示例性實(shí)施例總體上涉及一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并且更特別地涉及一種可以用在包括激光測(cè)量和激光通信的多種應(yīng)用中的離軸光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

背景技術(shù)：

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡廣泛用于多種目的。例如，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以用于激光測(cè)量或者激光通信。關(guān)于激光測(cè)量，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以支持光探測(cè)和測(cè)距(LiDAR)，其中通過(guò)用激光照射目標(biāo)并且隨后分析反射的光而獲得距離測(cè)量值。這樣，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以支持地形測(cè)量。此外，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以支持激光通信，包括空氣對(duì)地面通信、地面對(duì)地面通信、表面對(duì)地面通信、表面對(duì)表面通信和/或空氣對(duì)表面通信。如這里所使用的，“表面”可以不僅指地面，也指其他類型的表面，比如水體的表面。

在一些應(yīng)用中，可以分配給光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的尺寸和重量是有限的，由此也對(duì)可以用在這些應(yīng)用中的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡造成了限制。此外，一些應(yīng)用可能要求相對(duì)大的孔徑和視域，其進(jìn)而可能由于由一些光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所施加的孔徑和視域的約束而對(duì)可能有效地服務(wù)于這些應(yīng)用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡造成限制。本文中，視域是當(dāng)指向所有機(jī)械上可能的位置時(shí)被探測(cè)器覆蓋的區(qū)域。此外，一些光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可能包括多個(gè)折射光學(xué)元件，這些折射光學(xué)元件進(jìn)而可能限制或者阻止多光譜感測(cè)和激光器的集成，而該集成在一些應(yīng)用中可能是所希望的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。由于其幾何布局和其離軸構(gòu)造，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以具有相對(duì)小的尺寸和相對(duì)輕的重量，以便使光學(xué)望遠(yuǎn)鏡能夠用于很多種應(yīng)用，包括對(duì)可以分配給光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的尺寸和重量造成了限制的那些應(yīng)用。此外，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以具有相對(duì)寬的孔徑和視域，使得光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以服務(wù)于要求寬的孔徑和視域的應(yīng)用。實(shí)際上，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在小的封裝尺寸中具有大的孔徑尺寸，同時(shí)提供了通過(guò)使用快速導(dǎo)向鏡的靈活的掃描和指向、提供了由于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的幾何形狀而產(chǎn)生的半球形視域并提供了由于閉環(huán)陀螺儀控制構(gòu)造而產(chǎn)生的基本運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。此外，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡限制了折射光學(xué)元件的數(shù)量，以便支持多光譜感測(cè)和激光器的集成。因此，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以用在包括激光測(cè)量和激光通信的很多種應(yīng)用中。

在一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括導(dǎo)向鏡，該導(dǎo)向鏡被配置成接收和重新定向光信號(hào)。導(dǎo)向鏡被配置成可控地定向，以便控制光信號(hào)重新定向的方向并且以便相應(yīng)地控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的視線。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括束管，該束管包括轉(zhuǎn)向鏡，該轉(zhuǎn)向鏡被配置成接收來(lái)自于導(dǎo)向鏡的光信號(hào)。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括主鏡，該主鏡位于轉(zhuǎn)向鏡的下游并且被配置成使光信號(hào)準(zhǔn)直。此外，這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括輸出鏡，該輸出鏡被配置成接收來(lái)自于主鏡的光信號(hào)并且重新定向從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡輸出的光信號(hào)。輸出鏡被配置成可控地定向，以便控制光信號(hào)重新定向的方向并且以便相應(yīng)地控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的視線的仰角。

一個(gè)示例性實(shí)施例的導(dǎo)向鏡被配置成繞第一軸線和第二軸線旋轉(zhuǎn)，并且輸出鏡被配置成繞垂直于第一軸線的第二軸線旋轉(zhuǎn)。一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括折疊鏡，該折疊鏡被配置成接收來(lái)自于轉(zhuǎn)向鏡的光信號(hào)并重新定向該光信號(hào)。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還可以包括輔助鏡，該輔助鏡被配置成接收來(lái)自于折疊鏡的光信號(hào)并且將該光信號(hào)重新定向到主鏡上。輔助鏡可以被配置成使該光信號(hào)擴(kuò)展。一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的方位角關(guān)聯(lián)以感測(cè)導(dǎo)向鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器，并包括與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的仰角關(guān)聯(lián)以感測(cè)輸出鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器。一個(gè)示例性實(shí)施例的輸出鏡具有橢圓形狀。

