TW406196B - Dynamic optical corrector - Google Patents

Description

經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 406196 A7 — B7 五、發明説明（1 ) 本發明技術領域 本申請案主張臨時申請案第60/〇6〇, 8*7 2號之優先權， 其檔案號碼爲卩〇-970437號，10 / 02 / 97提出申請〇 本發明與補償光學像差之光學校正系統有關，更明確 說，與一可程式規劃之光學系統有關，其於一裝置譬如飛 彈搜索器之光學路徑內動態校正或引發像差〇 本發明背景 習用光學感測器使用球形圓頂與扁平窗，以保護光學 系統免受環境例如雨、濕度等之影響。如本文中所使用， a共形〃光學一詞爲描述以操作環境爲主要考慮因素，而 光學影像性質爲次要考慮，所設計之光學系統。結果，飛 彈與空中發射控制系統用之共形圓頂與窗受氣體動力性能 爭議所驅使，即減低氣體動力拖曳、增加飛彈速度與擴大 操作範圍，而造成高度非圓形之圓頂幾何體，其形狀較細 長0 此等高度非圓形表面之一主要缺點爲其等於傳輸之光 波前內產生之大像差〇此外，共形表面固有之不對稱性， 當其以自由水平橫過視域時，導致呈現於光學感測器之像 差內容之變化〇此二因素減弱該感測器將所注意目標正確 映像之能力，因此損壞整體系統性能〇因此，共形圓頂與 窗之氣體動力學優點於實際系統上無法被實現，除非發展 動態像差校正技術，恢復適當之光學映像能力〇 可撓鏡曾使用於光學飛彈搜索器內作爲散焦元件，例 如爲影像正常化之目的將圖像散焦。可變形鏡曾經使用於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公犛） -4- I I J ! I I in I - I ' I ,!, 矣 . - (請先閱讀背面之注意事項再 Γ本頁)·-' 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 406196 abI五、發明説明（2 ) 天文望遠鏡內作爲適應性光學元件。美國專利4, 773,748 號描述動態控制之可變形鏡，供以使用於例如投影系統之 應用。 本發明綜沭 所述爲一動態光學校正器，其功能爲將不同之像差型 其與此等像差之變化量導入—飛彈搜索器內。此等變化像 差之導入爲使用一可變形鏡或多個可變形鏡。該鏡之形狀 經改變，以提供最佳之影像品質。此將容許該光學系統使 用於共形圓頂，其引發變化量之像差，視於該圓頂內之環 架位置而定。共形光學圓頂過去未被使用，因其等導入大 量橫過視域變化之像差〇該動態校正器亦可使用於任何其 他需要動態校正之搜索器設計。此將包括動態聚焦需求〇 簡要圖說 本發明此等及其他特色與優點從以下其一示例性具體 形式詳述將會變得很顯然，其如附圖所例示，其中： 圖1例示一依據本發明之飛彈搜索系統〇 圖2爲圖1之搜索系統各元件之示意方塊圖。 圖3爲圖2之系統於開放式迴路之第一操作模式下操 作之示意方塊圖。 圖4爲圖2之系統於反饋式迴路之第二操作模式下操 作之示意方塊圖〇 圖5爲一程序流程圖，例示使用一動態光學校正器， 補償一飛彈搜索器總成內之零件與組裝之容許差與像差。 較佳具體形式詳述 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- —I n k— i— I I I I n I n : H n m I n 各 - - - ·- - (請先閱讀背面之注意事項再 r本頁) * _ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印11 406196 37五、發明説明（3) —依據本發明供飛彈搜索器用之動態光學校正器將一 低質量、可程式規劃、可變形鏡與一習用剛性光學元件結 合，動態校正或引發飛彈搜索器內之像差0可變形鏡之所 要形狀經程式規劃、計算、或量測，而該鏡被變形至所要 形狀。適當之矯正形狀可以二種模式運用。於第一模式， 該鏡之形狀爲回應於由該光學系統之其餘部份，根據系統 資訊例如環架位置（指向角）、圓頂之溫度、與發射後時 間等所導出之特性〇典型上將預先計算一組操作參數之特 殊變形，並儲存成機上之記憶體資料，由一機上處理器所 存取〇於第二模式，該鏡之形狀爲耦合於一反饋式迴路， 其回應從感測影像即時所導出之資訊0 該鏡變形可藉靜電力、磁力、壓電裝置或其他裝置達 成〇適合該目的之可變形鏡與鏡引動系統爲業界所已知0 譬如參閱 Vdovin 等之"Technology and applications of micromachined silicon adaptive mirrors"，Opt. Eng . 