An optical system having an adjustable shim

本発明はミサイルのシーカーのような航空機用の光学システムの分野に関する。

伝統的に、ミサイルはそれらの赤外線シーカーに金属のシムを使用しており、ミサイルの一部はターゲットを目掛けることに使用されている。 プロセスは公称的またはベストゲスのシムをシステムへ位置付け、試験局で測定を行い、その後反復的にシムを変更し、適切な性能が得られるまでさらに測定を行うことを含んでいる。

本発明の特徴によれば、電気的に制御された調節可能なシム（アクチュエイタ）は光学システムの焦点平面アレイ（または他の検出器）の位置付けを制御するために使用されることができる。 調節可能なシムは検出器の予め定められた平面性の要求を実現するために、または検出器の等しい値、焦点または軸方向位置へ指令されたとき、焦点平面アレイまたは他の検出器の傾斜を制御するために使用されることができるピエゾ電気アクチュエイタであることができる。 検出器およびシムは航空機または宇宙船光学システムの一部であってもよく、例えばミサイルの赤外線シーカーの部分であってもよい。 シムは制御装置に結合されて動作することができ、その制御装置は温度センサに結合されることができ、それによって飛行中に受ける可能性がある温度変化のような温度の変化に対して検出器の所望位置及び平面性を維持する。

本発明の別の特徴によれば、変化する環境を通して移動する光学システムを制御する方法は、環境における変化を感知し、光学システムのマウントに関する光学システムの検出器の位置を調節するために光学システムの１以上の調節可能なシムの厚さを調節し、環境における変化を補償するステップを含んでいる。

本発明のさらに別の特徴によれば、飛行する発射体の一部である光学システムは、検出器と、光を検出器方向に誘導する光学系と、光学系に関して検出器の傾斜を調節する調節可能なシムとを含んでいる。

前述及び関連する目的の実現のために、以下の説明および添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明している。 しかしながらこれらの実施形態は本発明の原理が使用されることができる幾つかの種々の方法を示している。 本発明のその他の目的、利点、優れた特性は図面を伴って考慮するとき本発明の以下の詳細な説明から明白になるであろう。

本発明の１実施形態による光学システムの側断面図である。

図１の光学システムの斜断面図である。

図１の光学システムの部分、即ちカメラマウント及び検出器アセンブリの斜視図である。

図３に示されている部分の展開図である。

ミサイルのような航空機の一部としての図１の光学システムの概略図である。

必ずしも実寸大ではない添付図面は本発明の種々の特性を示している。
光学システムは焦点平面アレイのような検出器と検出器を支持するフレーム（マウント）との間の結合においてアクチュエイタを含んでいる。 そのアクチュエイタは電圧を与えることにより厚さを調節されることができる付勢されたピエゾ電気シムであることができる。 アクチュエイタ（シム）の厚さの調節はフレーム（および光学システムの他の部品）に関して検出器の傾斜及び焦点（軸方向位置）を制御するために使用されることができる。 光学システムは宇宙船または航空機、例えばミサイルの赤外線シーカーのような飛行ビークルの一部であることができる。 このシステムは温度センサと、例えば検索表を使用して温度に基づいて付勢されたシムの厚さを調節する制御システムを含むことができる。 システムはしたがってシステムの使用中に遭遇する温度の変化のような環境の変化に応答してそれ自体を調節することができる。 ピエゾ電気シムのような付勢して調節可能なシムを使用することによって、動作期間中に種々の調節が可能である。 また、システムの所望構造、例えば焦点平面アレイまたはその他の検出器の傾斜が所望されたものではない場合に固定された（非調節可能な）シムを異なる厚さのシムと交換する必要がない。 調節可能なシムの使用によって、マウントまたはシステムの他の部分に関する検出器の所望の平行性は種々の動作条件にわたって容易に、確実に、反復可能に実現される。 また、システムの焦点を再度合わせることは、関係するオブジェクトに対する範囲／距離の変化のために最適なシステム性能を維持するために実現されることができる。

最初に図１及び２を参照すると、光学システム10は検出器14と、検出器14上に入射する光を受光し焦点を結ぶための光学系18とを含むカメラアセンブリ12を含んでいる。 用語「光」はここで使用されるとき、可視スペクトルを超える放射を含んでいる、例えば赤外線放射波長を含めた広範囲の放射波長を含むと解釈される。 光学系10はしたがって赤外線シーカーであることができるが、光学システム10は不可視または可視放射の他の波長を検出するように構成されることができることが認識されよう。

