를 포함한다. 제1 전송기/수신기(501)는 전송기/수신기(407)의 편광과 상이한 편광을 가질 수 있고, HEL(502)로부터의 출력 조명의 특성에 의존할 수 있다. HEL(502)은 타겟(101) 상에 HEL 히트스팟(505)를 투사하기 위한 고 에너지 레이저 조명(504)를 생성한다. 후술되는 바와 같이, HEL(502)는 주 발진기(102)와 별개인 HEL 주 발진기(503)로부터의 신호에 기초하여 동작할 수 있다. 제1 전송기/수신기(501)는 HEL 빔(504)을 거울(402)로 재전송한다. 거울(402)은 오브젝트(101) 상에 HEL 히트스팟(505)을 형성하기 위해 차례로 오브젝트(101)를 향해 HEL 빔(504)을 재지향시킨다. 타겟(101)에서 반사된 반사 HEL 빔 귀환(506)은 거울(402)을 통해, 제1 전송기/수신기(501)를 통해 플러드 조명(105)의 귀환(106)과 유사한 경로를 따르고, 빔 스플리터(405)에 의해 SWIP FPA(109)에 충돌하도록 재지향된다. 도플러-시프트된 LO(508)의 출력에 기초하여 조명 소스(507)로부터의 HEL LO-변조된 조명(520)은 SWIP(109) 상에 HEL 빔 귀환(506)과 중첩된다. 도플러-시프트된 HEL LO(508)는 도플러 센서(406)의 출력 기초하여 EOM(509)으로부터 수신하고, HEL MO(503)에 기초하여 출력을 생성할 수 있다. 이러한 구성으로, 조명 소스(507)로부터의 HEL LO 조명(520)은 조명 소스(411)로부터의 LO 조명(420)으로부터 공간적으로, 각도로, 및 스펙트럼적으로 오프셋된다. HEL LO 조명(520)은 플러드 조명(105)의 귀환(106), HEL 빔(504)의 HEL 귀환(506), 및 LO 조명(420)과 함께 SWIR FPA(109) 상으로 방사된다. 게이팅(gating) 또는 SWIR FPA(109)의 게이팅의 글로벌 셔터 속도는 플러드 조명 귀환(106)에 대한 펄스 타이밍에 기초하여 설정될 수 있다. HEL 빔(504)는 전형적으로 펄스가 아닌 연속파(continuous wave: CW)이기 때문에, 기술된 시스템은 HEL 이미징에 대한 검출기 누적 시간을 변경하는 유연성을 제공한다. 추가적으로, HEL 귀환(506) 및 플러드 조명 귀환(106)의 전력 레벨들에는 상당한 차이가 있을 수 있다. HEL 귀환(506)에 의한 SWIR FPA(109)의 포화를 방지하기 위해, 스펙트럼 및 편광 감쇠를 포함하는 다양한 기술이 채용될 수 있거나, HEL 귀환(506)이 존재할 때 검출기 누적 시간이 적응적으로 감소될 수 있다. SWIR FPA(109)에서 수신된 결합된 조명은 프로세서(110)에 의해 프로세스되어, 투사된 레이저 스팟(타겟(101)에서 반사된 경우) 뿐만 아니라, 타겟(101)의 이미지를 나타낸다.
프로세서(101)는 자동 초점 알고리즘을 이용하여 WFE를 결정하고, WFE의 역수는 HEL 빔(504)의 빔을 사전에 왜곡하고, 타겟(101) 상에 HEL 히트스팟(505)을 집속시키기 위해 프로세서(101)의 제어 하에 거울(402)에 적용될 수 있다. 추가적으로, 거울(402)의 배향은 HEL 빔(504)의 3D 공간 내에서 방향을 변화시키기 위해, 변형의 변경과 별개로 또는 변형의 변경과 함께 프로세서(110)의 제어 하에 또한 변경될 수 있다. 이러한 방식으로, HEL 빔(504)에 의해 생성된 타겟 스팟(505)은 타겟(101) 상의 원하는 조준 점으로 "걸어"갈 수 있다.
도 6은 도 5의 코히어런트 이미징 시스템 내에서 수행되는 이미지 프로세스를 도시한다. 프로세스(600)는 FPA(109)에서 수신된 귀환 및 LO 조명이, 또한 도플러 시프트된 HEL LO 조명 소스(507)로부터 파생된 LO 변조 조명(520)을 포함한다는 것을 제외하고는, 도 2와 연관되어 설명된 것과 유사하다. 도 2의 프로세스(200)와 같이, 프로세스(600)는 디지털 이미지 데이터(602) 및 디지털 복소수 값 이미지(603)를 생성하기 위해, 검출기 배열의 개별 픽셀들에서 수신된 광의 강도(601)의 신호에 기초한 FFT를 포함한다. 도시된 바와 같이, 초기 FFT에 의해 생성된 디지털 데이터(602)의 (타겟 이미지를 위해 이용된 부분과) 다른 부분이 디지털 복소수 값 이미지(603) 내에 레이저 스팟을 생성하기 위한 추가 프로세스를 위해 선택될 수 있다. 소스(507)로부터의 HEL LO 조명(520)과 광 소스(411)로부터의 플러드 조명 LO 조명(420)은 공간적으로, 각도적으로, 스펙트럼적으로 오프셋되기 때문에, 두 이미지들의 프로세스는 동시에 수행될 수 있고, 결과 이미지는 타겟 이미지와 중첩된 HEL 히트스팟 이미지로 구성된다. 투사된 레이저 빔(예를 들어, HEL 빔) 귀환 및 능동 타겟 플러드 조명 귀환은 각각의 국부 발진기 버전(FPA(109)에서의 조명)과 간섭한다. 따라서, 타겟(101) 상에 나타나는 바와 같이 투사된 레이저 빔 스팟을 포함하는 결과 이미지와 함께, 고도로 레지스트레이트된(registered) 이미지들이 겹쳐서 표시된다. 더욱이, 디지털 홀로그래피는 광자 제한 성능을 제공하기 때문에, 디지털 홀로그래피는 기술들은 투사된 레이저 빔에 부여된 WFE를 직접 감지하기 위해 이용될 수 있다.
