KR20000069252A - 동적 광 보정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미사일 탐색기의 광 경로로 수차를 동적으로 보정 또는 유도하기 위한 프로그래밍 가능한 광학 시스템(50)에 관한 것이다. 이 시스템은 수차의 양과 유형이 미사일이 비행하는 동안에 변경될 수 있다는 면에서 동적이다. 이 동적 보정은 미사일 탐색기의 광 경로 내의 경량 미러(80) 또는 미러에 가해지는 변형에 의해 이루어진다. 이 미사일은 비구면 돔(60)을 포함하며, 탐색 시스템이 관련 필드를 통해 이동함에 따라 광학 시스템은 돔에 의해 유도된 수차를 동적으로 보상한다.

Description

동적 광 보정기{DYNAMIC OPTICAL CORRECTOR}

종래의 광 센서는 비, 습기 등과 같은 환경적인 영향으로부터 광학 시스템을 보호하기 위해 구형 돔 및 평탄한 윈도우를 이용한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "컨포멀(conformal)" 광학은 첫째로 사용 환경을 고려하고 둘째로 광학적 촬상 특성을 고려하여 설계된 광학 시스템을 설명하는 것이다. 따라서, 공기 역학적 성능 문제, 예를 들어, 공기 역학적 항력(aerodynamic drag)의 감소, 미사일 속도의 증가, 및 동작 범위 연장 등을 위해 미사일 및 공중 화기 제어 시스템을 위한 컨포멀 돔 및 윈도우가 추구되고 있으며, 이는 보다 형태가 연장된 매우 비구면의 돔 형상으로 귀착되고 있다.

이러한 매우 비구면인 표면의 장점은 이들이 전송되는 광파 전단부에서 생성하는 큰 수차이다. 게다가, 등각 표면의 고유의 비대칭성은 그것이 관련 필드를 가로질러 짐벌(gimbal)됨에 따라 광 센서에 존재하는 수차량(aberration content)의 변동을 야기한다. 이러한 2가지 요인은 관심있는 대상을 적절하게 촬상하는 센서의 능력을 저하시키므로 전체 시스템의 성능을 손상시키게 된다. 따라서, 적절한 광학적 촬상 능력을 회복시키는 동적 수차 보정 기술이 개발되지 않는다면 컨모멀 돔 및 윈도우의 공기 역학적 장점은 실현될 수 없다.

예를 들어, 화상 정규화의 목적으로 영상을 흐리게 하는 광학 미사일 탐색기의 디포커스 소자(defocus elements)로서 플렉시블 미러(flexible mirrors)가 사용되어 왔다. 변형 가능한 미러가 천체 망원경의 적응 광학 소자로서 사용되어 왔다. 미국 특허 제4,773,748호는 투사 시스템과 같은 응용 분야에 사용하기 위한 동적 제어 변형 가능한 미러(dynamically controlled deformable mirrors)를 개시하고 있다.

〈발명의 요약〉

상이한 수차 유형들과 이들 수차의 가변량을 미사일 탐색기에 도입하는 기능을 갖는 동적 광 보정기가 설명된다. 상기 가변 수차는 변형 가능한 미러 또는 미러들을 사용하여 도입된다. 미러(들)의 형태는 최적 화질을 제공하도록 변경된다. 이는 광학 시스템이 돔 내의 짐벌 위치에 따라 수차의 가변량을 유도하는 컨포멀 돔으로 사용되도록 한다. 컨포멀 광학 돔은 이들이 관련 필드를 가로질러 변화하는 다량의 수차를 유도하기 때문에 과거에는 사용되지 않았다. 또한, 동적 광 보정기는 동적 보정을 필요로 하는 다른 탐색기 설계에도 사용될 것이다. 이는 동적 포커스 요구를 포함한다.

본 발명은 광 수차(optical correction aberrations)를 보상하기 위한 광 보정 시스템에 관한 것으며, 특히 미사일 탐색기와 같은 장치의 광 경로로 수차를 동적으로 보정 또는 유도하는 프로그래밍 가능한 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예에 대한 상세한 설명을 참조함으로써 보다 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 미사일 탐색 시스템을 도시한 도면.

도 2는 도 1의 탐색 시스템의 구성 요소의 개략적인 블럭도.

도 3은 제1 개루프 모드의 동작에서 작동하는 도 2의 시스템의 개략적인 블럭도.

도 4는 제2 피드백 루프 모드의 동작에서 작동하는 도 2의 시스템의 개략적인 블럭도.

