用于激光器的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其具有可旋轉(zhuǎn)殼體、相對于殼體的視軸、可旋轉(zhuǎn)鏡子和發(fā)出光束的激光器，其中光束被從鏡子重定向至瞄準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)可旋轉(zhuǎn)鏡子旋轉(zhuǎn)時(shí)，光束相對于視軸運(yùn)動。系統(tǒng)操作為使得光束通過可旋轉(zhuǎn)鏡子的旋轉(zhuǎn)大于視軸通過可旋轉(zhuǎn)殼體的旋轉(zhuǎn)。
【專利說明】用于激光器的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)
[0001]政府許可權(quán)
[0002]本發(fā)明在由空軍部、空軍科學(xué)實(shí)驗(yàn)室授予的合同N0.FA8650-10-C-1745下通過政府支持完成。政府在本發(fā)明中具有特定權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]提供了用于光束比如激光的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，用于控制光束的方向以控制光束照射的對象。這種瞄準(zhǔn)系統(tǒng)具有許多應(yīng)用并且非常適于測距(range-finding)應(yīng)用或用于指示或突出物體的目標(biāo)系統(tǒng)。光束可被安裝在旋轉(zhuǎn)地支承以輔助光束的瞄準(zhǔn)的殼體中。瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和被突出的(being highlighted)物體兩者均可以是靜止的或運(yùn)動的。在飛行器中，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)一般容置在具有激光器的萬向架裝置內(nèi)，其中，通過萬向架圍繞其軸線中的一個或更多個的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、追蹤或可變瞄準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，具有可旋轉(zhuǎn)殼體、相對于殼體的視軸(boresight)、可旋轉(zhuǎn)鏡子和發(fā)出光束的激光器，其中光束被從鏡子重定向至瞄準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)可旋轉(zhuǎn)鏡子旋轉(zhuǎn)時(shí)，光束相對于視軸運(yùn)動。系統(tǒng)操作為使得光束通過可旋轉(zhuǎn)鏡子的旋轉(zhuǎn)大于視軸通過可旋轉(zhuǎn)殼體的旋轉(zhuǎn)。
[0006]在一個方面，一種貓準(zhǔn)系統(tǒng)，包括:殼體，所述殼體具有限定視軸的開口 ；可移動架，所述可移動架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞至少一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；第一驅(qū)動器，所述第一驅(qū)動器操作地聯(lián)接至所述可移動架，以使所述殼體圍繞所述至少一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；激光器，所述激光器設(shè)置在所述殼體內(nèi)并且構(gòu)造成發(fā)出光束；鏡子，所述鏡子可移動地安裝在所述殼體內(nèi)以引導(dǎo)所述光束穿過所述開口 ；以及第二驅(qū)動器，所述第二驅(qū)動器操作地聯(lián)接至所述鏡子以實(shí)現(xiàn)所述鏡子的運(yùn)動；所述鏡子的運(yùn)動使所述光束相對于所述視軸運(yùn)動。
[0007]作為優(yōu)選，所述第一驅(qū)動器以第一速率操作，所述第二驅(qū)動器以比所述第一速率快的第二速率操作。
[0008]作為優(yōu)選，所述第一速率是用于所述第一驅(qū)動器的最大速率。
[0009]作為優(yōu)選，所述鏡子可移動地安裝成圍繞所述至少一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
[0010]作為優(yōu)選，所述第一驅(qū)動器以第一速率操作，所述第二驅(qū)動器以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率時(shí)比在所述第一速率時(shí)以更快的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)。
[0011]作為優(yōu)選，所述可移動架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
[0012]作為優(yōu)選，所述可移動架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞三個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
[0013]作為優(yōu)選，所述可移動架包括支承所述殼體的萬向架。
[0014]作為優(yōu)選，所述鏡子包括安裝在鉸鏈上的鏡子。[0015]作為優(yōu)選，所述第二驅(qū)動器包括支承所述鉸鏈的半導(dǎo)體芯片。
[0016]作為優(yōu)選，所述鏡子包括安裝在鉸鏈上的鏡子。
[0017]作為優(yōu)選，所述第二驅(qū)動器包括支承所述鉸鏈的半導(dǎo)體芯片。
[0018]作為優(yōu)選，所述光束是脈沖和調(diào)制中的至少一種。
