(57)【要約】制御機構が、光ファイバ・アセンブリをジンバル外の光源からジンバルの軸を横切ってジンバル上の光学素子へと案内するため、光ファイバ・アセンブリをジンバルの回転とともに動くようにジンバル上およびジンバル内ならびにジンバル間において固定する。この制御機構は、ファイバ・アセンブリを、たるんだファイバ・アセンブリがジンバルおよびジンバル外の同心のトラックに拘束されるよう、一端をジンバル外で固定のガイド・トラックに固定し、他端をジンバルで回転するガイド・トラックへと固定して、「Ｕ字形」のループにて案内するように適切に構成されている。ジンバルが回転するのに従って、ループは、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れる。制御機構は、ファイバ・アセンブリの一端をジンバル外に固定し、直接的にジンバルを越えるようにファイバ・アセンブリを通し、ジンバルの反対側でファイバ・アセンブリを固定するように構成されている。
2009511853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジンバル軸を中心として回転するジンバルと、
このジンバルに設けられた第１のポートと、
連続的な光ファイバを含んでいるファイバ・アセンブリと、
このファイバ・アセンブリをジンバル外の第２のポートから前記第１のジンバル軸を横切って前記第１のポートへと案内するための制御機構とを具備し、
この制御機構は、前記ファイバ・アセンブリの第１の部位を前記ジンバルの外に固定するとともに、前記ジンバルが前記軸を中心として回転するのに従って前記ファイバが前記ジンバルとともに動くよう、前記ファイバ・アセンブリの第２の部位を前記内側のジンバルに固定する、ジンバル式の光学ポインタ。
【請求項２】
前記制御機構は、前記ファイバが前記内側のジンバルとともに動くのに従って前記ファイバ・アセンブリが少なくとも所定の最小の曲率半径を保つように、固定された前記第１の部位と第２の部位との間の前記ファイバを案内する請求項１に記載のポインタ。
【請求項３】
前記制御機構は、ジンバル外の固定のガイド・トラックおよびジンバル上の回転するガイド・トラックを備えており、また、この制御機構は、前記ファイバ・アセンブリをＵ字形のサービス・ループにて案内し、このループの一端に位置する前記第１の部位は、前記固定のガイド・トラックに固定され、このループの他端に位置する前記第２の部位は、前記回転するガイド・トラックに固定され、前記ジンバルが回転するのに従って、前記ループが、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れるよう、たるんだファイバ・アセンブリが前記ジンバル上およびジンバル外の同心のトラックに拘束される請求項１に記載のポインタ。
【請求項４】
前記制御機構は、前記ファイバ・アセンブリの前記第１の部位をジンバル外に固定し、前記ファイバ・アセンブリがジンバルとともに動くように、前記ファイバ・アセンブリを直接的に前記ジンバルを越えて通して、前記第２の部位を前記ジンバルの反対側に固定する請求項１に記載のポインタ。
【請求項５】
ジンバル外の前記第２の部位は、光源へと光学的に結合され、前記第１の部位は、射出光の発散を小さくするジンバル上の光学素子へと光学的に結合される請求項１に記載のポインタ。
【請求項６】
少なくとも１つの前記ファイバ・アセンブリによって少なくとも１つの前記第１のポートへと光学的に結合されるジンバル外の複数のポートを具備している請求項１に記載のポインタ。
【請求項７】
ジンバル軸を中心として回転するジンバルと、
このジンバルに設けられた第１のポートと、
この第１のポートとジンバル外の第２のポートとの間に光学的に結合された連続的な光ファイバを含んでいるファイバ・アセンブリと、
ジンバル外の固定のガイド・トラックとジンバル上の回転するガイド・トラックとを備えている制御機構とを具備し、