설명된 다양한 실시예들에서, 성능을 향상시키기 위해 변형들이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 플러드 조명 또는 HEL 빔 중 하나 또는 둘 모두의 빔 브레이킹(beam break-up)으로 인한 부정적인 영향을 피하기 위해 다중 플러드 조명 빔들 및/또는 다중 HEL 빔들이 이용될 수 있다. 단일 도플러 검출기는 플러드 조명 귀환 및 HEL 빔 귀환 모두를 검출하는 것으로 위에서 설명되었으나, 별도의 도플러 검출기들이 대신 사용될 수 있다.
위에 암시된 바와 같이, 대기적으로 유도된 (파면) 위상 오차들은 원격 타겟에 초점을 맞춘 레이저 빔의 투사 능력을 제한한다. 코히어런트 이미징 방법들은 자동 초점 알고리즘들을 통해 파면 오차(wavefront error: WFE)를 결정할 수 있다. 그런 다음, 가변 거울을 이용하여 타겟에 대해 단단히 집속된 레이저 스팟을 생성하기 위해, 레이저 빔이 WFE에 대해 사전 보상될 수 있다. 타겟이 움직이는 조건들에서 출사되는 레이저 빔의 코히어런트 이미징 및 사전 보상을 가능하게 하기 위해, 센서와 타겟 사이의 상대 속도를 측정하는 고속 도플러 센서가 이용된다. 코히어런트 이미징 시스템에 대한 LO는 타겟 움직임을 보상하도록 조정되어, 코히어런트 이미징 및 WFE 결정을 가능하게 한다.
도 7a는 투사된 레이저 스팟에 대한 파면 오차 보정을 포함하는 본 레이저 빔 투사 시스템의 제1 대안 실시예의 개략도이다. 레이저 빔 투사 시스템(700)에 있어서, 레이저 빔 투사 시스템(700)의 광학적 요소들 및 타겟(101) 사이의 대기 난류(701)와 같은 다양한 물리적 현상은 HEL 히트스팟(505)을 생성하는 HEL 빔(504)를 왜곡 또는 편향(도시되지 않음)시킨다. 이 실시예에서, 가변 거울(702)은 HEL 빔(504)를 지향시키고, 형성하기 위해 이용된다. 컴퓨터/프로세서(110)의 일부를 실제로 형성할 수 있는, 파면 재구성기(703)는 가변 거울(702)의 표면 배향 및 형상을 제어하는 가변 거울 드라이버(704)를 조정하기 위해 이용된다.
이 실시예에서, 플러드 조명 소스(401)는 타겟(101) 상으로 지향된 플러드 조명(105)을 생성한다. 플러드 조명 귀환(106)은 (예를 들어, 대기 조건들, 공기 흐름, 광학 수차들, 또는 임의의 둘 또는 이 이상의 조합으로 인하여) 파면 왜곡을 겪는다. 이러한 왜곡들로 인한 WFE는 전술한 바와 같이 FPA(109) 출력을 프로세스함으로써 측정된다. 한편, 전술한 바와 같이, 레이저 빔 투사 시스템(700)과 타겟(101) 사이의 상대적인 움직임은 고속 도플러 센서(406)의 출력에 기초하여 검출된다. 도플러 오프셋의 역수는 도플러 시프트된 LO(409)에 의해 구동되는 조명(420)을 생성하기 위해 EOM(410)에 적용된다. FPA(109)는 플러드 조명 귀환(106) 및 도플러 시프트 LO 조명(420)의 간섭을 기록한다. 컴퓨터/프로세서(110)는 자동 초점 알고리즘을 이용하여 WFE를 결정하고, 파면 재구성기(703)에 의해 계산된 역 WFE는 가변 거울(702)에 인가되어, 측정된 파면 왜곡을 보상하기 위해 방출 HEL 빔(504)을 사전 왜곡한다. 이와 같은 방식으로, HEL 히트스팟(505)는 타겟(101) 상에 집속된다.
선택적으로, HEL 히트스팟(505)은 FPA(109) 상에 또한 이미지화될 수 있다. 타겟(101) 및 히트스팟(505) 모두의 이미징은 타겟(101) 상의 히트스팟(505)의 위치 레지스트레이션을 허용한다. HEL 국부 발진기(LO)는 HEL MO(503)에 기초하여 파생될 수 있다. HEL LO는 HEL LO 출력 또는 HEL MO(503) 출력 중 하나 또는 모두에 기초하여 HEL LO 조명을 생성한다. 도플러 오프셋의 역수는 EOM(509)에 적용되어 도플러 시프트된 HEL LO(508)에 의해 파생되는 조명(520)을 생성한다. FPA(109)는 도플러 시프트된 HEL LO 조명(520)과 함께 타겟으로부터 반사된 히트스팟(505)의 HEL 귀환(506)을 수신하고, FPA(109)의 적어도 일부 픽셀들에 대한 광 강도 정보가 HEL LO 조명(520)과 HEL 귀환(506)의 간섭에 대응한다. 따라서, FPA(109) 상의 코히어런트 이미지는 타겟(101) 및 히트스팟(505) 모두의 이미지이다.
