NO317192B1 - Optisk system med et vindu med en koniskoidal indre overflate, samt testing av det optiske systemet - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et optisk system med et vindu, og særlig et optisk system av den art som benyttes i et fly eller i en missil der vinduet er et konformt vindu.

En optisk sensor mottar utstrålt energi fra en scene og omformer denne til et elektrisk signal. Det elektriske signal føres til en fremviser eller behandles videre for gjenkjennelse av mønster eller lignende. Optiske sensorer er tilgjengelige i mange forskjellige typer og for bølgelengder som ligger fra ultrafiolett, gjennom det synlige og inn i det infrarøde lys. Optiske sensorer benyttes til forskjellige kommersielle og militære anvendelser. Ved noen anvendelser har de optiske sensorer fast orientering og i andre er de optiske sensorer bevegelige, for eksempel med en svingebevegelse som muliggjør avsøkning over et bredt vinkelområde.

De optiske sensorer benytter som regel et fotofølsomt materiale som vender mot scenen og frembringer en elektrisk utgang som reaksjon på den innfallende energi. Det fotofølsomme materiale og det øvrige av sensoroppbygningen er temmelig ømtålig og blir lett skadet av smuss, erosjon, kjemikalier eller høy lufthastighet. Under bruk blir sensoren anbrakt bak et vindu, gjennom hvilket den kan betrakte scenen mens vinduet beskytter sensoren mot påvirkninger utenfra. Vinduet må være gjennomsiktig for stråling med den operative bølgelengde for sensoren og motstå angrep fra krefter utenfra. Vinduet må også la sensoren betrakte scenen over hele det angitte synsfelt.

Vinduet bør ideelt sett ikke innføre noen bølgefrontaberrasjon ved midten av synsfeltet annet enn mulig sfærisk aberrasjon, særlig hvis sensoren er en bildedannende sensor. Jo tykkere og jo mer buet vinduet er, desto større er sannsynligheten for at det innføres betydelig bølgefrontaberrasjon. Mange forskjellige typer sensorvinduer er blitt benyttet på forskjellige flyområder. I mange tilfeller, som for eksempel med lavhastighets kommersielle helikoptre er flate vinduer brukbare. Vinduer som er formet som segmenter av kuler benyttes i fly og i missiler, men for disse vinduer har bølgefrontaberrasjonen tilbøyelighet til å bli høy hvis slingrebøyleplasseringen ikke er i vinduets sfæriske sentrum. I alle disse vindustyper, hvis vinduet må være bredt eller må stikke et godt stykke inn i luftstrømmen for å muliggjøre et stort synsfelt, vil den aerodynamiske bremsevirkning som innføres av vinduet være stor.

For anvendelser som vedrører fly og missiler der disse drives med store hastigheter må vinduet være forholdsvis aerodynamisk slik at det forhold at vinduet stikker inn i luftstrømmen ikke innfører høye og/eller asymmetriske aerodynamiske bremsevirkninger som ikke kan godtas. Et konformt vindu er derfor en brukbar løsning til å redusere bremsevirkning og øke flyets rekkevidde. Noen eksisterende konforme vinduer innfører en stor bølgefrontaberrasjon i sensorstrålen, særlig for høye asimut siktevinkler for sensoren. En viktig betraktning når det gjelder omkostninger som kan godtas for det optiske system er at det konforme vindu må være enkelt å teste når det gjelder nøyaktigheten i form og det må også være enkelt å rette inn ved montering på den flygende gjenstand. Jo mer komplisert formen på det konforme vinduet er, desto større er utfordringen når det gjelder testing og innretting.

Europeisk patentpublikasjon nr. EP 0 616 187 beskriver et optisk avbildningssystem som innbefatter en hovedsakelig kjegleformet, gjennomsiktig beskyttende kuppel og et optisk refraktivt fast korrigeringselement for å reversere konisk deformasjon dannet ved å avbilde gjennom kuppelen. Systemet kan gjøre bruk av en perfekt kjegle med flate sider som den beskyttende kuppelen.