36(5)， 1 997年 5月，第 1382-1 390頁，及 Roggeman等之 "Use of micro-electromechanical deformable mirrors to control aberrations in optical systems : theoretical and experimental results" ， ， opt, Eng. 36(5)，1997年5月，第1326-1338頁。最好，該鏡具有一 小直徑之鏡表面，且由一薄片材料作成0譬如對於該示例 性之飛彈搜索器應用而言，該鏡直徑可爲約1公分，及1 至2微米厚，且該鏡可由矽製成，具有一反射材料例如鋁 或銀之塗層。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0X297公漦） -6- n·—— FII ^ . II II :訂 1— . I. I— I fe» - - - ·, - (請先閱讀背面之注意事項再 h本頁) - . 經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 A \ A7 __4〇Gl96_B7___ 五、發明説明（4 ) 該鏡相關於其他光學元件之放匱爲與設計規格與所形 成之光學規定有關，而正確位置則相對於最後影像品質作 最佳化〇譬如於雙鏡全反射或兼反射與折射之望遠鏡設計 ，可變形鏡可放置於副鏡之位置〇亦可能將可變形鏡放置 於主鏡之位置，甚或結合二可變形鏡於主、副鏡上〇 圖1例示一飛彈搜索系統之示例性具體形式，其採用 —依據本發明之動態光學校正器，安裝於一空中飛彈內， 其整體指示爲元件40，具有一飛彈本體或機身40 A，其可 以金屬或其他剛性、高强度材料製造。搜索系統50包括一 共形圓頂60，由例如硫化鋅、藍寶石、氟化鎂、或BK7之 材料製造，其對例如於紅外線之入射波前爲透明〇所關注 之特殊頻帶將視應用而定，而範圍可從紫外線到紅外線。 於此一示例性具體形式，該系統進一步包括一主鏡70與一 副鏡8 0，其一起構成一望遠鏡，將一影像光線導引至一光 學中繼系統90上〇該中繼系統轉而將一影像從望遠鏡後方 之光學路徑中繼至焦平面92〇於此一具體形式，一平面感 測器陣列94配置於該影像平面92以產生影像，其可被—搜 索影像處理器102讀取與使用。鏡70與80對該系統50建立 —視野，以參考號碼7 4作整體指示。依據本發明，副鏡8 0 可爲一可變形鏡〇 圖2以示意形式例示系統50 〇>各鏡70與8ϋ、光學系統 9〇、及感測器94構成一組環架組件11 0，經支承以對—環 架點96作環架移動〇 —環架機構120包括—定位機構，回 應控制器1 〇 〇之定位命令，移動此等元件。此提供將感測 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210Χ297公t·) —7 — I - I II —— I I I I I I I I I 訂 I I - - (請先閲讀背面之注意事項再 ？本I) - 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 A7406196_Βτ_五、發明説明（5 ) 器94經一視野範圍作定位之能力。當各鏡與感測器以環架 旋過該環架移動範圍時，該視野之整個涵蓋領域定義該系 統之視域〇 —影像處理器102接收感測器94之影像資料， 並爲搜索系統之一部份，而其輸出以搜索系統之典型方式 被使用〇此外，影像處理器1〇2進行提供指示光學像差型 式與强度資料之功能，其以下述更完整說明之方式由控制 器所使用0 當感測器被環架定位於不同位置，或當其他操作條件 變化，要對共形圓頂60所導入之不同像差提供光學補償時 ，控制器1〇〇提供校正命令至校正引動器82，使鏡80變形 〇該鏡變形之達成可藉由靜電力、磁力、壓電裝匱、或其 他裝置〇 適當之矯正形狀可以二種模式運用。於第一模式，該 鏡之形狀爲回應由該光學系統其餘部份所導出之特性〇此 等特性之某些範例爲發射後時間、圓頂之溫度、與環架角 度。第一操作模式以示意形式例示於圖3 〇此一模式爲一 開放式迴路之操作模式，其中控制器接收指示環架位 置、圓頂溫度（來自一溫度感測器，圖上未顯示）、與發 射後時間之資料信號0由此等資料，控制器決定對應於該 組條件之鏡變形，並產生鏡變形命令，控制鏡引動器，使 該鏡變形〇對一已知之光學系統特性組，鏡變_命令可被 預先確定，並儲存於記憶體之對照表供以讀出0或者，控 制器100可被程式規劃，即時計算所需之變治命令。 於第二模式，鏡之形狀爲耦合於一反饋式迴路，其回 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） -3- I. I I t—. I n - I 衣— —— I I I 訂—-I . 