この制御機構は、前記ファイバ・アセンブリをＵ字形のサービス・ループにて案内し、このループの一端である第１の部位が、前記固定のガイド・トラックに固定されて、このループの他端である第２の部位が、前記回転するガイド・トラックに固定され、前記ジンバルが回転するのに従って前記ループが、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れるよう、たるんだファイバ・アセンブリが前記ジンバル上およびジンバル外の同心のトラックに拘束される、ジンバル式の光学ポインタ。
【請求項８】
前記固定のガイド・トラックと回転するガイド・トラックとは、前記第１のジンバル軸と同軸である請求項７に記載のジンバル式の光学ポインタ。
【請求項９】
第１のジンバル軸を中心として回転する外側のジンバルと、
前記第１のジンバル軸に直交した第２のジンバル軸を中心として回転し、光軸を前記第１および第２のジンバル軸によって規定された多次元空間に向ける内側のジンバルと、
この内側のジンバルに設けられ、前記光軸の視線に実質的にアラインメントされた光学素子と、
連続的な光ファイバを含んでいるファイバ・アセンブリと、
ジンバル外の源から前記第１および第２のジンバル軸を横切って前記光学素子へと光を案内するように、前記ファイバ・アセンブリを前記内側および外側のジンバルがそれぞれの軸を中心として回転するのに従って前記ファイバ・アセンブリが前記内側および外側のジンバルとともに動くように案内するための制御機構とを具備し、
前記ファイバ・アセンブリは、前記第１および前記第２のジンバル軸を横切って異なる機械的剛性を有している、ジンバル式の光学ポインタ。
【請求項１０】
前記制御機構は、前記ファイバ・アセンブリが前記内側および外側のジンバルの回転とは別個独立に動くように、前記内側および外側のジンバルの間の前記ファイバ・アセンブリを固定する請求項９に記載のポインタ。
【請求項１１】
前記制御機構は、順に、前記ファイバ・アセンブリの第１の部位を前記外側のジンバルの外に、前記ファイバ・アセンブリの第２の部位を前記外側のジンバル上に、前記ファイバ・アセンブリの第３の部位を前記内側のジンバルの外に、前記ファイバ・アセンブリの第４の部位を前記内側のジンバル上に固定するとともに、固定された前記第１および第２の部位の間ならびに固定された前記第３および第４の部位の間の前記ファイバ・アセンブリを、前記ファイバ・アセンブリが前記内側および外側のジンバルとともに動くときに前記ファイバ・アセンブリが少なくとも所定の最小の曲率半径を保つように案内し、
前記ファイバ・アセンブリは、前記第１および第２の部位の間ならびに前記第３および第４の部位の間で異なる機械的剛性を有している請求項９に記載のポインタ。
【請求項１２】
前記制御機構は、前記外側および／または前記内側のジンバルについて、ジンバル外の固定のガイド・トラックおよびジンバル上の回転するガイド・トラックを備えており、前記機構は、前記ファイバ・アセンブリをＵ字形のサービス・ループにて案内し、このループの一端の第１の部位が、前記固定のガイド・トラックに固定され、このループの他端の第２の部位が、前記回転するガイド・トラックに固定され、前記ジンバルが回転するのに従って、前記ループが、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れるよう、たるんだファイバ・アセンブリが前記ジンバル上およびジンバル外の同心のトラックに拘束される請求項９に記載のポインタ。
【請求項１３】
前記制御機構は、前記外側および／または前記内側のジンバルについて、前記ファイバ・アセンブリがジンバルとともに動き、かつ少なくとも所定の最小の曲率半径を保つように、前記ファイバ・アセンブリの第１の部位をジンバル外に固定し、前記ファイバ・アセンブリを直接的に前記内側のジンバルを越えて通して、前記内側のジンバルの反対側に固定する請求項９に記載のポインタ。
【請求項１４】
前記制御機構は、
前記外側および前記内側のジンバルの一方について、