Det foreligger således et behov for et forbedret vindu som kan benyttes ved konforme vindusanvendelser i høyhastighets missiler og fly. Den foreliggende oppfinnelse fyller dette behov og byr på ytterligere beslektede fordeler.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et optisk system innbefattende et vindu dannet av et krummet stykke gjennomsiktig materiale med en indre overflate og en ytre overflate, kjennetegnet ved de trekk som fremgår av det vedfølgende selvstendige patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsens optiske system fremgår av de vedfølgende uselvstendige patentkravene 2 til og med 7.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en flygende anordning med en kropp som innbefatter foreliggende oppfinnelses vindu, kjennetegnet ved de trekk som fremgår av de vedfølgende patentkravene 8 til og med 11.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for testing av vinduet i henhold til oppfinnelsen, kjennetegnet ved de trekk som fremgår av de vedfølgende patentkravene 12 til og med 16.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å konstruere vinduet i henhold til oppfinnelsen, kjennetegnet ved de trekk som fremgår av de vedfølgende patentkravene 17 til og med 20.

Foreliggende oppfinnelse angår på et optisk system som har et vindu hvis form er valgt slik at det blir konformt for aerodynamiske forhold og muliggjør optimalisering for å få de best mulige optiske egenskaper. Vinduet er utformet til en på forhånd valgt nominell form og den virkelig produserte form er lett å bestemme og sammenligne med den nominelle form for å vurdere om det virkelige vindu ligger innenfor bestemte fremstillingstoleranser og også om eventuelle unøyaktigheter kan utlignes med optiske kompensasjonssystemer.

I henhold til oppfinnelsen omfatter et optisk system et vindu som er laget av et buet stykke gjennomsiktig materiale med en innside og en utside. Innsiden har en nominell innvendig flate med koniskoidal form hvis form er definert med et første kjegleformet bueforhold. Det første koniske bueforhold kan fortrinnsvis uttrykkes i den matematiske form

der z er avstanden langs en symmetriakse for flaten, p er avstanden fra senterlinjens flate og k og c er konstanter. Andre ekvivalente uttrykk for en koniskoidal form kan benyttes for å beskrive formen på den indre flate. Den ytre flate har en nominell ytre flateform som er hovedsakelig asfærisk, men som for mange nyttige formål kan defineres som et andre konisk bueforhold modifisert med minst ett asfærisk ledd. Det andre koniske bueforhold som kan være modifisert med minst ett asfærisk ledd blir fortrinnsvis uttrykt i den matematiske form

hvor z' er avstanden langs symmetriaksen for flaten, p' er avstanden fra senterlinjen til flaten, og k', c', A, B, C og D er konstanter. Mange andre matematiske forhold kan benyttes til å uttrykke en hovedsakelig asfærisk form. For det foreliggende formål kan

slike andre hovedsakelig asfæriske matematiske former være ekvivalent til de det her er gitt uttrykk for. Langt mindre ønskelig, kan den ytre flate defineres med et første konisk bueforhold og den indre flate defineres med et andre konisk bueforhold modifisert med minst et asfærisk ledd. Denne løsning vil imidlertid stride mot noen av fordelene ved testing og innretting som omhandles senere.

En flate på vinduet, fortrinnsvis den indre flate, er derfor nødvendigvis koniskoidal (dvs. kjegleliknende) for å forenkle festing og innretning som beskrives nedenfor. Den andre flate av vinduet, fortrinnsvis den ytre flate, er valgt slik at den far en annen form som i kombinasjon med den koniskoidale flate på vinduet vil gi vinduet den ønskede netto refraksjon (brytning) som del av det optiske system. Dette betyr at valg av den ene flate som koniskoidal er en nøkkel for oppfinnelsen for å forenkle testing og innretting, og formen på den andre flate er valgt under hensyntagen til formen på den koniskoidale flate for å få til de ønskede optiske egenskaper.

Det optiske system omfatter fortrinnsvis en sensor som er følsom overfor energi med en operativ bølgelengde. Sensoren er plassert på innsiden av vinduet, dvs. nærmere den indre flate av vinduet enn den ytre flate. Det gjennomsiktige materialet er gjennomsiktig for energi med den operative bølgelengde. Som regel er det i tillegg anbrakt en optisk rekke mellom den indre flate av vinduet og sensoren for å dirigere den optiske stråle mot sensoren.