도 7b는 투사된 레이저 히트스팟에 대한 파면 오차 보정을 포함하는, 본 레이저 빔 투사 시스템의 제2 대안 실시예의 개략도이고, 여기서 파면 보정이 할당(apportioned)된다. 도 7a의 실시예가 가변 거울(702)에 의해 제공되는 모든 파면 오차 보정을 나타내지만, 대안적으로 파면 보정은 다수의 광학 요소들에 할당될 수 있다. 즉, 상이한 광학 요소들이 파면 오차의 상이한 유형 또는 성분에 대해 이용될 수 있다. 파면 오차의 상이한 유형 또는 성분은 팁/틸트 오차 또는 오차 성분, 초점 오차 및 오차 성분, 및 고차 오차 또는 오차 성분을 포함한다. 예를 들어, 도 7b의 다른 실시예(710)에서, 하나 이상의 고속 조향 거울(fast steering mirrors: FSM)(711)들은, 초점 오차가 포커싱 메커니즘(712)에 의해 보정되는 동안 및 고차 오차가 가변 거울(702)에 의해 보정되는 동안, 틸트 오차를 보정할 수 있다. 파면 재구성기(703)(또는, 프로세서(110))에 결합된 드라이버(714)는 파면 오차에 기초하여 FSM(들)(711), DM(702) 및 포커싱 메커니즘(712) 각각에 대한 제어 신호를 생성한다.
전술된 바와 같이, 원격 오브젝트의 이미지를 획득하기 위해 계산된 파면 오차(WFE)는, 원격 오브젝트의 선명한 이미지를 획득하기 위해서 및 위상 프로파일을 변경함으로써 제2 투사 레이저 빔(플러드 조명 레이저와 별개인)의 파면을 조작하기 위해서 모두 이용될 수 있다. 예를 들어, 위상 프로파일의 변경은 도 7a 및 7b에서의 HEL 빔(504)의 파면을 변경함으로써 수행될 수 있다. 이 것은 많은 경우에 바람직하며, 예를 들어, 원격 오브젝트(도 7a 및 7b의 타겟(101)) 상에 고 강도 히트스팟(도 7a 및 7b의 히트스팟(505))을 형성하기 위해 제2 레이저 빔(도 7a 및 7b의 HEL 빔 (504))을 단단히 집속시키려할 때, 원격 객체(도 7a 및 7b의 타겟(101)) 상에 원하는 효과(예를 들어, 융용, 기계적 파괴, 점화 기타 등등)가 달성될 수 있다. 제2 투사 레이저 빔(도 7a 및 7b의 HEL 빔(504))의 파면은 제어 가능하게 뒤틀릴 수 있는 가변 거울(도 7a 및 7b의 가변 거울(702))에 의해 변경될 수 있다. 파면은 또한 포커싱 메커니즘들 및 고속 조향 거울(FSM)들과 같은 다른 광학 요소들을 이용하여 변형될 수 있다. 가변 거울(도 7a 및 7b의 가변 거울(702)), 포커싱 메커니즘(도 7a 및 7b의 포커싱 메커니즘(712)) 및 FSM(s)(711)(도 7a 및 7b의 FSM(711))에 의해 허용된바와 같이, 파면 변화의 모든 유형(집속된 히트스팟으로 이끄는 것뿐만 아니라)이 제공될 수 있다. 코히어런트 이미징의 맥락에서의 파면 변경 프로세스는 원격 오브젝트의 집속된 이미지를 획득하기 위해 이용된다. 레이저 빔 투사의 맥락에서의, 파면 변경 프로세스는 원력 오브젝트에 단단히 히트스팟을 만드는 것을 주로 목표로 하지만, 예를 들어 코히어런트 이미징에서 검출된 동일한 파면 오차의 역수를 적용하거나, 출사되는 레이저 빔에 적용될 다른 표면 오차의 계산에 기초할 수 있다.
도 8는 본 개시의 일 실시예들에 따라 이미지 선명도를 이용하여 투사된 레이저 스팟에 대한 파면 오차 보정을 위한 수차 결정을 도시한다. 도시된 실시예(800)에서, 왼쪽의 시뮬레이션 이미지들(801, 802, 803, 804)는 각각 원격 오브젝트, 단일 FPA 프레임, 플러드 조명과 LO 조명 사이의 간섭을 위한 강도의 단일 프레임, 및 귀환 플러드 조명 및 LO 조명 사이의 간섭을 위한 32 프레임들 이상의 병합(aggregate) 강도 프레임들이다. 시뮬레이션 이미지들(802, 803 또는 804) 중 어느 것도 파면 오차를 받지 않았다. 시뮬레이션 이미지(811)는 파면 에러들이 어떻게 결과 이미지들을 왜곡시키는지를 보여준다. 특히, 시뮬레이션 이미지(811)는 파면 위상 프로파일(910)에 의해 표현된 표면 오차를 겪은 간섭 강도의 32 프레임들을 이용하여 획득된 이미지를 나타낸다. 보정 이미지(813)를 파생시키기 위해, 시뮬레이션 이미지(811)가 선명도를 최대화하는 파면 위상 오차의 계산과 같은 선명도 알고리즘에 의해 프로세스된다. 프로세스의 이러한 유형은 스트렐 비율(Strehl ratio)을 향상시킨다. 예를 들어, 수파 이미지들은 0.27의 스트렐 비율을 나타낼 수 있고, 이는 파면 위상 오차 보정 이후에 0.80이 된다. 파면 위상 프로파일(812)은 추정된 파면 위상 보정을 나타낸다. 30킬로미터(km)의 범위에서 0.125미터(m)의 원형 레이저 빔 투사 개구 직경(d), 1.5 microns (μm)의 플러드 조명 파장 및, 2.0의 샘플링 파라미터(Q)에서의 0.01m의 후라이드 파라미터(Fried parameter)(r0), 0.06m의 각도 분해능 및 50 제르니케스(Zernikes)(d/ r0=12.5)를 이용한 위상 추정 및 32 스페클 구현(speckle realizations)을 가정하면, 1.72 라디안의 제곱 평균(root-mean-square: RMS) WFE가 결정된다. 추정된 파면 위상 보정은 원격 오브젝트(도 7a 및 7b의 타겟(101)) 상에 고 강도 히트스팟(도 7a 및 7b의 히트스팟(505))을 형성하기 위해 제2 투사 빔(도 7a 및 7b의 HEL 빔(504))에 적용된다. 따라서, 제2 투사 레이저 빔(즉, 도 7a 및 7b의 HEL 빔(504))의 파면은 파면 위상 프로파일(812)에 의해 그려진 파면 위상 보정을 가변 거울(도 7a 및 7b의 가변 거울(702))에 적용함으로써 변경될 수 있다. 플러드 조명(즉, 도 7a 및 7b의 플러드 조명(105))의 파장의 차이, 제2 투사 빔(즉, 도 7a 및 7b의 HEL 빔(504))의 차이 및 제2 투사 빔(즉, 도 7a 및 7b의 HEL 빔(504))에 대한 가변 거울(702)의 구조 차이를 수용하기 위해 추정된 파면 위상 보정의 일부 스케일링 및 기하학적 변형이 요구될 수 있다.