[0019]在另一方面，一種貓準(zhǔn)系統(tǒng)，包括:殼體，所述殼體具有限定視軸的開口 ；可旋轉(zhuǎn)架，所述可旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞至少兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；激光器，所述激光器設(shè)置在所述殼體內(nèi)并且構(gòu)造成發(fā)出光束；可旋轉(zhuǎn)鏡子，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子定位在所述殼體內(nèi)以引導(dǎo)所述光束穿過所述開口，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子能夠圍繞所述至少兩個旋轉(zhuǎn)軸中的至少一個旋轉(zhuǎn)，所述鏡子的運(yùn)動使得所述光束相對于所述視軸運(yùn)動。
[0020]作為優(yōu)選，支承所述殼體的所述可旋轉(zhuǎn)架以第一速率操作，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子以比所述第一速率快的第二速率操作。
[0021]作為優(yōu)選，所述第一速率是用于所述第一驅(qū)動器的最大速率。
[0022]作為優(yōu)選，支承所述殼體的所述可旋轉(zhuǎn)架以第一速率操作，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率時(shí)比在所述第一速率時(shí)以更快的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)。
[0023]作為優(yōu)選，所述可旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞三個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
[0024]作為優(yōu)選，所述殼體架包括支承所述殼體的萬向架。
[0025]作為優(yōu)選，所述光束是脈沖和調(diào)制中的至少一種。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]在附圖中:
[0027]圖1是具有激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的飛行器形式的平臺的透視圖，激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)使激光器瞄準(zhǔn)示出為汽車的目標(biāo)。
[0028]圖2是圖1的激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的透視圖并且示出相應(yīng)的運(yùn)動和視軸特性。
[0029]圖3是激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的示意性視圖，包括用于重定向激光瞄準(zhǔn)具的鏡子和電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明的實(shí)施例與用于使安裝在殼體內(nèi)的激光束瞄準(zhǔn)的裝置有關(guān)，激光束可被用于照射目標(biāo)。在圖1的實(shí)施例中，飛行飛行器10承載這種瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖所示，示出瞄準(zhǔn)系統(tǒng)從可移動架比如萬向架14發(fā)出激光束12。示出激光束12照射目標(biāo)，即標(biāo)示為在道路上行駛的汽車18。
[0031]雖然圖1的實(shí)施例是空對地的實(shí)施例，但是本發(fā)明的其他實(shí)施例也是可能的，包括使用其他類型的車輛、飛行器或其他，可以設(shè)想地面車輛或水棲車輛。另外，該系統(tǒng)可用于空對空、空對水、地對空、地對地、地對水、水對空、水對水和水對地的目標(biāo)或瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。
[0032]此外，雖然圖1的實(shí)施例作為萬向架14的一部分示出，但也可以使用其他類型的架。架可以具有一個、兩個或三個旋轉(zhuǎn)自由度。架還可以具有一個、兩個或三個平移自由度。
[0033]瞄準(zhǔn)系統(tǒng)可預(yù)期與構(gòu)造成用于基于方向的目標(biāo)或追蹤動作的任何裝置一起使用。基于方向的目標(biāo)或追蹤動作的另外的示例包括通信、成像、測距和其他傳感器測量或有效載荷功能。盡管描述了激光束12，但是可以設(shè)想另外的電磁信號和指示器，比如紅外光、雷達(dá)、和其他光學(xué)裝置。
[0034]參照圖2，萬向架14包括激光殼體20、孔24和用于將萬向架14附連至飛行器機(jī)身16的萬向架結(jié)構(gòu)26。激光殼體20包括可以比如通過透明或半透明的窗口打開或關(guān)閉的孔24的側(cè)壁22，窗口允許激光束12在不發(fā)生扭曲的情況下的傳輸。從激光殼體20的表面穿過孔24垂直地(normally)射出的激光束12限定用于萬向架14的視軸28。
[0035]激光殼體20由萬向架14旋轉(zhuǎn)地支承用于如圖所示地圍繞X和Y軸旋轉(zhuǎn)。每個軸(分別是X和Y)通過定位在激光殼體20內(nèi)和附連至支架結(jié)構(gòu)26的聯(lián)接伺服電機(jī)30、32(未示出)旋轉(zhuǎn)。盡管實(shí)施例被描述為圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)地支承，但是可以理解，根據(jù)本發(fā)明可以預(yù)計(jì)只有一個旋轉(zhuǎn)軸。同樣地，僅有一個驅(qū)動器可被聯(lián)接成操作單個旋轉(zhuǎn)軸。此外，本發(fā)明不應(yīng)受到伺服電機(jī)30、32的實(shí)施例的限制，因?yàn)槠渌?qū)動器裝置具有使激光殼體20旋轉(zhuǎn)的類似功能也是可以的。
[0036]伺服電機(jī)30、32操作成使激光殼體20以已知的最大速率α (按角度每秒計(jì)量)旋轉(zhuǎn)。由于視軸28相對于激光殼體20和孔24恒定的原因，已知的最大速率或旋轉(zhuǎn)α對于激光殼體20和視軸28是相同的。