Vinduet er utformet slik at den nominelle indre flateform er koniskoidal for å forenkle testing og senere innretting av vinduet i et fly eller et annet legeme. Det faktum at den koniskoidale form har to brennpunkter, et brennpunkt nær den indre flate og et mer fjemt brennpunkt i avstand fra den indre flate, blir benyttet ved testing og innretting. Testing er nødvendig fordi, selv om den nominelle indre flateform er tildannet til et særlig nominelt forhold vil fremstillingsoperasjoner som regel føre til noen variasjoner i formen fra den idealiserte nominelle form som er ønskelig. For å ta hensyn til disse variasjoner og bestemme om de ligger innenfor toleranser som kan godtas blir vinduet hensiktsmessig testet ved å føre en testestråle fra et tostrålers interferometer gjennom det fjerntliggende brennpunkt, ved å reflektere strålen fra innsiden mot det tilstøtende brennpunkt, reflektere strålen fra et sfærisk speil nær ved det nærliggende brennpunkt tilbake langs stort sett samme strålebane (men som ikke behøver å være nøyaktig den samme strålebane på grunn av defekter på den indre flate) til interferometeret og med interferometrisk kombinasjon av prøvestrålen og en referansestråle for interferometeret. Defekter i den indre flate blir påvist ved frynseforskyvninger som kan telles for å bestemme det antall halve bølgelengder hvormed den indre flate varierer fra det som er ønskelig. Med denne informasjon blir det bestemt om vinduets virkelige indre flateform faller innenfor de valgte toleransegrenser. De samme prinsipper blir også benyttet for å rette inn vinduet når det monteres på den flygende gjenstand.

Den nominelle ytre flateform på vinduet blir valgt slik at ved hensyntagen til den koniskoidale indre flateform foreligger det en godtagbar lav aberrasjon av bildet idet det passerer gjennom vinduet. Den nominelle ytre flateform blir bestemt ved bruk av konvensjonelle koder for optisk formgivning. Sagt på en annen måte har vinduet nominelt uensartet tykkelse der den tilsiktede uensartethet er grunnlaget for den tilsiktede forming av bølgefronten idet den passerer gjennom vinduet, slik at den får minimal aberrasjon.

Andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende mer detaljerte beskrivelse og den foretrukne utførelse under henvisning til tegningene, som med et eksempel illustrerer prinsippene for oppfinnelsen. Oppfinnelsens omfang er imidlertid ikke begrenset til den foretrukne utførelse.

Fig. 1A-1B viser i perspektiv et missil med et vindu der fig. IA viser et sidemontert

vindu og fig. IB viser et vindu formet som en nesekuppel,

fig. 2 viser skjematisk et optisk system ifølge oppfinnelsen,

fig. 3 viser et stykke av et vindu,

fig. 4 er et blokkskjema for en mulig måte til utformning og produksjon av

vinduet,

fig. 5 er en graf over bremsekoeffisienten for et vindu av kuppeltypen,

fig. 6 viser skjematisk en anordning for testing av vinduet, og fig. 7 er et blokkskjema for en mulig måte til prøving og innretting av vinduet.

Figurene IA-IB viser en flygende gjenstand, i dette tilfelle et supersonisk missil 20 med en kropp 22 hvor det sitter et buet vindu 24. På fig. IA er vinduet 24 montert på siden og på fig. IB er vinduet 24 en nesekuppel. I begge tilfeller stikker vinduet 24 delvis inn i luftstrømmen ved missilet 20 og kan dermed betegnes som "kuppeltypevindu".

Vinduet 24 er en del av et optisk system 26 som er vist generelt på fig. 2. Det optiske system 26 omfatter vinduet 24 som er festet til kroppen 22. En indre flate av vinduet 28 er den konkave flate på vinduet 24 som vender mot det indre av kroppen 22. En ytre flate 30 på vinduet 24 er den konvekse flate på vinduet 24 som vender ut og stikker inn i luftstrømmen når missilet 20 flyr. Det optiske system omfatter videre en sensor 32 i kroppen 22, og denne er nærmere den indre flate 28 enn den ytre flate 30 på vinduet 24. Sensoren 32 er av en hvilken som helst virksom type som funksjonerer ved en på forhånd valgt bølgelengde eller et bølgelengdeområde for den innfallende energi. Utgangen fra sensoren 32 er et elektrisk signal som føres til elektronisk utstyr 34 som kan være plassert i kroppen 22 eller kan befinne seg utenfor. En optisk rekke 36 som er skjematisk antydet med en enkel linse er plassert mellom den indre flate 28 på vinduet 24 og sensoren 32. Den optiske rekke 36 kan innbefatte reflekterende elementer, brytende elementer og andre optiske behandlingselementer, som for eksempel bildekompensatorer. Sensoren 32, elektronikken 34 og den optiske rekke 36 kan være av en hvilken som helst virksom type innbefattende de som er kjent på dette området.