도 9a 내지 9c는 본 개시의 일 실시예들에 따라 이미지 선명도를 이용하여 투사된 레이저 히트스팟에 대한 WFE 보정을 도시한다. 원격 오브젝트 이미지들의 이미지 선명도는 스트렐 비율 0.03에서 0.66으로 수정되었다. 적용된 시뮬레이션 WFE는 2.17 라디안(RMS)인 도 9a의 파면 위상 프로파일에 의해 나타난다. 0.3m의 개구 직경, 1.5μm의 플러드 조명 파장, 2.0의 샘플링 파라미터 Q에서 0.03m의 후라이드 파라미터 r0, 0.12m의 각도 분해능, 16개의 스펙클 구현으로 64개의 제르니케 파라미터들을 이용하여 위상 추정 및 옵티마이저 기반의 그라디언트로 1.2의 선명도 지수인 경우, 25km의 범위에서 2.17 라디안의 RMS WFE가 결정된다. 도 9b의 파면 위상 프로파일에 도시된 가변 거울에 적용된 WFE 해법(solution)은 2.12 라디안(RMS)이었다. 도 9c의 파면 위상 프로파일에 도시된 보정 후의 잔여 WFE는 0.65 라디안(RMS)이었다.
모두 함께 모아서, 도 10은 레이저 빔 투사 시스템의 제1 대안적인 실시예 또는 제2 대안적인 실시예 중 하나(또는 둘의 조합)를 이용하여 원격 타겟 상에 투사된 레이저 히트스팟에 대한 파면 오차 보정을 위한 절차(1020)의 개략도이다. 타겟 상의 히트스팟을 이미징하고, 원하는 조준 점으로 걸어가기 위한 선택적인 절차(점선 프로세스 박스들 및 연결 선들로 표시)도 포함되어 있다. 프로세스는 단계(1022)에서 플러드 조명 레이저를 이용하여 타겟의 조명으로 시작한다. 플러드 조명 레이저는 타겟으로부터 뒤쪽으로 산란하고, 단계(1024)에서 부분적으로 도플러 센서 상으로 수신되고, 일부분은 단계(1040)에서 초점면 배열(FPA) 상으로 수신된다. 동시에, 플러드 조명 레이저와 동일한 주 발진기(MO)로부터 파생된 국부 발진기(LO) 조명이 도플러 센서로 지향된다. 도플러 센서 상에 수신된 플러드 조명 레이저 귀환의 일부는 단계(1026)에서 LO 조명을 간섭한다. 단계(1028)에서, 간섭 패턴이 샘플링되고, 도플러 시프트가 계산된다. 단계(1030)에서, 도플러 시프트는 LO에 적용되어 도플러 시프트된 LO를 생성하고, FPA 상으로 지향된다. 단계(1042)에서, FPA 상에 수신된 타겟으로부터의 플러드 조명 레이저 귀환의 일부는 도플러 시프트된 LO 조명을 간섭한다. 단계(1044)에서, 간섭 패턴이 샘플링되고, 레이저 귀환의 파면 위상 프로파일이 계산된다. 이 파면 위상 프로파일은 단계(1046)에서 제2 투사 빔(예를 들어, 고 에너지 빔 - HEL 빔)을 지향시키는 가변 거울에 적용되는 파면 위상 보정을 추정하기 위해 이용된다. 일반적으로, 파면 위상 보정은 파면 위상 프로파일을 반전시킴으로써 추정된다. 이 시점에서, 프로세스는 반복될 수 있거나, 또는 선택적으로 제2 투사 빔의 히트스팟이 원하는 조준 점과 일치시키도록 동일한 FPA 상에 이미징될 수 있다. 선택적 프로세스는 단계(1072)에서, 제2 투사 빔(예를 들어, HEL)으로부터 타겟 귀환을 수신하는 것으로 시작한다. 동시에, 단계(1070)에서, 제2 투사 빔의 레이저 소스와 동일한 주 오실레이터(MO)로부터 파생된 HEL LO 조명은, 도플러 시프트되고, FPA로 지향된다. 단계(1074)에서, 도플러 시프트된 HEL LO 및 제2 빔으로부터의 타겟 귀환(예를 들어, HEL 귀환)은 간섭한다. 도플러 시프트된 LO 조명 및 플러드 조명 레이저 LO 조명은 공간적으로, 각도적으로, 및 스펨트럼적으로 오프셋된다. 따라서, 두 영상들의 프로세스는 동시에 수행될 수 있고, 결과 이미지는 타겟 이미지와 중첩된 HEL 히트스팟 이미지로 구성된다. 단계(1076)에서, 타겟 이미지와 중첩된 히트스팟을 프로세스함으로써 히트스팟 및 원하는 조준 점 사이의 오프셋이 계산된다. 단계(1078)에서, 오프셋은 가변 거울의 전체 기울기 또는 하나 이상의 고속 조향 거울(FSM)의 설정을 변경하여 히트스팟이 원하는 조준 점을 "걷는"데 이용된다.