도 5는 미사일 탐색기의 조립 시에 부품 및 조립 허용 오차를 보상하기 위해 동적 광 보정기를 사용하는 것을 도시한 처리 흐름도.

본 발명에 따른 미사일 탐색기를 위한 동적 광 보정기는 경량의 프로그래밍 가능하고 변형 가능한 미러(low-mass, programmable, deformable mirror)를 전통적인 고정된 광 소자들과 결합하여 미사일 탐색기에서 동적으로 수차를 보정 또는 유도한다. 소망의 형태의 변형 가능한 미러가 프로그래밍, 계산, 또는 측정되어 미러가 소망의 형태로 변형된다. 적절한 보정 형태는 2가지 모드에서 사용될 수 있다. 제1 모드에서는, 시스템 정보, 예를 들어, 짐벌 위치(포인팅 각: pointing angle), 돔의 온도, 및 발사 후의 시간을 기초로 하여, 나머지 광학 시스템으로부터 얻어진 특성에 응답하여 미러가 형태를 이루게 된다. 한 세트의 동작 파라미터에 대한 특정한 변형은 정형적으로 미리 계산될 것이고, 온보드 메모리 내에 데이타로서 저장되어 온보드 프로세서에 의해 억세싱될 것이다. 제2 모드에서는, 센싱된 화상으로부터 실시간으로 얻어진 정보에 응답하는 피드백 루프에서 미러의 형태가 결합된다.

미러 변형은 정전기력, 자기력, 압전 소자, 또는 다른 수단에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 목적에 적합한 변형 가능한 미러 및 미러 액추에이터는 본 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, Vdovin 등의 "Technology and applications of micromachined silicon adaptive mirrors", Opt. Eng. 36(5), 1997년 5월, 1382-1390쪽; 및 Roggeman 등의 "Use of micro-electro-mechanical deformable mirrors to control aberrations in optical systems: theoretical and experimental results", Opt, Eng. 36(5), 1997년 5월, 1326-1338 페이지를 참조한다. 양호하게, 미러는 작은 직경의 미러 표면을 갖고, 박막 재료로 이루어진다. 예시적인 미사일 탐색기 응용을 위해서, 예를 들어, 미러 직경은 약 1 cm이고 1 내지 2 미크론의 두께를 가질 수 있으며, 미러는 알루미늄 또는 은과 같은 반사 재료로 코팅한 실리콘으로 제조될 수 있다.

다른 광 소자에 대한 미러의 배치는 설계 명세 및 최종적인 광학 규정에 따르며, 정확한 위치는 최종의 화질에 대해 최적화된다. 변형 가능한 미러는 예를 들어, 2미러 전반사 또는 카타디옵트릭 망원경(catadioptric telescope) 설계로 제2 미러의 위치에 배치될 수 있다. 또한, 제1 미러의 위치에 배치되거나, 제1 및 제2 미러 상에 2개의 변형 가능한 미러를 결합하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 또는 다른 견고한 고강도 재료로 제조될 수 있는 미사일 몸체 또는 기체(40A) 갖는 소자(40)로서 일반적으로 표시된 공중 미사일 내에 장착된 동적 광 보정기를 채용한 미사일 탐색기 시스템의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 탐색기 시스템(50)은 황화 아연, 사파이어, 불화 마그네슘, 또는 예를 들어 적외선 내에서 입사파 전단부에 대해 투명한 BK7과 같은 재료로 제조되는 컨포멀 돔(60)을 포함한다. 관심있는 특정한 스펙트럼 대역은 응용에 따르며, 자외선으로부터 적외선의 범위일 수 있다. 본 실시예에서는, 시스템이 화상 광을 광 중계 시스템(90)으로 향하게 하는 망원경을 함께 형성하는 제1 미러(70) 및 제2 미러(80)를 더 포함한다. 중계 시스템은 차례로 망원경 바로 뒤의 광 경로로부터의 화상을 초점면(92)으로 중계한다. 본 실시예에서, 평면 센서 어레이(94)는 판독되어 탐색기 화상 처리기(102)에 의해 사용될 수 있는 화상을 생성하기 위한 화상면(92)에 배치된다. 미러들(70 및 80)은 시스템(50)을 위해 일반적으로 기준(74)으로 표시된 시야를 설정한다. 본 발명에 따르면, 제2 미러(80)는 변형 가능한 미러일 수 있다.