在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括基座、由基座承載的平臺(tái)和從基座向外延伸的一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括導(dǎo)向鏡，該導(dǎo)向鏡被配置成接收和重新定向光信號(hào)。導(dǎo)向鏡被配置成可控地旋轉(zhuǎn)，以便控制光信號(hào)重新定向的方向。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括束管，該束管通過(guò)一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置承載并且包括轉(zhuǎn)向鏡，該轉(zhuǎn)向鏡被配置成接收來(lái)自于導(dǎo)向鏡的光信號(hào)。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括主鏡，該主鏡由一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置承載并且定位在轉(zhuǎn)向鏡的下游，以便使光信號(hào)準(zhǔn)直。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括輸出鏡，該輸出鏡由一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置承載并且被配置成接收來(lái)自于主鏡的光信號(hào)和重新定向從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡輸出的光信號(hào)。輸出鏡被配置成相對(duì)于該一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置可控地旋轉(zhuǎn)，以便控制光信號(hào)重新定向的方向。

在一個(gè)示例性實(shí)施例中，導(dǎo)向鏡被配置成繞第一軸線和第二軸線旋轉(zhuǎn)，并且輸出鏡被配置成繞垂直于第一軸線的第二軸線旋轉(zhuǎn)。一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括折疊鏡，該折疊鏡由一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置承載并且被配置成接收來(lái)自于轉(zhuǎn)向鏡的光信號(hào)以及重新定向該光信號(hào)。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也還包括輔助鏡，該輔助鏡由一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置承載并且被配置成接收來(lái)自于折疊鏡的光信號(hào)以及將該光信號(hào)重新定向到主鏡上。這個(gè)示例性實(shí)施例的輔助鏡還可以被配置成使光信號(hào)擴(kuò)展。一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的方位軸線關(guān)聯(lián)以感測(cè)導(dǎo)向鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器，并包括與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的仰角關(guān)聯(lián)以感測(cè)輸出鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器。一個(gè)示例性實(shí)施例的輸出鏡具有橢圓形狀。一個(gè)示例性實(shí)施例的基座具有柱形形狀。

在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括基座、由基座承載的平臺(tái)和從基座向外延伸的多個(gè)支柱。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括被配置成接收和重新定向光信號(hào)的導(dǎo)向鏡。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括束管，該束管由第一支柱承載并且包括轉(zhuǎn)向鏡，該轉(zhuǎn)向鏡被配置成接收來(lái)自于導(dǎo)向鏡的光信號(hào)以及重新定向該光信號(hào)。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括折疊鏡，該折疊鏡由第二支柱承載并且被配置成接收來(lái)自于轉(zhuǎn)向鏡的光信號(hào)以及重新定向該光信號(hào)。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括輔助鏡，該輔助鏡由第三支柱承載并且被配置成接收折疊鏡的光信號(hào)以及重新定向該光信號(hào)。這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括主鏡，該主鏡由第二支柱承載并且被配置成接收來(lái)自于輔助鏡的光信號(hào)以及使該光信號(hào)準(zhǔn)直。此外，這個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括輸出鏡，該輸出鏡由第三支柱承載并且被配置成接收來(lái)自于主鏡的光信號(hào)以及重新定向從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡輸出的光信號(hào)。

一個(gè)示例性實(shí)施例的導(dǎo)向鏡被配置成繞第一軸線和第二軸線旋轉(zhuǎn)，并且輸出鏡被配置成繞垂直于第一軸線的第二軸線旋轉(zhuǎn)。一個(gè)示例性實(shí)施例的輔助鏡被配置成使光信號(hào)擴(kuò)展。一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還包括與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的方位軸線關(guān)聯(lián)并感測(cè)導(dǎo)向鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器，并包括與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的仰角關(guān)聯(lián)并感測(cè)輸出鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器。一個(gè)示例性實(shí)施例的基座具有柱形形狀。