본 출원의 설명은 임의의 특정 요소, 단계, 또는 기능이 청구 범위에 포함되어야하는 필수 요소 또는 중요 요소임을 암시하는 것을 해석되어서는 안된다. 특허된 주제의 범위는 허여된 청구범위에 의해서만 정의된다. 더욱이, 이들 청구범위 중 청구항에 "수단" 또는 "단계적으로"라는 정확한 단어가 명시적으로 사용된 경우를 제외하고는 어느 것도 첨부된 청구 범위 또는 청구항 요소 중 어느 하나와 관련하여 35 USC §112(f)가 적용되지 않으며, 그 다음에 기능을 식별하는 분사 구문이 뒤 따른다. "메커니즘", "모듈", "장치", "유닛", "요소", "구성", "부재", "장비", "기계", "시스템", "프로세서" 또는 "콘트롤러"라는 용어(제한되지 않음)는 청구 범위 자체의 특징에 의해 추가로 수정되거나, 강화된 관련 기술의 당업자에게 공지된 구조를 의미하는 것으로 이해되고, 의도되는 것이며, 35 USC §112(f)를 적용시키 위한 것이 아니다.

Claims (24)

  1. 레이저 빔 투사 시스템은,
    원격 오브젝트 방향으로 지향된 코히어런트 플러드 조명(coherent flood illumination)을 생성하는 플러드 조명 소스 - 상기 코히어런트 플러드 조명은 주 발진기(master oscillator: MO)의 출력으로부터 파생됨 -;
    국부 발진기(local oscillator: LO)의 출력으로부터 파생된 LO 조명을 생성하는 국부 발진기 조명 소스 - 상기 LO의 출력은 상기 MO의 출력으로부터 파생됨 -;
    상기 LO 조명 및 상기 원격 오브젝트에서 반사된 상기 코히어런트 플러드 조명을 포함하는 귀환 조명(return illumination)의 제1 부분을 수신하는 도플러 센서;
    상기 도플러 센서의 출력에 기초하여, 상기 레이저 빔 투사 시스템에 대한 상기 원격 오브젝트의 종 방향 속도에 대응하는 도플러 시프트(Doppler shift)에 대한 도플러 시프트 데이터를 생성하는 적어도 하나의 프로세서;
    상기 LO의 출력 및 상기 도플러 시프트 데이터로부터 파생된 도플러-시프트된 LO 조명을 생성하는 도플러-시프트된 LO 조명 소스;
    고 에너지 레이저(high energy laser: HEL) MO의 출력으로부터 파생된 HEL 빔을 생성하는 HEL 소스;
    HEL 빔을 상기 HEL 소스로부터 상기 원격 오브젝트 방향으로 지향시키는 가변 거울; 및
    상기 귀환 조명의 제2 부분 및 상기 도플러-시프트된 LO 조명을 수신하는 초점면 배열(focal plane array)
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 초점면 배열로부터 광 강도 데이터를 수신하고,
    상기 광 강도 데이터에 기초하여 상기 원격 오브젝트의 이미지를 생성하고,
    상기 원격 오브젝트의 이미지에 기초하여 상기 귀환 조명의 파면 위상 프로파일을 결정하고,
    상기 결정된 파면 위상 프로파일 및 상기 원격 오브젝트 상에 상기 HEL 빔의 원하는 파면 위상 프로파일 간의 비교에 기초하여 파면 오차를 계산하고,
    상기 계산된 파면 오차에 대해 상기 HEL 빔을 적어도 부분적으로 보상하도록 상기 가변 거울을 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 HEL 빔에 의해 상기 원격 오브젝트 상에 형성된 고 강도 히트스팟(hitspot)을 조정하도록 상기 가변 거울을 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 HEL MO의 출력, 또는 상기 HEL MO의 출력으로부터 파생된 HEL LO의 출력으로부터 파생된 HEL LO 조명을 생성하는 HEL LO 조명 소스, 및
    상기 HEL LO의 출력 및 상기 도플러 시프트 데이터로부터 파생된 도플러-시프트된 HEL LO 조명을 생성하는 도플러-시프트된 HEL LO 조명 소스,
    를 더 포함하고,
    상기 초점면 배열은 상기 도플러-시프트된 HEL LO 조명 및 상기 원격 오브젝트로부터 반사된 HEL 빔을 포함하는 HEL 귀환 조명의 적어도 일부를 수신하는,
    상기 초점면 배열의 적어도 일부 픽셀들에 대한 광 강도 데이터는 상기 도플러 시프트된 HEL LO 조명과 상기 HEL 귀환 조명에 대응하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 원격 오브젝트 상의 조준 점(aim point)에서 상기 HEL 빔에 의해 형성된 HEL 고 강도 히트스팟의 강도 프로파일 또는 위치를 변경하도록 상기 가변 거울을 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서는 상기 귀환 조명의 상기 파면 위상 프로파일을 결정하기 위해 선명도 알고리즘(sharpness algorithm)을 상기 원격 오브젝트의 상기 이미지에 적용하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 HEL 빔을 상기 원격 오브젝트 방향으로 향하게 하는 하나 이상의 고속 조향 거울들(fast steering mirrors); 및
    상기 HEL 빔을 상기 원격 오브젝트 상에 집속시키는 초점 메커니즘(focus mechanism)
    을 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 하나 이상의 고속 조향 거울들의 경사를 제어하고, 상기 계산된 파면 오차에 대한 상기 HEL 빔을 부분적으로 보상하기 위해 상기 초점 메커니즘의 초점 설정을 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 파면 오차를 별개의 경사 성분, 초점 성분 및 고차 성분들로 분해하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 파면 오차의 상기 경사 성분에 따라 상기 하나 이상의 고속 조향 미러들을 제어하고, 상기 파면 오차의 상기 초점 성분에 따라 상기 초점 메커니즘을 제어하고, 상기 파면 오차의 상기 고차 성분들에 따라 상기 가변 거울을 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 파면 오차의 상기 경사 성분, 상기 초점 성분 및 상기 고차 성분들에 따라 상기 가변 거울을 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 광 강도 데이터가 상기 도플러 시프트된 HEL LO 조명과 상기 HEL 귀환 조명의 간섭에 대응하는 상기 픽셀들의 위치에 기초하여 상기 원격 오브젝트 상의 상기 HEL 빔의 위치를 변경하도록 상기 가변 거울을 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 원격 오브젝트 방향으로 상기 HEL 빔을 지향시키는 하나 이상의 고속 조향 거울들
    을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 광 강도 데이터가 상기 도플러-시프트된 HEL LO 조명과 상기 HEL 귀환 조명의 간섭에 대응하는 상기 픽셀들의 위치에 기초하여 상기 원격 오브젝트 상의 상기 HEL 빔의 위치를 변경하기 위해 상기 하나 이상의 고속 조향 거울들을 더 제어하는,
    레이저 빔 투사 시스템.
  13. 레이저 빔 투사 방법은,
    플러드 조명 소스를 이용하여 원격 오브젝트 방향으로 지향된 코히어런트 플러드 조명(coherent flood illumination)을 생성하는 단계 - 상기 코히어런트 플러드 조명은 주 발진기(master oscillator: MO)의 출력으로부터 파생됨 -;