そのうちの幾つかのみが示されている光学系18は一次ミラー22と中継レンズ24を含んでいる。 一次ミラー22は例えば光学システム10に入射する放射、例えばラドーム（図示せず）を通って入って来る放射を集中させるために他のミラー（図示せず）と協力して動作する。 中継レンズ24はミラーにより集中された光を検出器14方向へ焦点を結ばせる。 １例の検出器14は焦点平面アレイであり、例えば長方形アレイは電荷結合素子（ＣＣＤ）のような赤外線放射または他の光に対して敏感な画素を有する。 システム10はまた１以上の回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）として実体化される電子装置28も含んでいる。 電子装置28は検出器14により受信された情報を受信し、恐らく処理するために使用されることができる。 電子装置28は以下さらに説明するように、検出器14の位置付けを制御し、例えば検出器14の傾斜を制御する制御システム30の一部であることができる。

図３および４を参照すると、カメラアセンブリ12の構造がさらに詳細に示されている。 カメラアセンブリ12は検出器アセンブリ40を含み、その検出器アセンブリ40は検出器14とヒートシンク42を含んでいる。 検出器14はヒートシンク42が検出器14の動作中に検出器14により発生された熱を放散するためにヒートシンク42に結合されている。 検出器アセンブリ40はカメラマウント46に結合され、そのカメラマウント46はカメラアセンブリ12の位置に保持するために機械的にカメラアセンブリ12を一次ミラー22に結合するために使用される。 座金50を有する３個のねじ48を使用してカメラマウントは一次ミラー22に固定されている。 検出器アセンブリ40はカメラマウント46のリング52（に関して半径方向で内方向に）のボード内でカメラマウント46に結合される。 カメラマウント46はリング52（に関して半径方向に外方向に）の機外で一次ミラー22に結合されている。

付勢可能なシム54のセットは検出器アセンブリ40とカメラマウント46との間に位置される。 このシム54は任意の種々の適切な手段または機構を使用して、例えば接着剤、螺子またはねじ止めされたリングを使用して固定されることができる。 付勢可能なシム54はこれらが選択的に変更されることのできる厚さを有する点で付勢可能である。 付勢可能なシム54は全て実質的に相互に同一であることができ、円筒形の形状を有することができ、ヒートシンク42の表面およびカメラマウント46の平面に面するシリンダ平面を備えている。 付勢可能なシム54はピエゾ電気材料から作られることができ、それらを横切る電圧の印加によって形状を変化することができる。 個々のシム54の厚さを変化することにより、検出器14の位置は中継レンズ24に関してのように、光学系18に関して変化されることができる。 特に、付勢可能なシム54は所望の平面性で、中継レンズ24の焦点平面に検出器14を位置付けるために使用されることができる。 シム54は中継レンズ24および光学システム10の他の部分に関して検出器14の平面性を制御するために検出器14の傾斜を制御するのに使用されることができる。 検出器14に対して所望される平面性は１．５ミリラジアン（ｍｒａｄ）のような予め定められた平面性の限度よりも低いことができる。

さらに、シム54は光学系18に関して検出器14の垂直位置を変化するため、同時に厚さを全て変化することができる。 これはシステムの焦点を変化し、システムの焦点を再度合わせることによって、関係するオブジェクトに対する範囲／距離の変化のために最適なシステム性能を維持することが可能になる。

既に述べたように、付勢可能なシム54はピエゾ電気材料を横切って与えられる電圧の関数として、可変の厚さに対する可変の力を与えるピエゾ電気材料から作られることができる。 シム54は円筒形のピエゾ電気材料のスラブであることができ、ピエゾ電気材料のスラブを横切って可変電圧を供給するために設けられた電極を備えている。 ピエゾ電気アクチュエイタは高い信頼性、小さい寸法及び重量の利点を有する。 さらにピエゾ電気アクチュエイタは与えられる電圧がなく、パワーオフ条件でさえも位置を維持する利点を有する。 広い範囲の適切な市場で入手可能なピエゾ電気アクチュエイタが利用可能である。

他の代替手段が付勢可能なシム54に対して可能であることが認識されよう。 例えば音声コイルがピエゾ電気材料の付勢可能なシムの代わりに使用されることができる。 音声コイルはコイルに与えられる電流を変化することにより付勢可能なシムの厚さを変化させるのに使用されることができ、それによって同じコイルの部分の相対的に可動な部分によって音声コイルの厚さ全体を増加または減少させる。 他の可能性としてはピエゾ電気材料を有するウィグルモーター（回転モーター）と、小さいピコモーター（ピエゾ電気材料を有するステッパモーター）の使用が含まれている。

付勢可能なシム54の使用は光学システム10に多くの利点を与える。 異なる厚さの固定された付勢できない（一定の厚さの）シムを交換する時間がかかるプロセスは回避される。 付勢可能なシム54は交換を可能にするためにアクセス可能である必要はないので、付勢可能なシム54は光学システム10内のアクセス可能ではない位置に位置されることができる。 このことは付勢可能なシム54は、付勢されるときに光学システム10の小さい部分を、それらの一定の厚さのシムにより傾斜された先の光学システムの量に関して動かすように、位置付けられることができることを意味している。 例えば、付勢可能なシム54は、検出器14とヒートシンク42を含む検出器アセンブリ40のみを傾斜するように構成されることができる。 付勢可能なシム54を有する動かす必要のある質量がより少ないことが好都合であることが認識され、より少量の動かされる質量はより少ない力が付勢可能なシム54から必要とされることを意味している。 より少量の質量は光学センサパッケージ全体を指向し安定化するためのサーボ制御システムの応答をより高速度にする。