附圖說(shuō)明

如此總體上描述了本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例之后，現(xiàn)在將參考附圖，這些附圖沒(méi)有必然按照比例繪制，并且其中：

圖1是根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的立體圖；

圖2是根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)示例性實(shí)施例的圖1的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的截面?zhèn)纫晥D；

圖3是在與圖2中所示的相反的方向上獲得的圖1的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的截面?zhèn)纫晥D；

圖4是穿過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光信號(hào)的路徑的示意性表示；

圖5是本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的部件的框圖，其圖示了為了穩(wěn)定的目的而使用的反饋；以及

圖6是根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)示例性實(shí)施例的相對(duì)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的視線(line of sight)由控制器執(zhí)行的操作的控制圖。

具體實(shí)施方式

本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例現(xiàn)在將在下文中參考附圖進(jìn)行更全面的描述，其中附圖中顯示了一些但不是所有的實(shí)施例。實(shí)際上，這些實(shí)施例可以以許多不同的形式實(shí)現(xiàn)并且不應(yīng)該被解釋為對(duì)本文中闡述的實(shí)施例的限制；相反，這些實(shí)施例被提供使得本公開(kāi)內(nèi)容將滿足適用的法律要求。貫穿全文，相同的標(biāo)號(hào)指代相同的元件。

根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，比如體腔鏡(coeloscope)。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以用于很多種應(yīng)用，包括例如激光測(cè)量和激光通信。關(guān)于激光測(cè)量，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以支持地形測(cè)量和/或基于LiDAR的測(cè)量。關(guān)于激光通信，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被配置成支持寬范圍的激光通信，包括空氣對(duì)地面通信、地面對(duì)地面通信、表面對(duì)地面通信、表面對(duì)表面通信和/或空氣對(duì)表面通信。

雖然光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以以多種方式配置，但在圖1中描述了一種示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10。如所示的，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括基座12和一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置14，該一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置從基座向外延伸。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，基座12具有柱形形狀，并且包括該基座和該一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置14的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10被配置成收容在柱形體積內(nèi)。在圖示的實(shí)施例中，該一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置14包括從基座12向外延伸的多個(gè)支柱，比如第一、第二和第三支柱。但是，該一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置14可以以其他的方式配置，例如包括繞基座12的全部周邊或者一部分周邊向外延伸的柱形側(cè)壁。

基座12可以安裝到工作臺(tái)13上，如圖2和圖3所示。工作臺(tái)13進(jìn)而可以由運(yùn)載工具運(yùn)載，比如飛機(jī)或者其他航空飛行器、空間飛行器、地面運(yùn)載工具、船舶或者其他水基運(yùn)載工具，等等?？商鎿Q地，工作臺(tái)13可以是固定的結(jié)構(gòu)。在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10被配置成發(fā)射光信號(hào)的實(shí)施例中，工作臺(tái)13和/或基座12可以承載或者以其他的方式容納激光器18，激光器產(chǎn)生光信號(hào)21，該光信號(hào)被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可控地發(fā)射，比如用于激光測(cè)量、激光通信或者其他的應(yīng)用。此外或者可替換地，在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被配置成接收光信號(hào)的實(shí)施例中，工作臺(tái)13和/或基座12可以承載或者以其他方式容納探測(cè)器或者其他類型的用于接收光信號(hào)的接收器。為了解釋說(shuō)明但是非限制的目的，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10在下文中將連同光信號(hào)的發(fā)射一起描述，然而該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以同樣地用于光信號(hào)的接收。