Fig. 3 viser et stykke av vinduet 24 i større detalj. Den indre flate 28 av vinduet 24 er koniskoidal hvis form er definert matematisk med et første konisk bueforhold. Det første koniske bueforhold kan fortrinnsvis uttrykkes i den matematiske form

der z er avstanden langs en symmetriakse 38 for den indre flate 28 (målt fra det punkt der den indre flate 28 krysser symmetriaksen 38), p er avstanden målt perpendikulært på symmetriaksen 38 fra symmetriaksen 38 til den indre flate 28, og k og c er konstanter. I et spesielt foretrukket tilfelle er c = 0,60626 in"<1> (tilsv. 0,02387/mm), og k = -0,77011. En viktig egenskap ved en koniskoidal form er at den har to brennpunkter, og denne egenskap benyttes med fordel ved testing og innretting av det fremstilte vindu. Den utvendige flate 30 av vinduet 24 har en nominell utvendig flateform hvis profil ikke er koniskoidal og som for mange tilfeller kan defineres som et andre konisk bueforhold modifisert med minst ett asfærisk ledd. Det andre koniske bueforhold modifisert med minst ett asfærisk ledd kan fortrinnsvis uttrykkes i den matematiske form

der z' er avstanden langs symmetriaksen 38 for den ytre flate 30 (målt fra det punkt der den ytre flate 30 krysser symmetriaksen 38 - dvs. at z og z' blir målt fra forskjellige

punkter), p' er avstanden målt perpendikulært på symmetriaksen 38 fra symmetriaksen 38 til den ytre flate 30, k\ c\ A, B, C og D er konstanter. Mange andre matematiske formler kan benyttes for å uttrykke et konisk bueforhold modifisert med minst ett asfærisk ledd der disse formler er ekvivalente for det foreliggende formål.

I et særlig foretrukket eksempel er ved bruk av det ovenstående forhold, c' = 0,57145 in<*1> (tilsv. 0,022498/mm), k' = -0,76747, B = 9,2152 x 10"<7>, og A, C og D er null.

Som vist på fig. 3 vil således vinduet 24 i alminnelighet ikke ha konstant tykkelse selv om tykkelsen kunne være konstant i visse spesialtilfeller. Den indre flate 28 blir nominelt beskrevet med det første koniske bueforhold, og den ytre flate 30 blir nominelt definert med det andre koniske bueforhold modifisert ved tilføyelse av minst ett asfærisk ledd. Resultatet er at avstanden mellom den indre flate 28 og den ytre flate 30 varierer som en funksjon av posisjonen langs overflaten av vinduet 24. På fig. 3 er de relative avstander mellom den indre flate 28 og den ytre flate 30 gjengitt som en funksjon av plasseringen langs overflaten av vinduet 24, overdrevet av hensyn til illustrasjonen.

Vinduet 24 er laget av et gjennomsiktig materiale som er valgt under hensyntagen til den operative bølgelengden for sensoren 32 som skal beskyttes av vinduet 24. Sensoren 32 kan reagere for eksempel på alt eller deler av de ultrafiolette, synlig og infrarøde områder, og vinduet 24 må være gjennomsiktig for det interesseområde som sensoren 32 arbeider ved. Gjennomsiktige materialer til konstruksjon av vinduet 24 med gjennomsiktighet for bestemte bølgelengdeområder er kjent på dette området. Vinduet 24 blir fortrinnsvis utformet og fremstilt på den følgende måte. Det vil si at den følgende prosedyre blir valgt for å velge konstantene i de matematiske forhold som definerer de nominelle vindusflater for deretter å fremstille og teste vinduet. Grunnformen på vinduet 24 er valgt for å passe til og bli montert på selve kroppen 22 og for å gi de nødvendige strukturelle og mekaniske egenskaper. Den ytre flate blir deretter finavstemt når det gjelder optisk ytelse som kan godtas innenfor den begrensning at den indre flate 28 må bibeholde en koniskoidal form. Straks det er formgitt blir vinduet deretter fremstilt og testet.