    국부 발진기(local oscillator: LO) 조명 소스를 이용하여 LO의 출력으로부터 파생된 LO 조명을 생성하는 단계 - 상기 LO의 출력은 상기 MO의 출력으로부터 파생됨 -;
    도플러 센서에서, 상기 LO 조명 및 상기 원격 오브젝트에서 반사된 상기 코히어런트 플러드 조명을 포함하는 귀환 조명의 제1 부분을 수신하는 단계;
    상기 도플러 센서의 출력에 기초하여, 코히어런트 이미징 시스템에 대한 상기 원격 오브젝트의 종 방향 속도에 대응하는 도플러 시프트(Doppler shift)에 대한 도플러 시프트 데이터를 생성하는 단계;
    도플러-시프트된 LO 조명 소스를 이용하여 상기 LO의 출력 및 상기 도플러 시프트 데이터로부터 파생된 도플러-시프트된 LO 조명을 생성하는 단계;
    고 에너지 레이저(high energy laser: HEL) 소스를 이용하여, HEL MO의 출력으로부터 파생된 HEL 빔을 생성하는 단계;
    상기 HEL 빔을 상기 HEL 소스로부터 상기 원격 오브젝트 방향으로 지향시키는 가변 거울을 이용하는 단계;
    초점면 배열(focal plane array)에서, 상기 귀환 조명의 제2 부분 및 상기 도플러-시프트된 LO 조명을 수신하는 단계
    적어도 하나의 프로세서를 이용하여, 상기 초점면 배열로부터 광 강도 데이터를 수신하는 단계;
    상기 프로세서를 이용하여, 상기 광 강도 데이터에 기초하여 상기 원격 오브젝트의 이미지를 생성하는 단계;
    상기 프로세서를 이용하여, 상기 원격 오브젝트의 이미지에 기초하여 상기 귀환 조명의 파면 위상 프로파일을 결정하는 단계;
    상기 프로세서를 이용하여, 상기 결정된 파면 위상 프로파일 및 상기 원격 오브젝트 상에 상기 HEL 빔의 원하는 파면 위상 프로파일 간의 비교에 기초하여 파면 오차를 계산하는 단계; 및
    상기 프로세서를 이용하여, 상기 계산된 파면 오차에 대해 상기 HEL 빔을 적어도 부분적으로 보상하도록 상기 가변 거울을 제어하는 단계
    를 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가변 거울을 제어하는 단계는,
    상기 HEL 빔에 의해 상기 원격 오브젝트 상에 형성된 고 강도 히트스팟(hitspot)을 조정하는 것인,
    레이저 빔 투사 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    HEL LO 조명 소스를 이용하여 상기 HEL MO의 출력, 또는 상기 HEL MO의 출력으로부터 파생된 HEL LO의 출력으로부터 파생된 HEL LO 조명을 생성하는 단계;
    상기 HEL LO의 출력 및 상기 도플러 시프트 데이터로부터 파생된 도플러-시프트된 HEL LO 조명을 생성하기 위해 도플러-시프트된 HEL LO 조명 소스를 이용하는 단계; 및
    상기 초점면 배열에서 상기 도플러-시프트된 HEL LO 조명 및 상기 원격 오브젝트로부터 반사된 HEL 빔을 포함하는 HEL 귀환 조명의 적어도 일부를 수신하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 초점면 배열의 적어도 일부 픽셀들에 대한 광 강도 데이터는 상기 도플러-시프트된 HEL LO 조명과 상기 HEL 귀환 조명에 대응하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 도플러-시프트된 HEL LO 조명과 상기 HEL 귀환 조명의 간섭에 대응하는 상기 초점면 배열의 상기 픽셀들 및 상기 원격 오브젝트 상의 원하는 조준 점의 위치에 대응하는 픽셀들 간의 오프셋을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 오프셋을 최소화하도록 상기 가변 거울을 제어하는 단계
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 가변 거울을 제어하는 단계는 상기 원격 오브젝트 상의 조준 점에서 상기 HEL 빔에 의해 형성된 HEL 고 강도 히트스팟의 프로파일 또는 위치를 변경하는 것인,
    레이저 빔 투사 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 귀환 조명의 상기 파면 위상 프로파일을 결정하기 위해 선명도 알고리즘(sharpness algorithm)이 상기 원격 오브젝트의 상기 이미지에 적용되는,
    레이저 빔 투사 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    하나 이상의 고속 조향 거울들을 이용하여 HEL 빔을 상기 원격 오브젝트 방향으로 지향시키는 단계; 및
    초점 메커니즘을 이용하여 HEL 빔을 원격 오브젝트 상에 집속시키는 단계
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고속 조향 거울들의 경사를 제어하고, 상기 계산된 파면 오차에 대한 HEL 빔을 부분적으로 보상하기 위해 상기 초점 메커니즘의 초점 설정을 제어하기 위해 상기 적어도 하나의 프로세서를 이용하는 단계
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 파면 오차를 별개의 경사 성분, 초점 성분 및 고차 성분들로 분해하기 위해 상기 적어도 하나의 프로세서를 이용하는 단계
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 파면 오차의 상기 경사 성분에 따라 상기 하나 이상의 고속 조향 미러들을 제어하고, 상기 파면 오차의 상기 초점 성분에 따라 상기 초점 메커니즘을 제어하고, 상기 파면 오차의 상기 고차 성분들에 따라 상기 가변 거울을 제어하기 위해 상기 적어도 하나의 프로세서를 이용하는 단계
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 파면 오차의 상기 경사, 상기 초점 및 상기 고차 성분들에 따라 상기 가변 거울을 제어하기 위해 상기 적어도 하나의 프로세서를 이용하는 단계
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 도플러-시프트된 HEL LO 조명과 상기 HEL 귀환 조명의 간섭에 대응하는 상기 초점면 배열의 픽셀들 및 상기 원격 오브젝트 상에 원하는 조준 점의 위치에 대응하는 픽셀들 간의 오프셋을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 오프셋을 최소화하기 위해 상기 원격 오브젝트 방향으로 상기 HEL 빔을 지향시키는 하나 이상의 고속 조향 거울을 제어하는 단계
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 투사 방법.
KR1020187022864A 2016-03-16 2016-11-17 동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템 KR102059322B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/072,214 2016-03-16
US15/072,214 US10401499B2 (en) 2016-03-16 2016-03-16 Laser beam projection system with dynamic phase compensation