如圖1以及圖2和圖3中的截面所示，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括多個(gè)光學(xué)元件，該多個(gè)光學(xué)元件用于可控地引導(dǎo)激光器產(chǎn)生的光信號(hào)以便控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的方位角和仰角。在這方面，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括導(dǎo)向鏡(steering mirror)20，該導(dǎo)向鏡被配置成接收來(lái)自于激光器18的光信號(hào)并且改變光信號(hào)的方向。典型地，導(dǎo)向鏡20具有圓形形狀，但是在圖2中僅僅顯示了導(dǎo)向鏡的一半，導(dǎo)向鏡的另一半為了圖示說(shuō)明的目的而去除，使得可以看到在導(dǎo)向鏡的背后的其他部件。在圖1中圖3中描述的方位中，激光器由基座12或者工作臺(tái)13承載并且定向以便發(fā)射光信號(hào)，該光信號(hào)向上(比如豎直地)傳播穿過(guò)基座到導(dǎo)向鏡20，該導(dǎo)向鏡進(jìn)而改變光信號(hào)的方向，比如改變到近似垂直于光信號(hào)從激光器傳送到導(dǎo)向鏡的方向的方向上。在圖2和圖3中描述的示例性實(shí)施例中，并且如圖4中的光信號(hào)的路徑的示意性表示所示，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10(比如基座12)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件22(比如透鏡)，該光學(xué)元件定位在激光器18和導(dǎo)向鏡20之間，以將光信號(hào)引導(dǎo)到導(dǎo)向鏡。

雖然導(dǎo)向鏡20可以以各種方式配置，但是圖示的實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括導(dǎo)向鏡組件，該導(dǎo)向鏡組件包括由平臺(tái)15承載并且可與該平臺(tái)15一起旋轉(zhuǎn)的殼體24并包括進(jìn)而由該殼體承載的導(dǎo)向鏡。導(dǎo)向鏡20被配置成可控地定向，以便控制光信號(hào)重新定向的方向以及以便相應(yīng)地控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的視線。例如，導(dǎo)向鏡20可以可控地定向，以便相應(yīng)地控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的視線的方位角和仰角，或者以便在第一和第二軸線分別不與方位軸線和仰角軸線對(duì)準(zhǔn)的實(shí)施例中與方位角和仰角無(wú)關(guān)(be independent of)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，平臺(tái)15由基座12承載并且被配置成相對(duì)于基座和工作臺(tái)13旋轉(zhuǎn)，其中平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)而使得導(dǎo)向鏡20相對(duì)于基座和工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。雖然平臺(tái)15可以被配置成以各種方式相對(duì)于基座12旋轉(zhuǎn)，但是一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括設(shè)置在基座內(nèi)的方位馬達(dá)29，比如直流馬達(dá)。如圖2和圖3所示，方位馬達(dá)29包括方位馬達(dá)定子30、方位馬達(dá)轉(zhuǎn)子32、滑環(huán)刷塊34和滑環(huán)轉(zhuǎn)子36。此外，這個(gè)示例性實(shí)施例的基座12包括方位軸承37，該方位軸承包括方位軸承上元件38、方位軸承下元件40和方位軸承襯墊42，以便于基座相對(duì)于工作臺(tái)的受控旋轉(zhuǎn)。因此，基座12可以使平臺(tái)15相對(duì)于工作臺(tái)可控地旋轉(zhuǎn)，以相應(yīng)地使得導(dǎo)向鏡20通過(guò)基座相對(duì)于工作臺(tái)13旋轉(zhuǎn)。

如下文中描述的以及如圖5中所示，平臺(tái)15以及因此導(dǎo)向鏡20相對(duì)于基座12和工作臺(tái)13的旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)控制器43(比如計(jì)算裝置)引導(dǎo)，該控制器與方位馬達(dá)29通信。控制器43可以以許多不同的方式實(shí)現(xiàn)。例如，控制器43可以實(shí)現(xiàn)為一個(gè)或多個(gè)各種硬件處理器件，比如一個(gè)或多個(gè)處理器、協(xié)同處理器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、具有或者不具有伴隨的DSP的處理元件、或者包括集成電路的各種其他類型的處理電路，比如，例如ASIC(專用集成電路)、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)、微控制器單元(MCU)、硬件加速器、專用計(jì)算機(jī)芯片，等等。