Fig. 4 viser denne prosess mer i detalj. Formen på kroppen 22, formen og størrelsen på åpningen i denne for vinduet 24 og formålet med oppdraget (hastighet, høyde, og andre flygeparametre) frembringes ved henvisningstallet 100, og sensorens egenskaper foreligger ved henvisningstall 102. Disse systemkrav er fastsatt før valg av vinduet og i henhold til utforming og formål med missilet. Fra informasjonen i felt 100 bestemmes den fysiske størrelse og begrensninger på vinduet 24 så vel som aerodynamiske og aerotermiske belastninger på vinduet ved henvisningstall 104. Denne informasjon blir fastlagt ut fra geometriske betraktninger og vanlig aerodynamisk og aerotermisk analyse. Fra sensortype ved henvisningstall 102 blir materialet for vinduet 24 valgt fra tilgjengelige materialer som er tilstrekkelig gjennomsiktige for energi ved den eller de operative bølgelengder for sensoren og har mekaniske egenskaper som kan godtas. Slike materialer og deres egenskaper for sensorbølgelengder av interesse er kjent på dette området.

Den fysiske størrelse (dvs. diameter) og kantavfasing på vinduet slik at dette passer tett inn i formen på kroppen blir bestemt geometrisk sammen med tykkelsen og finhetsforholdet (lengde i forhold til diameter) for vinduet ved henvisningstall 108. Finhetsforholdet er forholdet mellom lengde og diameter for vinduet (der diameteren er tverrsnittslengden langs det plan der vindusseksjonen skjæres av den koniske grunnflate). Den aerodynamiske egenskap for et nesekuppelvindu (som på fig. lb) som stikker symmetrisk inn i en luftstrøm som en funksjon av missilets hastighet i Mach-tall og finhetsfbrhold som vist på flg. 5. Valget av finhetsforholdet gjøres for å oppnå en lav bremsekoeffisient som kan godtas ved missilets marsjhastighet. Vinduet må også ha tilstrekkelig mekanisk styrke, passe innenfor det geometriske området for overflaten av kroppen som benyttes og være tilstrekkelig stort til å gi plass for den optiske rekke og sensoren.

En tilnærmet koniskoidal form for den ytre flate 30 bestemmes for å imøtekomme kravene til diameter, kantavfasing og finhetsfbrhold, se henvisningtall 110.1 dette trinn bestemmes de tilnærmede koniske buekoeffisienter for den ytre flate 30 slik at den tilnærmet koniskoidale form passer til den ønskede geometri for vinduet. Ved denne første iterasjon i formgivningen er koeffisientene bare tilnærmelsesverdier, fordi den nøyaktige form på den ytre flate 30 senere vil bli modifisert med asfæriske ledd.

Den detaljerte optiske formgivning av den indre flate 28 og den ytre flate 30 for vinduet blir så foretatt, se henvisningstall 112. Ved den optiske formgivning benyttes vanlige formgivningskoder for å velge konstantene i de ovenfor beskrevne ligninger for formen, og det skal minnes om at formen på den indre flate 28 er begrenset til å være en koniskoidal form. Denne begrensning er valgt for å forenkle påfølgende testing slik det vil bli beskrevet. Formen på den ytre flate 30 tillates å avvike fra den tilnærmet koniskoidale form som er utviklet i trinn 110 for å frembringe den nødvendige form for optiske egenskaper. Resultatet er en forandring i formen på den ytre flate 30 og forandring i finhetsforholdet for vinduet 24. Som vist på fig. 5 er imidlertid koeffisienten for bremsing en forholdsvis langsomt varierende funksjon av finhetsforholdet og Mach-tallet. Den forholdsvis lille forskjell i form som er resultatet av at asfæriske ledd for den ytre overfiateform er tatt med har ikke særlig innvirkning på vinduets aerodynamiske egenskap.