PCT/US2016/062624 WO2017160352A1 (en) 2016-03-16 2016-11-17 Laser beam projection system with dynamic phase compensation

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197037114A Division KR102191688B1 (ko) 2016-03-16 2016-11-17 동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180103096A KR20180103096A (ko) 2018-09-18
KR102059322B1 true KR102059322B1 (ko) 2019-12-26

Family

ID=57485935

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197037114A KR102191688B1 (ko) 2016-03-16 2016-11-17 동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템
KR1020187022864A KR102059322B1 (ko) 2016-03-16 2016-11-17 동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197037114A KR102191688B1 (ko) 2016-03-16 2016-11-17 동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템

Country Status (7)

Country Link
US (2) US10401499B2 (ko)
EP (1) EP3430425B1 (ko)
JP (1) JP6600754B2 (ko)
KR (2) KR102191688B1 (ko)
CN (1) CN108780152A (ko)
IL (1) IL259733B (ko)
WO (1) WO2017160352A1 (ko)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10996336B2 (en) 2016-01-05 2021-05-04 Raytheon Company System for coherent imaging in dynamic engagements
DE102018100891A1 (de) * 2018-01-16 2019-07-18 Rheinmetall Waffe Munition Gmbh Hochleistungslaser, insbesondere Laserwaffe
FR3076958B1 (fr) * 2018-01-18 2021-12-03 Compagnie Ind Des Lasers Cilas Procede et systeme d'ajustement de profil d'un front d'onde laser
US10778912B2 (en) * 2018-03-31 2020-09-15 Open Water Internet Inc. System and device for optical transformation
CN108594256B (zh) * 2018-04-16 2021-10-12 夏和娣 一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达
US10594976B1 (en) 2019-01-25 2020-03-17 Government Of The United States, As Represented By The Secretary Of The Air Force Wide field of view (FOV) projection system and associated methods
US10914825B2 (en) 2019-03-15 2021-02-09 Raytheon Company Technique for reducing impact of backscatter in coherent laser detection and ranging (LADAR) systems
DE102019003325B3 (de) * 2019-05-10 2020-07-09 Bundesrepublik Deutschland, vertr. durch das Bundesministerium der Verteidigung, vertr. durch das Bundesamt für Ausrüstung, Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems
ES2930626T3 (es) * 2019-12-11 2022-12-20 Dolby Laboratories Licensing Corp Sistema de proyección y método de control de un sistema de proyección
US11536543B2 (en) * 2020-01-27 2022-12-27 Raytheon Company Directed energy (DE) weapon and passive millimeter wave (PmmW) imager for target tracking
CN112040116B (zh) * 2020-07-20 2022-07-29 清华大学 基于分孔径选通型相机的非视域动态成像方法及装置
CN112083227B (zh) * 2020-08-27 2021-05-14 电子科技大学 一种基于fpa的i/q失衡相位误差补偿方法
US11435454B2 (en) * 2020-09-04 2022-09-06 Ours Technology, Llc Beam walkoff mitigation for light detection and ranging
CN113777777A (zh) * 2021-03-12 2021-12-10 中国人民解放军国防科技大学 一种具有激光防御功能的光电成像系统
KR20240000520A (ko) * 2021-04-23 2024-01-02 레이던 컴퍼니 타겟 추적 시스템

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0856041A (ja) * 1994-08-10 1996-02-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ位相歪み補正方法
US5780838A (en) 1996-04-02 1998-07-14 Trw Inc. Laser crossbody tracking system and method
US5780839A (en) 1996-04-02 1998-07-14 Trw Inc. Laser crossbody and feature curvature tracker
US5900620A (en) 1997-08-27 1999-05-04 Trw Inc. Magic mirror hot spot tracker
US5973309A (en) 1997-08-27 1999-10-26 Trw Inc. Target-tracking laser designation
US6343766B1 (en) 1997-08-27 2002-02-05 Trw Inc. Shared aperture dichroic active tracker with background subtraction
US6115123A (en) * 1999-04-12 2000-09-05 Northrop Grumman Corporation Holographic laser aimpoint selection and maintenance
JP2000338246A (ja) * 1999-05-28 2000-12-08 Mitsubishi Electric Corp コヒーレントレーザレーダ装置
US6872960B2 (en) 2001-04-18 2005-03-29 Raytheon Company Robust infrared countermeasure system and method