一個(gè)示例性實(shí)施例的基座12還配置成確定平臺(tái)15以及相應(yīng)地導(dǎo)向鏡20相對(duì)于基座和工作臺(tái)13的位置，比如旋轉(zhuǎn)位置。在這方面，一個(gè)示例性實(shí)施例的基座12還包括方位位置傳感器45，該方位位置傳感器包括方位位置傳感器轂44、方位位置傳感器定子46和方位位置傳感器轉(zhuǎn)子48，用于確定平臺(tái)15相對(duì)于工作臺(tái)13的位置。此外如圖5所示，方位位置傳感器45可以與控制器43通信，使得控制器進(jìn)而可以引導(dǎo)方位馬達(dá)29以基于平臺(tái)相對(duì)于工作臺(tái)的當(dāng)前位置而相對(duì)于基座12和工作臺(tái)13可控地旋轉(zhuǎn)平臺(tái)15。

如圖1和圖4所示，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10還包括束管50，該束管包括轉(zhuǎn)向鏡(turning mirror)52，該轉(zhuǎn)向鏡被配置成接收來(lái)自于導(dǎo)向鏡20的光信號(hào)以及改變?cè)摴庑盘?hào)的方向。束管50還可以包括比如轉(zhuǎn)向平板54的光學(xué)元件，該光學(xué)元件用于初始接收來(lái)自于導(dǎo)向鏡20的光信號(hào)并進(jìn)而用于使該光信號(hào)改變方向穿過(guò)束管到達(dá)轉(zhuǎn)向鏡52。這樣，轉(zhuǎn)向平板54和轉(zhuǎn)向鏡52可以定位在束管50的相對(duì)端部處。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)向平板可以具有橢圓形狀。束管50還可選地包括一個(gè)或多個(gè)附加光學(xué)元件56，該附加光學(xué)元件定位在轉(zhuǎn)向平板54與轉(zhuǎn)向鏡52之間，以將從導(dǎo)向鏡20接收的光信號(hào)可控地引導(dǎo)到轉(zhuǎn)向鏡。如圖1所示，束管50由直立支撐裝置14中的一個(gè)或多個(gè)承載，比如由從平臺(tái)15向外延伸的第一支柱承載。在圖示的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)向平板54由第一支柱在鄰近平臺(tái)15的位置處承載，轉(zhuǎn)向鏡52由第一支柱的相對(duì)端在與平臺(tái)間隔開(kāi)的位置處承載，并且另外的光學(xué)元件56定位在它們之間。

一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10還包括由一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置14承載的折疊鏡60，比如轉(zhuǎn)向平板。在這個(gè)方面，轉(zhuǎn)向平板是被配置成使光信號(hào)改變方向的平面光學(xué)元件。在圖示的實(shí)施例中，折疊鏡60由第二支柱承載。折疊鏡60被配置成接收來(lái)自于束管50的轉(zhuǎn)向鏡52的光信號(hào)并且使光信號(hào)23改變方向。在這個(gè)方面，該示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10還包括輔助鏡62，該輔助鏡由一個(gè)或多個(gè)直立支撐元件14承載，比如由第三支柱承載。輔助鏡62被配置成接收來(lái)自于折疊鏡60的光信號(hào)以及使該光信號(hào)改變方向。輔助鏡62可以具有彎曲的形狀，以便使改變方向的光信號(hào)擴(kuò)展(expand)。

圖示的實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10還包括主鏡64，該主鏡由一個(gè)或多個(gè)直立支撐裝置14承載，比如由還承載折疊鏡60的第二支柱承載。主鏡可以相對(duì)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的中心軸線90成一角度設(shè)置，以接收來(lái)自于輔助鏡62的光信號(hào)25，并且進(jìn)而以期望的方式使光信號(hào)27改變方向。在這個(gè)方面，主鏡64可以是準(zhǔn)直光學(xué)元件以便使該光信號(hào)準(zhǔn)直(collimate)。一個(gè)示例性實(shí)施例的主鏡被配置成在方位上可控地旋轉(zhuǎn)360^o以便提供半球形的視域。