Imidlertid er vinduets optiske egenskaper en sterkt varierende funksjon av den samlede form på vinduet og de innbyrdes former på de indre og ytre flater. Den nominelle form på den ytre flate, henvisningstall 114, og den indre flate, henvisningstall 116, blir derfor frembrakt ved å benytte optiske formgivningskoder for å beregne strålegangen for energien som passerer gjennom sektoren av vinduet for dermed å redusere aberrasjonen av et bilde som betraktes gjennom vinduet. Utformningen av optiske elementer som for eksempel linser og vinduer ved bruk av slike formgivningskoder er vel etablert på området. Se for eksempel Donald P. Feder, "Automatic Lens Design Methods," h_ Optical Society of America, bind 47 nr. 10 (1957), sidene 902-912, og G.W. Forbes, "Optical system assessment for design: numeral ray tracing in the Gaussian pupil," L_ Optical Society of America A. bind 5, nr. 11 (1988), sidene 1943-1956. Eksempler på kommersielt tilgjengelige optiske formgivningskoder innbefatter "Code V" fra Optical Research Associates, "OSLO" fra Sinclair Optics, og "ZEEMAX" fra Focus Software.

Ved bruk av formgivningskode, RMS punktstørrelse, bølgefrontaberrasjon eller andre ytelseskriterier for bildet når det betraktes gjennom vinduet blir den optiske rekke vurdert og optimalisert. Den nominelle form på den ytre flate 30 blir bestemt som den form som reduserer RMS (roten av middelkvadratet) punktstørrelse eller bølgefrontaberrasjon. Ved en hensiktsmessig matematisk realisering, som fortrinnsvis er benyttet av oppfinnerne, er formen på den ytre flate 30 den andre koniske bue som er modifisert med asfæriske ledd, som omhandlet tidligere. Imidlertid kan andre asfæriske matematiske formler benyttes i beskrivelsen av vinduets form, og disse andre matematiske formler er ekvivalente med den foreliggende løsning for disse formål. Ved bruk av formgivningskoden blir den nominelle form på den indre flate 28 med fordel bestemt som det første koniske forhold.

Etter at de nominelle indre og ytre former er fastlagt blir vinduet produsert, henvisningstall 118. Teknikker for fremstilling av vinduer av forskjellige materialer er kjent på dette området. Ved en fremgangsmåte lages det former for de indre og ytre flater, og materialet til vinduet blir støpt i rommet mellom disse former. Ved en annen løsning blir materialet til vinduet maskinert til den ønskede form.

Etter fremstilling blir vinduet testet ved henvisningstall 120 fortrinnsvis ved bruk av prosedyrer som vil bli beskrevet. Den ovenstående beskrivelse har omhandlet prosedyre for bestemmelse av de "nominelle" former på de indre og ytre flater. Når et vindu blir fremstilt av det gjennomsiktige materialet finnes det uunngåelige avvik fra de ønskede nominelle verdier og former. Hvis disse avvik er for store kan vinduets egenskaper ikke godtas, og det kan heller ikke benyttes eller må bearbeides på nytt for å bringe avvikene innenfor grenser som kan godtas. Tillatte toleranser kan beregnes matematisk ut fra de optiske formgivningskoder. En av de mest kostbare prosedyrer ved fremstilling av optiske systemer av denne type er bestemmelse av om de virkelige former på flaten på det virkelige produserte vindu overskrider de tillatte dimensjonstoleranser for optiske egenskaper som kan godtas. Hvis de overskrider de tillatte toleranser kan vinduet ikke benyttes i denne form.

Den foreliggende løsning forenkler bestemmelsen av de virkelige former på de indre og ytre flater for de produserte vinduer og dermed bestemmelsen av om vinduet ligger innenfor de tillatte toleranser. Fig. 6 viser en foretrukket anordning 50 til utførelse av disse bestemmelser. Den første koniskoidale matematiske formel for den nominelle form på den indre flate 28 har to brennpunkter, et nærliggende brennpunkt 52 som er i nærheten av vinduet 24 og et fjernt brennpunkt 54 som ligger i større avstand fra vinduet 24. Hvis den indre flate på det virkelig produserte vindu har den perfekte nominelle matematiske formel for det første koniskoidale forhold, vil lys som sendes fra det fjerne brennpunkt 54 bli reflektert fra alle punkter på den indre flate 28 mot det nærliggende brennpunkt 52. Lys kan reflekteres fra en kule ved det nærliggende brennpunkt 52, tilbake langs den samme strålebane til den indre flate 28, til det fjerntliggende brennpunkt 54 og der bli målt. Hvis det imidlertid er et avvik i formen på den fremstilte indre flate, fra den nominelle koniskoidale form, vil strålebanene som reflekteres fra de forskjellige punkter på den virkelige indre flate 28 ikke fokusere nøyaktig i fase tilbake til det fjerne brennpunkt 54. Størrelsen på variasjonen i formen på den indre flate blir bestemt ved å fokusere strålene på en kule 60 ved det nære brennpunkt 52 ved bruk av en linse 56 og inn i et interferometer 58. Hvis størrelsen på variasjonen i den indre flate 28 er mindre enn den tillatte dimensjonstoleranse for alle punkter slik det blir bestemt med å telle interferensfrynser for en referansestråle og den reflekterte stråle ved interferometeret 58, kan den virkelige form på den indre flate godtas. Hvis toleransene er overskredet kan den indre flate 28 på vinduet 24 bli omarbeidet eller i noen tilfeller må vinduet forkastes.