도 2는 시스템(50)의 개략적인 형태를 도시하고 있다. 미러들(70 및 80), 광학 시스템(90), 및 센서(94)는 짐벌 포인트(96)에 대해 짐벌 이동(gimbaled movement)을 위해 지원된 한 세트의 짐벌 구성 요소들(110)을 포함한다. 짐벌 매카니즘(120)은 제어기(100)로부터의 배치 명령(positioning commands)에 응답하여 이들 소자들을 이동시키는 배치 매카니즘을 포함한다. 이는 시야의 전범위에 걸쳐 센서(94)를 배치하는 능력을 제공한다. 미러 및 센서가 짐벌 이동 범위에 걸쳐 짐벌됨에 따라 시야의 커버리지의 전체 필드는 시스템의 관련 필드를 정의한다. 화상 처리기(102)는 센서(94)로부터 화상 데이타를 수신하며, 탐색 시스템의 일부이며, 그 출력은 탐색 시스템에서 전형적인 방식으로 사용된다. 부가적으로, 화상 처리기(102)는 다음에 보다 상세히 설명되는 방식으로 제어기에 의해 사용되는 광학 수차들의 유형 및 강도를 나타내는 데이타를 제공하는 기능을 수행한다.

컨포멀 돔(60)에 의해 유도된 상이한 수차들에 대한 광학적 보상을 제공하기 위해, 센서가 짐벌에 의해 상이한 위치에 배치들에 배치되거나, 다른 동작 조건들이 변경됨에 따라, 제어기(100)는 보정 명령을 보정 액추에이터들(82)에 제공하여 미러(80)를 변형시킨다. 이러한 미러 변형은 정전력, 자기력, 압전 소자, 또는 다른 수단에 의해 이루어질 수 있다.

적절한 보정 형태가 2가지 모드에서 사용될 수 있다. 제1 모드에서는 나머지의 광학 시스템으로부터 얻어진 특성에 응답하여 미러가 형태를 이루게 된다. 이러한 특성의 몇가지 예는 발사 후의 시간, 돔 온도, 및 짐벌 각이다. 제1 모드의 동작은 도 3에 개략적인 형태로 도시되어 있다. 이 모드는 개루프 동작 모드이며, 제어기(100)가 짐벌 위치, [온도 센서(도시 생략)로부터] 돔 온도, 및 발사 후의 시간을 특정하는 데이타 신호들을 수신한다. 이들 데이타로부터, 제어기는 조건들의 세트에 대응하는 미러 변형을 결정하고, 미러 액추에이터들을 제어하도록 미러 변형 명령을 생성하여 미러를 변형시킨다. 광학 시스템 특성의 주어진 세트에 대한 미러 변형 명령들이 미리 결정되어, 판독용 메모리 내의 룩업 테이블(lookup table) 내에 저장될 수 있다. 다르게는, 제어기(100)는 실시간으로 필요한 변형 명령을 연산하도록 프로그래밍될 수 있다.

제2 모드에서, 미러의 형태는 센서(94)로부터 계산으로 얻어진 화상 정보에 응답하는 피드백 루프 내에 결합된다. 이 모드는 이 모드는 도 4의 개략적인 블럭도에 도시되어 있으며, 화상 처리기(102)는 센서 데이타에 응답하고, 화상의 광학적 수차들의 유형 및 크기를 결정하는 추가 기능을 수행한다. 화상 처리기(102)는 이들 광학적 수차들을 나타내는 데이타를 제어기(100)에 전달한다. 다음에, 제어기는 이들 데이타를 번역하여 미러 변형 명령들을 생성하여 화상 처리기에 의해 결정된 광학적 수차들을 보상하도록 미러 액추에이터들(82)을 제어한다.

변형 가능한 미러에 대한 제어 신호를 얻기 위해 화상 정보를 사용하는 한 가지 방법은 소위 "위상 다이버시티(phase diversity)"이다. 이 방법은 Paxman, R. G., Schultz, T.J., 및 Fienup, J. R.에 의한 "Joint Estimation of Object and Aberrations by using Phase Diversity", J. Opt. Soc. Am. A9, no. 7, pp. 1072-1085, 1992에 개시되어 있다. 이 방법은 초점내 화상과 초점외 화상(in- and out-of-focus images)을 사용하여 초점내 화상과 초점외 화상은 화상 수집 시간 동안에 2가지 상이한 초점 위치를 나타내도록 변형 가능한 미러에 명령함으로써 얻어질 것이다.