备 -- .、 ---(請先閱讀背面之注意事項再 t本頁) - , 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（6) 應從感測影像94所計算導出之影像資訊〇此一模式以示意 方塊圖例示於圖4，其中影像處理器1 0 2回應感測器資料， 並進行額外之功能，確定影像內光學像差之型式與大小〇 影像處理器102將資料傳訊至控制器100，指示此等光學像 差。然後控制器解譯此等資料，產生鏡變形命令，控制鏡 引動器82，補償影像處理器所確定之光學像差〇 一種使用影像資訊推導可變形鏡控制信號之方法稱爲 相參差” 〇 此法說明於Paxman ,丨{ · G .、Schu】tz，’i . J . 與 Fienup,J.R.之"Joint Estimation of Object and Aberrations by using Phase Diversity" » J. Opt. Soc. Am. A9，第 7期，第 1072-1085頁，1992年。該方法 —使用對焦與離焦影像推估產生影像之物體及減弱影像之像 差〇該對焦與離焦影像之獲得爲於交替之影像收集期間， 命令該可變形鏡採取二個不同之焦點位置〇 依據本發明一動態光學校正器之應用包括與共形圓頂 或窗一起使用，其形狀除光學性能外，業已就準則譬如空 氣動力學作最佳化，。飛彈圓頂習用上爲球狀，使影像品 質最佳化〇共形圓頂引發通過視域之像差量與型式之變化 ，使必須進行動態像差校正。依據本發明之可變形鏡容許 動態像差校正，並容許於飛彈系統使用共形圓頂〇 過去，飛彈搜索器被設計爲具有相當小之容許差0搜 索器之零件爲依據小容許差之規格製造，並經檢查確定各 零件是否在該小容許差規格之內。若零件滿足容許差規格 ，各搜索器零件加以組裝及對正。然後搜索器受測試，確 i紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公趁） -9- ---------參------訂---1--^ *- -- . (請先閱讀背面之注意事項再^本頁) .c A7iGG 丄 96 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作杜印製 五、發明説明（7) 定其是否滿足性能規格，若否，則搜索器被部份分解，而 零件被更換及/或重新對正並重新組裝。搜索器再次受測 試，確定其是否滿足性能規格，若否，則須再次被部份分 解與重新對正〇只有在搜索器經發現滿足性能規格之後， 才會與飛彈整合在一起〇此一程序費時，且由於小容許差 ，零件製造較爲昂貴。 依據本發明一方面之動態光學校正器容許光學規定被 調整，補償製造時不完全相符合之零件。此將容許光學組 件例如圓頂與窗作調換，而無需冗長之手動重新對焦。光 學性能可改爲受軟體控制，形成自動測試與調整。此相對 於圖5之程序流程圖作加以例示。於步驟2 0 2，搜索器爲以 較已知設計程序情況相對較大之容許差設計。於步驟204 ，零件爲依據較低之容許差製造。於步驟206，零件經組 裝與對正。於步驟208，搜索器受測試，確定使搜索器符 合性能規格所需之可變形鏡校正。然後可變形鏡控制器經 程式規劃，對該搜索器補償所確定之像差，並確保搜索器 滿足性能規格〇然後該搜索器與飛彈整合〇使用依據本發 明動態光學校正器之結果，該搜索器程序較不昂貴，並可 以較少之程序步驟達成〇 . 依據本發明之動態光學校正器容許共形圓頂於操作基 礎上被使用〇共形圓頂將容許光學導引飛彈較現行具有球 形圓頂之飛彈所可能者，以更少之燃料，行進更快且更遠 〇由於可變形鏡可被使用將光學組件之最後調整自動化， 動態光學校正器減少與飛彈生產有關之時間與費用。其亦 —---------澤-- (請先閱讀背面之注意事項蒋 約本頁) -'-', 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS > A4規格（210X297公釐） -10» 406196 五、發明説明（8) 可用以使光學系統散焦，從而促進焦平面之輝度與回應性 正常化0 雖然動態光學校正器業經以上就有關空中飛彈搜索器 應用加以說明’本發明~般言對具有非圓形圓頂或窗之環 架感測器系統有其效用0譬如，圓頂之形狀可依雷達秘密 考慮作指定，而非氣體動力考慮。該圓頂或窗可安裝於其 他空中平台上，譬如於平台機身或機翼之外殼之共形窗〇 其他應用包括使用一共形窗與結合用於裝甲車輛或坦克之 環架光學感測器〇於此等情況，該窗爲非圓形或非扁平。 要了解上述具體形式只爲代表本發明原理可能之特定 具體形式之例示0依據此等原理，業界技術熟練人員可迅 即設計出其他配置而不脫離本發明之範疇與精神〇 (請先閲讀背面之注意事項再>9本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X29*7公釐） -11-