さらに、付勢可能なシム54の使用は光学システム10が温度範囲のような条件範囲においてより良好に動作することを可能にする。 個々の付勢可能なシム54の厚さは検出器14の傾斜および／または位置を調節するため、付勢可能なシム54に与えられる電気信号を変化することにより変化されることができる。 これは検出器14を所望される平面性と、中継レンズ24の焦点平面にまたはその近くのような中継レンズ24に関する所望位置に位置付ける。 光学システム10の動作期間中に検出器14の移動を可能にすることによって、光学システム10の材料は、光学システム10の異なる部分の熱膨張係数を整合させるか温度にわたる指数または屈折率の変化を整合させるという従来のシステムと同じことにこだわらずに選択されることができることが認識されよう。 調節可能なシム54はシステム10の異なる部分が異なる割合で膨張または収縮するときに検出器14の（傾斜を含む）位置付けを制御するため原位置で調節されることができるので、異なる熱膨張係数は異なる部分で使用されることができる。 光学系及び支持構造のより大きな材料選択範囲は、設計者がより廉価な材料および／またはより容易に製造されることができる材料を選択することを可能にできる。

図５を参照すると、光学システム10はミサイルのような発射体80の一部であり、例えばミサイルの赤外線シーカーである。 光学システム10は調節可能なシム54（図３）を制御するために使用される制御システム30に結合されて動作する。 制御システム30は制御システム30によって使用される情報を提供するセンサ84（または多数のセンサ）に結合されることができる。 センサ84は光学システム10が遭遇する環境についての情報を提供する温度センサのような環境センサ（例えば熱電対または抵抗温度検出器）であることができる。 センサ84は発射体80の内部および／または外部の環境についての情報を検出し、情報を制御システム30へ与え、それは調節可能なシム54を調節するために使用されることができる。 別の代替として、センサ84はターゲットまでの距離を感知でき、それによってシステムは最適な光学システム性能について焦点を再度調節することができる。

制御システム30は検出器14（図３）を適切な位置に維持するようにシム54を調節するため任意の種々の機構を使用できる。 １例として、検索表はある温度において調節可能なシム54の適切な信号を与えるために使用されることができる。 温度がセンサ84（多数のセンサが使用されることができる）により検出されるとき、制御システム30は検出器14を光学システム10の他の部分に関して正確に位置付けるために、その温度を電圧の記憶された値または調節可能なシム54に与えられる他の信号と比較する。 制御システム30における適切な調節可能なシムの信号の決定は、検索表または制御システム30内にデータを記憶するための他の機構中の値の間の補間のような他のプロセスを含むことができる。 記憶された値を超える追加的な補間が使用されることもできる。 さらに制御システム30は１つの形態から別の形態へデータを変換でき、例えば調節可能なシム54の厚さを調節可能なシム54として機能するピエゾ電気アクチュエイタの電圧値に変換する。

検索表に対する代替が可能であることが認識されよう。 例えば制御システム30は温度（または他の環境データ）をシム54の付勢と、検出器14の所望位置の発生とに必要とされるパラメータへ直接変換する１以上の等式を使用することができる。 このような変換は例えば適切な等式または表により実現されることができる。

制御システム30の検索表は制御可能な環境において光学システム10を試験することにより生成されることができる。 光学システム10は、検出器の所望位置を発生するために調節可能なシム54に与えられる異なる電圧（または他の信号）により、連続的に異なる温度にされることができる。 各個々の光学システム10は適切な検索表を与えるために試験されることができることが認識されよう。 代わりに及び好ましくは、このような方法により生成された検索表は類似の構造の全ての光学システムに対して、より一般的に使用されることができる。 類似の方法は環境データを調節可能なシム54の適切な位置へ変換するための他のタイプの機構を決定するのに使用されることができることが認識されよう。

本発明をある好ましい実施形態に関して示し説明したが、この明細書及び添付図面を読み理解すれば、等価の代替及び変更が当業者により行われることが明白である。 特に前述の素子（コンポーネント、アセンブリ、装置、組成等）により行われる種々の機能に関して、このような素子を説明するために使用された（「手段」の参照を含む）用語は特に指示されていなければ、本発明のここで示された例示的な実施形態の機能を行う説明された構造に対して構造的に等しくなくても、説明された素子の特定された機能（即ち機能的に等価）を行う任意の素子に対応することを意図している。 さらに本発明の特定の特徴を幾つかの示された実施形態のうち１以上のみに関して説明したが、このような特徴は任意の与えられたまたは特定の応用について所望および有効であるように、他の実施形態の１以上の特性と組み合わせられることができる。