본 발명에 따른 동적 광 보정기의 응용은 기준에 대해 최적화된 형태, 예를 들어, 광학적 성능이 아닌 공기 역학적인 컨포멀 돔 또는 윈도우로의 사용을 포함한다. 통상적으로 미사일 돔은 화질을 최적화하기 위해 구형으로 제작되어 왔다. 컨포멀 돔(conformal dome)은 관련 필드를 가로지르는 수차의 양 및 유형을 변화시키므로 동적 수차 보정을 필요로 한다. 본 발명에 따른 가변 미러는 동적 수차 보정을 허용하며 미사일 시스템에서 컨포멀 돔을 사용하는 것을 허용한다.

과거에 미사일 탐색기는 비교적 작은 허용 오차를 갖도록 설계되었다. 탐색기용 부품들은 작은 허용 오차 사양에 따라 제조되며, 작은 허용 오차 사양에 맞는지를 판정하기 위해 검사된다. 부품들이 허용 오차 사양에 맞는 경우, 탐색기 부품은 조립되고 정렬된다. 그 다음, 탐색기는 성능 사양에 맞는지를 판정하기 위해 검사되며, 맞지 않는 경우에 탐색기는 부분적으로 해체되며, 부품이 교체 및/또는 재정렬된 후 재조립된다. 탐색기는 성능 사양에 맞는지를 판정하기 위해 다시 검사되며, 맞지 않는 경우에 다시 부분적으로 해체되고 재정렬되어야 한다. 탐색기는 성능 사양에 맞는 것이 확인된 후에만 미사일과 합체된다. 이러한 과정은 많은 시간을 요하며, 작은 허용 오차 때문에 부품들의 제조 비용이 증가하게 된다.

본 발명의 한 특징에 따른 동적 광학 보정기는 광학 규정이 제작시 부품들의 불완전한 매칭을 보상하도록 조정될 수 있게 한다. 이것은 돔 및 윈도우와 같은 광학 부품이 지루한 수동 재집광 절차없이 교환될 수 있게 한다. 광학 성능은 대신 소프트웨어에 의해 제어될 수 있으며, 결과적으로 검사 및 조정이 자동화된다. 이것은 도 5의 순서도를 참조하여 설명된다. 단계 202에서, 탐색기는 공지된 설계 과정의 경우보다 상대적으로 큰 허용 오차를 갖도록 설계된다. 단계 204에서 부품들은 더 작은 허용 오차에 따라 제조된다. 단계 206에서 부품들이 조립되고 정렬된다. 단계 208에서 탐색기가 검사되어, 탐색기가 성능 사양에 맞는 데 필요한 가변 미러 보정이 결정된다. 그 다음, 가변 미러 제어기가 결정된 탐색기의 수차를 보상하도록 프로그래밍되어, 탐색기가 성능 사양에 맞도록 보장한다. 그 다음, 탐색기가 미사일과 합체된다. 본 발명의 따른 동적 광학 보정기의 사용의 결과, 탐색기 공정은 비용이 적게 들고, 더 적은 공정 단계에 의해 완성될 수 있다.

본 발명에 따른 동적 광학 보정기는 컨포멀 돔이 동작에 기초하여 사용될 수 있게 한다. 컨포멀 돔은 광학적으로 유도되는 미사일이 구형 돔을 구비한 미사일에서 현재 가능한 것보다 적은 연료로 더 빠르고 멀리 이동할 수 있게 한다. 광학 부품의 최종 조정을 자동화하는 데 가변 미러를 사용할 수 있기 때문에 동적 광학 보정기는 미사일 제작과 관련된 시간 및 비용을 감소시킨다. 또한, 동적 광학 보정기는 광학 시스템을 디포커스하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 초점면 방사 및 응답 정규화를 용이하게 한다.

동적 광학 보정기는 공중 미사일 탐색기 응용과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 일반적으로 비구형 돔 또는 윈도우를 구비한 짐벌 센서 시스템에서 사용할 수 있다. 예컨대, 돔의 형상은 공기 역학을 고려하는 대신에 레이다 스텔스를 고려하여 지시될 수 있다. 돔 또는 윈도우는 예컨대 플랫폼 동체 또는 날개의 표면에 콘포멀 윈도우를 구비한 다른 공중 플랫폼 상에 장착될 수 있다. 다른 응용예로서 장갑차 또는 탱크에 사용되는 짐벌 광학 센서와 조합하여 공형 윈도우를 사용하는 것이 있다. 이 경우, 윈도우는 비구형 또는 비평면형이다.