[0037]現(xiàn)在參照圖3，激光殼體20包括激光源36、致動鏡子38和控制器40。可以預(yù)期適于瞄準(zhǔn)的任何典型的激光源36。激光源可以輸出連續(xù)或脈沖激光束，每一種均可被調(diào)制。脈沖或調(diào)制可被用于識別激光束。適當(dāng)?shù)募す獾囊粋€示例是以1550nm波長操作、產(chǎn)生0.6_的圓形光束直徑、最大功率為IlOmW的3B類邊緣發(fā)射激光?？梢韵胂罅硗獾男盘柡椭甘酒鞯钠湓?，比如用于在先提到的紅外光、雷達(dá)或其他光學(xué)裝置的源。
[0038]致動鏡子38可以是任何種類的可移動鏡子，比如數(shù)字微鏡裝置(digitalmicromirror device:簡稱DMD),其包括具有附連的鉸鏈的半導(dǎo)體芯片和致動驅(qū)動器,半導(dǎo)體芯片具有安裝至圍繞鉸鏈軸可旋轉(zhuǎn)的鉸鏈并且由鉸鏈支承的鏡子，致動驅(qū)動器用于控制鏡子圍繞鉸鏈軸的運(yùn)動。在優(yōu)選的實(shí)施例中，DMD致動器能夠使DMD鏡面圍繞與萬向架14相同的兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，示出為第一旋轉(zhuǎn)軸39和第二旋轉(zhuǎn)軸41?？商娲?，鏡子可以基于少至一個旋轉(zhuǎn)軸致動以及基于多達(dá)三個旋轉(zhuǎn)軸致動。
[0039]此外，可以想象包括至少一組電機(jī)和安裝至激光殼體20的致動臂的其他致動鏡子。盡管示出為鏡子，但可以理解，本發(fā)明的本實(shí)施例包括適于如所述地重定向信號或指示器的任何反射或偏轉(zhuǎn)(deflective)表面。該重定向表面可以包括涂層或以與本文表述的類似方式起作用的自然反射性能。
[0040]激光源36和致動鏡子38構(gòu)造在激光殼體20內(nèi)，使得激光源36發(fā)出激光束12，激光束12反射出致動鏡子38、通過孔24引導(dǎo)光束12遠(yuǎn)離激光殼體20。
[0041]控制器40還安裝在殼體20內(nèi)并且構(gòu)造成接收來自操縱桿的目標(biāo)輸入42?？刂破?0響應(yīng)于由致動鏡子38接收的目標(biāo)輸入42產(chǎn)生輸出電壓。輸出電壓一般在從O到5V的范圍內(nèi)?？商娲斎胄盘柊憫?yīng)于系統(tǒng)或算法的人工操作員信號、導(dǎo)航頭部跟蹤信號或自動跟蹤信號?？商娲兀聞隅R子38可被構(gòu)造成接收響應(yīng)于目標(biāo)輸入42的來自控制器40的數(shù)字輸出信號。
[0042]控制器40和致動鏡子38被構(gòu)造成使得如果沒有由控制器40接收的輸入42或中性目標(biāo)輸入信號42，則致動鏡子38反射垂直地穿過與視軸28精確對準(zhǔn)的孔24的激光束
12。另外，致動鏡子38響應(yīng)于輸出模擬電壓信號操作并且致動該致動鏡子38，改變致動鏡子38的表面角度以及由此改變反射的激光束12的角度。
[0043]在圖3中示出反射的激光束12的最大有效旋轉(zhuǎn)范圍Θ。在優(yōu)選的實(shí)施例中，沿任何維數(shù)的最大旋轉(zhuǎn)范圍Θ已知為相對于視軸28達(dá)到±5°。激光束12和孔24構(gòu)造成使得最大旋轉(zhuǎn)范圍Θ相對于視軸28的半徑小于孔24的半徑。DMD鏡子已知為沿任何維數(shù)旋轉(zhuǎn)達(dá)到±12°，因此可以想象可替代的最大旋轉(zhuǎn)范圍Θ，其僅由致動鏡子組件和孔24的尺寸限制。
[0044]此外，激光束12的致動以按角度每秒計(jì)量的已知的最大速率β操作。在致動鏡子38或激光殼體20中的任一者的獨(dú)立操作中，激光束12的最大旋轉(zhuǎn)速率β大于視軸28的最大旋轉(zhuǎn)速率α。同樣地，在同時(shí)的操作中，激光束12的最大旋轉(zhuǎn)速率β大于具有視軸28的激光殼體20的最大旋轉(zhuǎn)速率α。
[0045]在操作中，當(dāng)利用瞄準(zhǔn)系統(tǒng)照亮目標(biāo)時(shí)，控制器40接收指示視軸28應(yīng)當(dāng)被瞄準(zhǔn)以照射目標(biāo)的位置的目標(biāo)輸入42。在飛行器10的實(shí)施方式中，目標(biāo)輸入42可以來自安裝在飛行員的頭盔上的瞄準(zhǔn)裝置。在有些情況下，目標(biāo)輸入42可以以α以下的速率引導(dǎo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，這意味著萬向架14自身能夠足夠快速地運(yùn)動以保持激光束與目標(biāo)輸入42冋步。但是，如果目標(biāo)輸入42的運(yùn)動速率大于α，則控制器40可以實(shí)現(xiàn)致動鏡子38的運(yùn)動以提高貓準(zhǔn)系統(tǒng)相對于目標(biāo)輸入42的捕獲速度(acquisition speed)。
[0046]此外，在一些情況下，目標(biāo)可以相對于瞄準(zhǔn)系統(tǒng)以α以下的速率運(yùn)動，這意味著萬向架14自身能夠足夠快速地運(yùn)動以保持激光束12鎖定在目標(biāo)上。但是，如果目標(biāo)的運(yùn)動速率大于α，則控制器40可以實(shí)現(xiàn)致動鏡子38的運(yùn)動以保持激光束12鎖定在目標(biāo)上。
[0047]本撰寫的描述采用示例公開本發(fā)明，包括最佳方式，以及還使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置和系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可獲得專利權(quán)的范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想得到其他示例。