ジンバル外の固定のガイド・トラックおよびジンバル上の回転するガイド・トラックを備えており、前記機構は、前記ファイバ・アセンブリをＵ字形のサービス・ループにて案内し、このループの一端の第１の部位を、前記固定のガイド・トラックに固定し、このループの他端の第２の部位を、前記回転するガイド・トラックに固定し、前記ジンバルが回転するのに従ってに前記ループが、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れるよう、たるんだファイバ・アセンブリを前記ジンバル上およびジンバル外の同心のトラックに拘束し、
前記外側および前記内側のジンバルの他方について、
前記ファイバ・アセンブリをジンバル外に固定する第１のクランプを備えており、前記ファイバ・アセンブリがジンバルとともに動き、かつ少なくとも所定の最小の曲率半径を保つように、前記ファイバ・アセンブリを直接的に前記内側のジンバルを越えて通して、前記内側のジンバルの反対側で第２のクランプに固定する、請求項９に記載のポインタ。
【請求項１５】
前記ファイバ・アセンブリは、前記ファイバの全長を覆う内側の柔軟なジャケットを備えるとともに、追加の機械的剛性をもたらして、前記ファイバを前記ガイドへと押し込むために、少なくとも前記Ｕ字形のサービス・ループにおいて前記ファイバを覆う中間ジャケットを備えている請求項１４に記載のポインタ。
【請求項１６】
前記ファイバ・アセンブリは、前記外側のジンバルと前記ジンバル外の源との間において前記ファイバを覆う外側ジャケットをさらに備えている請求項１５に記載のポインタ。
【請求項１７】
前記光軸に沿って前記内側のジンバルに位置する受信器をさらに備えており、
前記光学素子は、前記光軸からずらされている請求項９に記載のポインタ。
【請求項１８】
ジンバル外の複数の光源が、少なくとも１つの前記ファイバ・アセンブリによって前記内側のジンバル上の少なくとも１つの前記光学素子へと光学的に結合されている請求項９に記載のポインタ。
【請求項１９】
前記ファイバ・アセンブリは、前記ファイバ・アセンブリが前記第１および第２の軸を横切って前記異なる機械的剛性を呈するよう、前記ファイバのうちの異なる長さを覆う複数のジャケットを備えている請求項９に記載のポインタ。
【請求項２０】
ＤＩＲＣＭシステムにおいて使用するためのポインタであって、
回転軸を中心として回転する回転ジンバルと、
前記回転軸に直交した首振り軸を中心として回転し、光軸を回転−首振り軸によって定められる多次元空間に向ける首振りジンバルと、
前記光軸に沿って前記首振りジンバルに位置する光受信器と、
ジンバル外の検出器と、
前記光学軸および回転軸に沿い、受信した光を前記検出器へと結合させる自由空間光学路と、
前記光軸からずらされ、しかしながら前記光受信器の視線に実質的にアラインメントさせられて、前記首振りジンバルに位置するテレスコープと、
連続的な光ファイバを含んでいるファイバ・アセンブリと、
ジンバル外のレーザから前記回転−首振り軸を横切って前記テレスコープへとレーザ・ビームを送るように前記ファイバ・アセンブリを案内するための制御機構とを具備し、
この制御機構は、前記回転および首振りジンバルがそれぞれの軸を中心として回転するのに従って前記ファイバ・アセンブリが前記回転および首振りジンバルとともに動くように、（ａ）前記ファイバ・アセンブリの第１の部位を前記回転ジンバルの外に、また前記ファイバ・アセンブリの第２の部位を前記回転ジンバルに固定し、（ｂ）前記ファイバ・アセンブリの第３の部位を前記回転ジンバルに、また前記ファイバ・アセンブリの第４の部位を首振り軸に固定するポインタ。
【請求項２１】
前記制御機構は、
前記回転ジンバルの外の固定のガイド・トラックおよび回転ジンバルの回転するガイド・トラックを備えており、前記ファイバ・アセンブリをＵ字形のサービス・ループにて案内し、このループの一端に位置する前記第１の部位を、前記固定のガイド・トラックに固定し、またこのループの他端に位置する前記第２の部位を、前記回転するガイド・トラックに固定することで、前記回転ジンバルが回転するのに従ってに前記ループが、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れるよう、たるんだファイバ・アセンブリを前記ジンバル上およびジンバル外の同心のトラックに拘束し、