전술한 실시예들은 단지 본 발명의 원리를 나타낼 수 있는 가능한 특정 실시예를 설명한 것이라는 것을 알아야 한다. 당업자는 본 발명의 영역 및 사상을 벗어나지 않고도 본 발명의 원리에 따라 다른 구조를 쉽게 고안해 낼 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 동적으로 가변 수차를 보정하기 위한 동적 광학 보정을 이용한 센서 시스템(50)에 있어서,

   스펙트럼 영역의 입사 파면 에너지를 투과시키는 재료로 제조된 비구형 돔 또는 윈도우 구조물(60);

   상기 돔/윈도우 구조물 안에 배치되고, 관련 필드(field of regard) 안에 상기 돔 구조물을 통해 입사된 에너지를 화상면(92)으로 향하게 하기 위한, 가변 미러(80)를 포함하는 제1 광학 시스템(70, 80), 및 상기 화상면에 배치된 센서 어레이(94)를 포함하는 한 세트의 짐벌 요소(110);

   짐벌 위치 명령에 응답하여 이동 영역을 통해 제1 광학 시스템 및 광학 보정 시스템을 짐벌링하기 위한 짐벌 기구(120);

   미러 변형 명령에 응답하여 상기 가변 미러를 변형시키기 위한 동적 구동기(82); 및

   한 세트의 짐벌 요소를 이동 영역 내의 위치에 위치시키도록 짐벌 기구를 제어하기 위한 상기 짐벌 위치 명령을 생성하며, 광학 장치가 관련 필드를 통해 짐벌링될 때에 돔/윈도우 구조물에 의해 발생하는 광학 수차의 동적 광학 보정을 제공하도록 동적 구동기를 제어하기 위한 상기 미러 변형 명령에 적합한 제어기(100)

   를 포함하는 센서 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학 시스템은 제1 미러(70) 및 제2 미러(80)를 포함하는 센서 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 미러(80)는 상기 가변 미러인 센서 시스템.
4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기(100)는 제1 모드로 동작하기에 적합하고, 상기 제어기는 돔 온도 및 짐벌 지시 각을 포함하는 한 세트의 동작 파라미터에 응답하여 가변 미러를 변형시키기 위한 미러 가변 명령을 생성하는 센서 시스템.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 센서 어레이(94)에 의해 제공되는 화상 데이타를 처리하여 보정이 수행되는 것을 결정하기 위한 화상 처리기(102)를 더 포함하고, 상기 제어기(100)는 화상 처리기로부터의 보정 신호에 따라 미러의 형상에 대한 미러 가변 명령을 생성하기에 적합한 피드백 루프 모드로 동작하기에 적합한 센서 시스템.
6. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한 세트의 짐벌 요소(110)는 입사된 파면 에너지를 상기 화상면(92)으로 중계하기 위한 광학 중계 시스템(90)을 더 포함하는 센서 시스템.
7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 센서 시스템은 공중 미사일(40)에 장착되는 미사일 탐색기 시스템인 센서 시스템.
8. 관련 필드 안에 입사된 에너지를 화상면(92)으로 향하게 하기 위한, 가변 미러(80)를 포함하는 제1 광학 시스템과, 상기 화상면에 배치된 센서 어레이(94)를 포함하는 한 세트의 짐벌 요소(110)를 포함하며, 미러 제어기(100)와, 미러 제어기에 의해 생성되는 가변 명령에 따라 미러를 변형시키는 한 세트의 미러 구동기(82)를 더 포함하는 센서 시스템을 조립하는 방법에 있어서,

   짐벌 요소를 제공하는 단계(204);

   한 세트의 짐벌 요소를 조립하고, 짐벌 요소의 정렬을 수행하는 단계(206);

   한 세트의 선정된 성능 사양과의 편차를 결정하기 위해 조립된 한 세트의 짐벌 요소의 성능을 검사하여, 조립된 한 세트의 짐벌 요소를 상기 선정된 한 세트의 성능 사양 내에 있도록 하는 데 필요한 한 세트의 미러 보정을 결정하는 단계(208); 및

   미러 보정이 탐색기 동작시 탐색기를 보상하도록 제어기를 프로그래밍하는 단계(210)

   를 포함하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 한 세트의 짐벌 요소를 제공하는 단계는 상대적으로 큰 치수 허용 오차에 따라 짐벌 요소를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 미사일 탐색기 시스템과 미사일(40)을 합체시키는 단계(212)를 더 포함하는 방법.