Etter at formen på den indre flate 28 er bestemt, blir formen på den ytre flate 30 bestemt ved måling av tykkelsen på vinduet 24 mellom den indre flate 28 og den ytre flate 30. På grunnlag av denne informasjonen bestemmes de virkelige verdier for konstantene i den andre koniskoidale formel som er modifisert med det minst ene asfæriske ledd. Hvis disse konstanter ligger innenfor de tillatte dimensjonstoleranser er vinduet godtatt for bruk. Andre testeprosedyrer som f.eks. interferometri, delaperturinterferometri og profilometri kan også benyttes der det passer.

Fig. 7 viser de trinn som følges ved den ovenfor beskrevne fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen for testing og installering av vinduet 24 i kroppen 22. Vinduet blir klargjort ved bruk av den formgivningsløsning som er omhandlet ovenfor og deretter fremstilt til den bestemte form ved bruk av en eller annen virksom prosedyre, henvisningstall 70, men fortrinnsvis den som er omhandlet ovenfor i tilknytning til fig. 4. Testeutstyret 50 er tilveiebrakt ved henvisningstall 72. Nøyaktigheten på den indre flateform blir bestemt, henvisningstall 74. Hvis den ligger innenfor de tillatte toleranser blir nøyaktigheten på den virkelige ytre flateform bestemt, henvisningstall 76. Hvis begge de virkelige flater ligger innenfor nøyaktighetstoleransene blir vinduet 24 vurdert som godtatt og blir montert og rettet inn på kroppen 22 ved henvisningstall 78. For å få til installasjonen med det optiske system 26 riktig rettet inn kan en anordning svarende til den som er vist på fig. 6 benyttes i det optiske system på fig. 2 istedenfor den optiske rekke 36 og sensoren 32. Straks innretting er foretatt fjernes elementene 56, 58 og 60, og elementene 36 og 32 installeres i missilets 20 kropp. Det optiske system 26 er dermed nøyaktig innrettet.

Claims (20)

1. Optisk system (26) innbefattende et vindu (24) dannet av et krummet stykke gjennomsiktig materiale med en indre overflate (28) og en ytre overflate (30), karakterisert ved at den indre overflaten (28) har en nominell indre overflateform definert ved et kjegleformet matematisk forhold, hvilken kjegleformede indre overflateform har to fokalpunkter som inkluderer et nærliggende fokalpunkt (52) nær den indre overflaten (28) og et fjerntliggende fokalpunkt (54) i avstand fra den indre overflaten (28), og at den ytre overflaten (30) har en nominell ytre overflateform definert ved et hovedsakelig ikke-planart asfærisk matematisk forhold, hvilken ytre overflateform, i kombinasjon med den indre overflateformen, tilveiebringer en nettorefraksjon.

2. Optisk system (26) som angitt i krav 1, hvor den indre overflatens (28) form er definert ved et første konisk kurveforhold og hvor den ytre overflatens (30) form er definert av et andre konisk kurveforhold modifisert med minst et asfærisk ledd.

3. Optisk system (26) som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, hvor den nominelle indre overflatens form følger en matematisk form gitt av hvor z er avstanden langs en til den indre overflaten (28) symmetriakse, p er avstanden fra den indre overflatens (28) symmetriakse og kg og c er konstanter forskjellig fra null.

4. Optisk system (26) som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, hvor den nominelle ytre overflatens form følger en matematisk form gitt ved hvor z' er avstanden langs en til den ytre overflaten (30) symmetriakse, p' er avstanden fra den ytre overflatens (30) symmetriakse, og k' og c' er konstanter forskjellig fra null, A, B, C og D er konstanter, og minst en av konstantene A, B, C og D er forskjellig fra null.