如果這些其他示例具有與權(quán)利要求的文字表述沒有不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果這些其他示例包括與權(quán)利要求的文字表述無實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其他示例旨在在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種貓準(zhǔn)系統(tǒng)，包括: 殼體，所述殼體具有限定視軸的開口； 可移動架，所述可移動架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞至少一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 第一驅(qū)動器，所述第一驅(qū)動器操作地聯(lián)接至所述可移動架，以使所述殼體圍繞所述至少一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 激光器，所述激光器設(shè)置在所述殼體內(nèi)并且構(gòu)造成發(fā)出光束； 鏡子，所述鏡子可移動地安裝在所述殼體內(nèi)以引導(dǎo)所述光束穿過所述開口；以及 第二驅(qū)動器，所述第二驅(qū)動器操作地聯(lián)接至所述鏡子以實(shí)現(xiàn)所述鏡子的運(yùn)動； 其中，所述鏡子的運(yùn)動使所述光束相對于所述視軸運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一驅(qū)動器以第一速率操作，所述第二驅(qū)動器以比所述第一速率快的第二速率操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一速率是用于所述第一驅(qū)動器的最大速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡子可移動地安裝成圍繞所述至少一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一驅(qū)動器以第一速率操作，所述第二驅(qū)動器以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率時(shí)比在所述第一速率時(shí)以更快的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述可移動架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述可移動架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞三個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述可移動架包括支承所述殼體的萬向架。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡子包括安裝在鉸鏈上的鏡子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二驅(qū)動器包括支承所述鉸鏈的半導(dǎo)體芯片。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡子包括安裝在鉸鏈上的鏡子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二驅(qū)動器包括支承所述鉸鏈的半導(dǎo)體芯片。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述光束是脈沖和調(diào)制中的至少一種。
14.一種貓準(zhǔn)系統(tǒng),包括: 殼體，所述殼體具有限定視軸的開口 ； 可旋轉(zhuǎn)架，所述可旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞至少兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 激光器，所述激光器設(shè)置在所述殼體內(nèi)并且構(gòu)造成發(fā)出光束； 可旋轉(zhuǎn)鏡子，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子定位在所述殼體內(nèi)以引導(dǎo)所述光束穿過所述開口，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子能夠圍繞所述至少兩個旋轉(zhuǎn)軸中的至少一個旋轉(zhuǎn)，其中所述鏡子的運(yùn)動使得所述光束相對于所述視軸運(yùn)動。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，支承所述殼體的所述可旋轉(zhuǎn)架以第一速率操作，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子以比所述第一速率快的第二速率操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一速率是用于所述第一驅(qū)動器的最大速率。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的瞄 準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，支承所述殼體的所述可旋轉(zhuǎn)架以第一速率操作，所述可旋轉(zhuǎn)鏡子以第二速率操作，使得所述激光器在所述第二速率時(shí)比在所述第一速率時(shí)以更快的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述可旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)地支承所述殼體，以圍繞三個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體架包括支承所述殼體的萬向架。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述光束是脈沖和調(diào)制中的至少一種。
【文檔編號】G01C15/00GK103808313SQ201310559753
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月12日
【發(fā)明者】E.D.比勒, W.E.小格羅斯, S.A.M.拉西尼 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限責(zé)任公司