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 40S196 含 8: ___ D8 ___ 六、申請專利範園 1 . 一種感測器系統（5 0 )，採用動態光學校正供校正動 態變化中之像差，包含： —非圓形圓頂或窗構造（60)，其由於一頻譜範圍傳 輸入射波前能量之材料所製造； —組（110)環架元件，配置於圓頂/窗構造內’包 括一第一光學系統（7 0、8 0 )，供以將經一視域內圓頂構造 入射之能量導引至一影像平面（92 )，所述第一光學系統包 括一可變形鏡（80 )，及一感測器陣列（ίΗ )，配置於所述影 像平面； —環架機構（120)，供以回應環架位置命令，將第 一光學系統與該光學校正系統自由水平橫過一移動範圍； —動態引動器（82 )，供以回應鏡變形命令，使所述 可變形鏡變形；及 —控制器（10 0)，適合產生所述環架位置命令，控 制該環架機構，將該環架元件組定位於移動範圍內之位置 ，所述控制器進一步適用於所述鏡變形命令，控制該動態 引動器，提供當該光學裝置自由水平橫過視域時，動態光 學校正由圓頂/窗構造所導入之光學像差〇 2 .如申請專利範圍第1項之系統，其進一步特色爲所 述第一光學系統包括一主鏡（7 0 )與一副鏡（8 0 ) 〇 3 .如申請專利範圍第2項之系統，其進一步特色爲所 述副鏡（80)爲所述可變形鏡。 4 .如申請專利範圍第1、2或3項之系統，其中所述控 制器（100)適合第一模式操作，其中該控制器回應一組包 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X2914#-) ~ ~ I---------^------1T-------^ - - _ 垂 .(請先閲請背面之注意事項具，^本頁) - < 經濟部中央椟準局員工消費合作社印裝 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 括圓頂溫度與環架指向角之操作參數，產生鏡變形命令， 將可變形鏡成形〇 5 ·如申請專利範圍第1、2或3項之系統，其進一步特 色爲一影像處理器（1〇2)，用以處理感測器陣列（94)提供 之影像資料，並確定要進行之校正，_而其中所述控制器 (100)爲適用於反饋式迴路模式操作，其適用於依賴影像 處理器之校正信號產生鏡變形命令將鏡成形。 6 .如申請專利範圍前述任一項之系統，其進一步特色 爲所述環架元件組（110)尙包括一光學中繼系統（90)，用 以將所述入射波前能量中繼至所述影像平面（92 )上。 7 .如申請專利範圍前述任一項之系統，其進一步特色. 爲該感測器系統爲安裝於一空中飛弾（40 )上之飛彈搜索系 統0 8 .—種組裝感測器系統之方法，該感測器包含一組環 架元件（110)，後者包括—第—光學系統，將入射於視域 內之能量導引至一影像平面（92)，所述第一光學系統包括 一.可變形鏡（8 0 )，而一感測器陣列（9 4 )配置於所述影像平 面，該感測器系統尙包括一鏡控制器（i 0 0 )與一組（8 2 )鏡 引動器，依據鏡控制器產生之變形命令將鏡變形，該方法 包含以下序列之步驟： 提供（ 204 )各環架元件； 組裝（206)該組環架元件，並進行各環架元件之對 正； 性能測試（208 )該組裝之環架元件，確定與一組預 本紙張尺度適用中國國^•標準（CNS〉Λ4規格（210x2+9X^^_) I I 裝 I. — H —訂 — — — — — — 線-'. .(請先閱讀背面之注意事項f〜寫本頁) · 一 6 9 丄 6ο 4 ABCD 六、申請專利範圍 定性能規格之偏差，並確定使組裝之環架元件組符合所述 預定性能規格組所需之一組鏡校正量；以及 以該鏡校正量程式規劃（2 1 0 )該控制器，以於搜索 器操作期間補償該搜索器〇 9 .如申請專利範圔第8項之方法，其中提供環架元件 組之步驟包括依據相當大之尺寸容許差製造該環架元件〇 1 〇 .如申請專利範圍第8或9項之方法，其進一步包含步 驟（212)爲將飛彈搜索系統與飛彈（40)整合。 ------,----s---------1T-"---i.--.it Γ · .(請先閲讀背面之注意事項^寫本頁) · · 經濟部中央標率局員工消費合作社印聚 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（21〇X2+97_^fJ