5. Optisk system (26) som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, hvor det gjennomsiktige materialet er gjennomsiktig for ultrafiolett energi.

6. Optisk system (26) som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvor det gjennomsiktige materialet er gjennomsiktig for synlig lys.

7. Optisk system (26) som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvor det gjennomsiktige materialet er gjennomsiktig for infrarød energi.

8. Flygende anordning (20) med en kropp (22) som innbefatter det optiske systemets (26) vindu (24) som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav festet til kroppen (22).

9. Flygende anordning (20) som angitt i krav 8, videre innbefattende en sensor (32) som er følsom for energi med en operativ bølgelengde, hvilken sensor (32) er anbrakt nærmere vinduets (24) indre overflate (28) enn den ytre overflaten (30), og hvor det gjennomsiktige materialet er gjennomsiktig for energi ved den operative bølgelengden.

10. Flygende anordning (20) som angitt i krav 9, hvor sensoren (32) tilveiebringer en elektrisk utgang og hvor en elektronikkinnretning (34) mottar den elektriske utgangen fra sensoren.

11. Flygende anordning (20) som angitt i et hvilket som helst av kravene 8,9 eller 10, hvor elektronikkinnretningen (34) er anbrakt i kroppen (22).

12. Fremgangsmåte til testing av vinduet som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter trinnene: føring av minst en teststråle i en foroverstrålebane fra det fjerntliggende fokalpunktet (54) til det nærliggende fokalpunktet (52) via refleksjon på den indre overflaten (28), deretter å føre teststrålen fra det nærliggende fokalpunktet (52) til det fjerntliggende fokalpunktet (54) via refleksjon på den indre overflaten (28) i en returstrålebane som skal være nøyaktig den samme strålebane som den foroverrettede strålebanen hvis den indre overflatens (28) form ikke har defekter, og å bestemme defekter i den indre overflaten (28) på grunnlag av returstrålebanen.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, hvor føringstrinnene innbefatter: å utsende en første teststråle i en første foroverrettet strålebane fra det fjerntliggende fokalpunktet (54) til et første sted på den indre overflaten (28) som er på en første side av symmetriaksen, å utsende en andre teststråle i en andre foroverrettet strålebane fra det fjerntliggende fokalpunktet (54) til et andre sted på den indre overflaten (28) til det nærliggende fokalpunktet (52), hvilket andre sted befinner seg på den motsatte siden av symmetriaksen, å reflektere den første teststrålen fra det nærliggende fokalpunktet (52) til det første stedet på den indre overflaten (28), og å reflektere den andre teststrålen fra det nærliggende fokalpunktet (52) til det andre stedet på den indre overflaten (28).

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 13, hvor reflekteringstrinnene utføres ved hjelp av et sfærisk speil.

15. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 13 eller 14, hvor bestemmelsestrinnet innbefatter å kombinere på interferometrisk vis returteststrålen og en referansestråle.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 15, hvor bestemmelsestrinnet videre innbefatter å telle interferensstirpeavstander for å bestemme det antall halvbølgelengder med hvilke den indre overflaten (28) avviker fra den ønskede.

17. Fremgangsmåte for konstruksjon av vinduet (24) som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til og med 7, karakterisert ved at fremgangsmåten innbefatter trinnene: å velge (110) en tilnærmet kjegleformet form for den ytre overflaten (30) på grunnlag av ikke-optiske betraktninger, og å revidere den indre overflatens (28) form og den ytre overflatens (30) form for å forbedre optisk ytelse, mens den indre overflatens (28) form begrenses til å være kjegleformet.

18. Fremgangsmåte som angitt i krav 17, hvor trinnet med å velge en tilnærmet kjegleformet form for den ytre overflaten (30) innbefatter å velge en form for å oppnå tilpasning til og innfesting med strukturen til en kropp (22) og for å oppnå de nødvendige strukturelle karakteristika og mekaniske egenskaper.

19. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 17 eller 18, hvor den ytre overflatens (30) form tillates å avvike fra den tilnærmede kjegleformede form under revideringstrinnene.

20. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 17 til og med 19, hvor akseptabel optisk ytelse er nådd når den ytre overflatens (30) nominelle form minimaliserer RMS (root mean square) punktstørrelsen eller bølgefrontaberrasjonen.