而且，圖示的實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括輸出鏡66，該輸出鏡被配置成接收來(lái)自于主鏡64的光信號(hào)27以及使從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡輸出的光信號(hào)改變方向，比如以用于激光測(cè)量、激光通信或者其他應(yīng)用。輸出鏡66也由直立支撐裝置14承載，比如由還承載輔助鏡62的第三支柱承載。輸出鏡66被配置成比如通過(guò)相對(duì)于直立支撐裝置14(比如相對(duì)于第三支柱)可控地旋轉(zhuǎn)而可控地定向，以便控制光信號(hào)從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10所指向的方向，比如仰角。一個(gè)示例性實(shí)施例的輸出鏡66可以具有橢圓形狀。在這個(gè)方面，輸出鏡66具有橢圓的形狀，其中該橢圓具有定義了孔徑(即，輸出光束直徑)的尺寸的短軸以及為短軸的預(yù)定倍數(shù)(比如，為短軸的值的1.4倍)的長(zhǎng)軸。一個(gè)示例性實(shí)施例的輸出鏡不具有曲率，并且因此是平坦的。

雖然輸出鏡66可以被配置成以各種方式相對(duì)于直立支撐裝置14旋轉(zhuǎn)，但是一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括仰角馬達(dá)(elevation motor)(比如直流馬達(dá))，該仰角馬達(dá)設(shè)置在直立支撐裝置內(nèi)和/或由直立支撐裝置承載。如圖2和圖3所示，仰角馬達(dá)包括仰角馬達(dá)定子70、仰角馬達(dá)轉(zhuǎn)子72和俯仰軸承(比如俯仰球軸承對(duì)74)。因此，輸出鏡66可以相對(duì)于直立支撐裝置14可控地旋轉(zhuǎn)。如上文中關(guān)于平臺(tái)15和導(dǎo)向鏡20的旋轉(zhuǎn)所描述的，仰角馬達(dá)可以被驅(qū)動(dòng)，并且輸出鏡66可以在控制器43的引導(dǎo)下可控地旋轉(zhuǎn)。一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10還被配置成確定輸出鏡66相對(duì)于直立支撐裝置14的位置(比如旋轉(zhuǎn)位置)。在這個(gè)方面，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10(比如直立支撐裝置14)還可以包括仰角位置傳感器。例如，仰角位置傳感器可以通過(guò)編碼器實(shí)現(xiàn)，該編碼器例如包括編碼器轂76、編碼器定子78和編碼器轉(zhuǎn)子80，用于確定輸出鏡66相對(duì)于直立支撐裝置14的旋轉(zhuǎn)位置。仰角位置傳感器可以與控制器43通信，使得控制器進(jìn)而可以引導(dǎo)仰角馬達(dá)以基于輸出鏡的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置使輸出鏡66相對(duì)于直立支撐裝置14可控地旋轉(zhuǎn)。

在圖示的實(shí)施例中，導(dǎo)向鏡20被配置成繞第一軸線90和第二軸線92(比如，在圖1至圖3的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的圖示方位中，分別是豎直和水平軸線)相對(duì)于工作臺(tái)13旋轉(zhuǎn)。此外，輸出鏡66被配置成繞垂直于第一軸線的第二軸線92可控地旋轉(zhuǎn)。在圖1至圖3中描述的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的方位中，輸出鏡66被配置成繞水平軸線旋轉(zhuǎn)。由于導(dǎo)向鏡與平臺(tái)15一起繞第一軸線90的旋轉(zhuǎn)以及它繞第二軸線92的旋轉(zhuǎn)，一個(gè)示例性實(shí)施例的導(dǎo)向鏡20被配置成相對(duì)于工作臺(tái)13重新定向，以便分別控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的視線的方位角和仰角，比如光信號(hào)從該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡引導(dǎo)出的方位角和仰角?？商鎿Q地，導(dǎo)向鏡20相對(duì)于第一和第二軸線的旋轉(zhuǎn)是與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的視線的方位角和仰角無(wú)關(guān)的。此外，輸出鏡66被配置成比如通過(guò)可控地旋轉(zhuǎn)而相對(duì)于直立支撐裝置14可控地定向，以相應(yīng)地控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的視線的仰角，比如由該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的光信號(hào)的仰角。這樣，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10可以通過(guò)有限數(shù)量的折射光學(xué)元件可控地離軸地(也就是說(shuō)，沿著由方位角和仰角定義的、在與由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的中心軸線90所定義的方向不同的方向上延伸的視線)引導(dǎo)光信號(hào)，以便便于多個(gè)空間傳感器和激光器的集成。通過(guò)以上文中描述的方式控制光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的方位角以及仰角兩者，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的孔徑和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的視域在至少一些實(shí)施例中可以是相對(duì)大的。例如，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以支持9厘米的孔徑和半球形的視域。