US7342651B1 (en) * 2004-12-27 2008-03-11 Northrop Grumman Corporation Time modulated doublet coherent laser radar
US7405834B1 (en) * 2006-02-15 2008-07-29 Lockheed Martin Corporation Compensated coherent imaging for improved imaging and directed energy weapons applications
US7626152B2 (en) 2006-08-16 2009-12-01 Raytheon Company Beam director and control system for a high energy laser within a conformal window
US8068235B1 (en) 2007-07-24 2011-11-29 Lockheed Martin Corporation Systems and methods for multi-function coherent imaging
US8218589B1 (en) 2008-07-28 2012-07-10 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force High-energy laser atmospheric compensation and aimpoint maintenance
US8415600B2 (en) 2009-03-27 2013-04-09 Optical Physics Company Laser beam control system and method
US8793064B2 (en) 2009-12-10 2014-07-29 International Business Machines Corporation Vehicle fuel efficiency optimization based on vehicle usage patterns
US8755036B2 (en) 2010-03-11 2014-06-17 Optical Physics Company Active imaging system and method
US8362410B2 (en) 2010-07-26 2013-01-29 Raytheon Company Source-independent beam director and control system for a high-energy electromagnetic radiation source
LU91714B1 (en) * 2010-07-29 2012-01-30 Iee Sarl Active illumination scanning imager
US8748857B2 (en) 2010-08-26 2014-06-10 Raytheon Company System for automatic alignment, stabilization, and focus for an off-axis telescope using biased angle sensors
CN102854511A (zh) * 2012-09-25 2013-01-02 中国电子科技集团公司第十一研究所 全光纤光频率调制激光多普勒测速系统
JP5611490B1 (ja) * 2012-12-26 2014-10-22 シチズンホールディングス株式会社 投影装置
CN103163530B (zh) * 2013-04-02 2014-10-15 哈尔滨工业大学 相位调制直接探测激光多普勒测速仪及其测速方法
CN104034416B (zh) 2014-05-21 2016-08-17 中国科学院西安光学精密机械研究所 高动态范围激光远场焦斑测量装置及方法
US10996336B2 (en) 2016-01-05 2021-05-04 Raytheon Company System for coherent imaging in dynamic engagements
US10502951B2 (en) 2016-06-07 2019-12-10 Raytheon Company High-performance beam director for high-power laser systems or other systems

Also Published As

Publication number Publication date
US10754038B2 (en) 2020-08-25
KR102191688B1 (ko) 2020-12-16
US20170269214A1 (en) 2017-09-21
IL259733B (en) 2021-09-30
CN108780152A (zh) 2018-11-09
JP6600754B2 (ja) 2019-10-30
US10401499B2 (en) 2019-09-03
EP3430425B1 (en) 2019-10-30
WO2017160352A1 (en) 2017-09-21
IL259733A (en) 2018-07-31
US20190265362A1 (en) 2019-08-29
KR20190141794A (ko) 2019-12-24
KR20180103096A (ko) 2018-09-18
EP3430425A1 (en) 2019-01-23
JP2019509637A (ja) 2019-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102059322B1 (ko) 동적 위상 보상을 가진 레이저 빔 투사 시스템
US11874378B2 (en) System for coherent imaging in dynamic engagements
US11672420B2 (en) System and method for tracking motion
US10502951B2 (en) High-performance beam director for high-power laser systems or other systems
US9541635B2 (en) Laser phase diversity for beam control in phased laser arrays
US8716677B2 (en) Wavefront correction of light beam
US8941042B2 (en) Multi-beam laser beam control and imaging system and method
CA2802784C (en) Method and apparatus for compensating for a parameter change in a synthetic aperture imaging system
CA2802790C (en) Method and apparatus for determining a doppler centroid in a synthetic aperture imaging system
US9329381B1 (en) Target feature integrated laser field and amplifier compensation system
US8755036B2 (en) Active imaging system and method
US6674519B2 (en) Optical phase front measurement unit
US4792231A (en) Laser speckle imaging
JP7438555B2 (ja) 三次元計測方法および三次元計測装置
WO2001084250A1 (fr) Procede de prises de vues holographiques a grande resolution

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
A107 Divisional application of patent
GRNT Written decision to grant