一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10被配置成提供開(kāi)環(huán)穩(wěn)定性，以便使由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在動(dòng)態(tài)情況下發(fā)射的光信號(hào)的視線矢量穩(wěn)定。為了提供該開(kāi)環(huán)穩(wěn)定性，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10(比如圖5中所示的控制器43)被配置成確定導(dǎo)向鏡20旋轉(zhuǎn)的慣性角速度和輸出鏡66旋轉(zhuǎn)的角速度。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10包括與導(dǎo)向鏡20關(guān)聯(lián)以感測(cè)導(dǎo)向鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器94(比如陀螺儀傳感器)，并包括與輸出鏡66關(guān)聯(lián)以感測(cè)輸出鏡的慣性角速度的一個(gè)或多個(gè)慣性角速率傳感器96(比如陀螺儀傳感器)。例如，與導(dǎo)向鏡20關(guān)聯(lián)的慣性角速率傳感器94可以包括第一和第二陀螺儀傳感器，其中該第一和第二陀螺儀傳感器相互垂直地定向，以便感測(cè)導(dǎo)向鏡的慣性角速度。類似地，與這個(gè)示例性實(shí)施例的輸出鏡66關(guān)聯(lián)的慣性角速率傳感器96可以包括第一和第二陀螺儀傳感器，該第一和第二陀螺儀傳感器相互垂直地定向，以便感測(cè)輸出鏡的慣性角速度。

控制器43可以被配置成以各種方式引導(dǎo)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的操作，比如導(dǎo)向鏡20和輸出鏡66的旋轉(zhuǎn)位置。但是，在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10由運(yùn)載工具或者處于運(yùn)動(dòng)中的其他本體承載以及由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)出的光信號(hào)旨在瞄準(zhǔn)目標(biāo)的示例性實(shí)施例中，控制器43根據(jù)下列公式將導(dǎo)向鏡20和輸出鏡66的旋轉(zhuǎn)位置和慣性角速度與目標(biāo)的位置關(guān)聯(lián)起來(lái)：

其中，是如由慣性角速率傳感器94所確定的導(dǎo)向鏡20的慣性角速度，是如由慣性角速率傳感器96所確定的輸出鏡66的慣性角速度，r是目標(biāo)的范圍，θ_el是如由仰角位置傳感器75所確定的輸出鏡的旋轉(zhuǎn)位置，θ_az是如由方位位置傳感器45所確定的導(dǎo)向鏡的旋轉(zhuǎn)位置，v_x和v_z是來(lái)自于視線系的目標(biāo)相對(duì)于地心慣性系分別在x和y方向上的相對(duì)速率，并且ω_p、ω_y和ω_r是本體系相對(duì)于地心慣性系的側(cè)傾率、俯仰率和偏航率。v_x、v_z、ω_p、ω_y和ω_r的值可以提供到控制器，比如通過(guò)控制器與其進(jìn)行通信的其他系統(tǒng)提供，比如承載光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的運(yùn)載工具上的導(dǎo)航系統(tǒng)，或者這些值可以由控制器確定，比如關(guān)于v_x和v_z可以由控制器確定。基于前述的公式，控制器43可以被配置成當(dāng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10由運(yùn)載工具或者處于運(yùn)動(dòng)中的其他本體承載時(shí)確定導(dǎo)向鏡20和輸出鏡66的期望的旋轉(zhuǎn)位置，以將光信號(hào)引導(dǎo)到目標(biāo)上。圖5的示例性實(shí)施例的控制器43則可以引導(dǎo)方位馬達(dá)29和仰角馬達(dá)69分別使導(dǎo)向鏡20和輸出鏡66旋轉(zhuǎn)到期望的旋轉(zhuǎn)位置。隨著目標(biāo)和/或光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的位置隨時(shí)間變化時(shí)，控制器43可以重復(fù)這個(gè)過(guò)程以保證光信號(hào)保持被引導(dǎo)到目標(biāo)處。

關(guān)于由一個(gè)示例性實(shí)施例的控制器43提供的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的控制，該控制器可以提供導(dǎo)向鏡20和輸出鏡66的跟蹤控制100以及穩(wěn)定性控制102，如圖6中所示。如上文中所述，例如，一個(gè)示例性實(shí)施例的控制器43被配置成基于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的當(dāng)前視線、目標(biāo)的位置和分別由方位位置傳感器45和仰角位置傳感器75提供的關(guān)于導(dǎo)向鏡和輸出鏡的位置的信息而為導(dǎo)向鏡20和輸出鏡66提供跟蹤控制。這個(gè)示例性實(shí)施例的控制器43還被配置成基于分別由方位位置傳感器45和仰角位置傳感器75提供的關(guān)于導(dǎo)向鏡20和輸出鏡66的位置的信息以及分別由角速率傳感器94、96提供的關(guān)于導(dǎo)向鏡和輸出鏡正在進(jìn)行重新定位的速率的信息，而提供跟蹤指令的穩(wěn)定性控制。當(dāng)被控制器43的穩(wěn)定性控制102更改時(shí)，由跟蹤控制發(fā)出的指令則用來(lái)適當(dāng)?shù)囟ㄎ粚?dǎo)向鏡20和輸出鏡66，以便將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10的視線重新定位到目標(biāo)上。

由于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的幾何布局和其離軸構(gòu)造，一個(gè)示例性實(shí)施例的所形成的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10在相對(duì)小的和輕量的封裝中提供了慣性穩(wěn)定的視線，使得光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以用在尺寸和重量受限的許多應(yīng)用中。由于一個(gè)示例性實(shí)施例的導(dǎo)向鏡20是快速導(dǎo)向鏡，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10還可以是靈活的，以便提供高帶寬指向和掃描。由于由控制器提供的并且在上文中描述的控制，導(dǎo)向鏡20的旋轉(zhuǎn)位置和/或慣性角速度可以用在前饋回路(feed forward loop)中，以便穩(wěn)定其余萬(wàn)向擾動(dòng)(gimbal disturbance)。因此，一個(gè)示例性實(shí)施例的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡10在相對(duì)小的和輕量的封裝中提供了仰角和方位角兩者上的穩(wěn)定性和控制。

根據(jù)前述的描述和相關(guān)附圖的教導(dǎo)，本文中闡述的許多變型和其他實(shí)施例將被這些實(shí)施例所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員想到。因此，將被理解的是這些實(shí)施例沒(méi)有被限制到被披露的那些具體實(shí)施例，并且變型和其他實(shí)施例意圖被包含在后附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。而且，雖然前文中的描述和相關(guān)的附圖在元件和/或功能的特定示例性組合的背景中描述了示例性實(shí)施例，但是應(yīng)該被認(rèn)識(shí)到的是元件和/或功能的不同組合可以被可替換的實(shí)施例提供而不脫離后附的權(quán)利要求的范圍。在這個(gè)方面，例如，與上文中明確地描述的那些不同的元件和/或功能的組合也被考慮，如可以被在后附的權(quán)利要求中的一些中所闡述的一樣。雖然本文中使用了的具體的術(shù)語(yǔ)，但是它們被僅僅以一般性的和描述性的意義使用，而不是為了限制的目的使用。