さらに前記制御機構は、
前記ファイバ・アセンブリの前記第３の部位を前記回転ジンバルに固定する第１のクランプを備えており、前記固定されたファイバ・アセンブリが少なくとも所定の最小の曲率半径を保ちつつ首振りジンバルとともに動くように、前記ファイバ・アセンブリを直接的に前記首振りジンバルを越えて通して、前記第４の部位を前記首振りジンバルの反対側で第２のクランプに固定する、請求項２０に記載のポインタ。
【請求項２２】
前記ファイバ・アセンブリは、前記回転ジンバルを横切る前記第１および第２の部位の間、ならびに前記首振りジンバルを横切る前記第３および第４の部位の間で異なる機械的剛性を有している請求項２０に記載のポインタ。
【請求項２３】
前記ファイバ・アセンブリは、前記ファイバの全長を覆う内側の柔軟なジャケットを備えるとともに、前記ファイバを前記ガイドへと押し込むために、少なくとも前記Ｕ字形のサービス・ループにおいて前記ファイバを覆う外側ジャケットを備えている請求項２２に記載のポインタ。
【請求項２４】
ジンバル外の複数のレーザ源が、少なくとも１つの前記ファイバ・アセンブリによって前記首振りジンバルの少なくとも１つの前記テレスコープへと光学的に結合されている請求項２０に記載のポインタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ジンバルに関し、さらに詳しくは、ジンバル外の光源を最も内側のジンバルに取り付けられたテレスコープへと結合するようにジンバル軸を横切って巡らされる光ファイバ・アセンブリの使用に関する。本発明は、ミサイルの検出および追跡に使用される赤外線（ＩＲ）放射を受信し、危険なＩＲ誘導ミサイルのシーカー（seeker）を妨害するように使用される１つ以上の赤外線（ＩＲ）レーザ・ビームを放射するために、回転−首振りジンバル式のポインタ（pointer）を使用する指向赤外線防衛（ＤＩＲＣＭ：Directed Infrared Countermeasures）システムにおいてとくに有用である。
【背景技術】
【０００２】
ＭＡＮＰＡＤＳ（Ｍａｎ−Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ａｉｒ−Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ｓｙｓｔｅｍ：携帯式地対空防衛システム）として知られる肩に担いで発射することができるミサイルが広まり、テロリストにも入手が可能となっていることが、軍用機およびとくには民間航空機にとって現実の脅威となっている。民間機への攻撃の回数は、推定であってさまざまであるが、１９７０年代以降で４３件にも上り、そのうちの３０件は航空機の墜落につながり、１，０００名近い命が失われている。５０万を超えるＭＡＮＰＡＤＳが世界中に広がり、それらの大部分は、正統な管理の下になく行方不明である。これらのミサイルは、現在のところ、航空機の探知および追尾に赤外線式のシーカーを使用している。これらのミサイルは、典型的には、１〜８ｋｍの射程を有し、１２，０００フィートを超える高度まで達することができる。伝統的には、防衛のための手段は、フレア（flare）への回避から能動的なＩＲ妨害までの範囲である。指向赤外線防衛システムが開発され、軍用機に搭載されつつあり、民間機における使用が検討されている。ＤＩＲＣＭは、脅威となるミサイルを探知、確認、および追跡し、次いでミサイルのＩＲシーカーを妨害するように１つ以上の変調ＩＲレーザ・ビームを放射するジンバル式のポインタを含んでいる。ジンバル式のポインタは、典型的には、飛来するミサイルを追跡するために直交する２つの軸を中心として回転する。
【０００３】
ノースロップ・グラマン社（Northrop Grumman）の大型機用赤外線防衛（ＬＡＩＲＣＭ）システムは、兵器の排出する柱状噴流を検出するために紫外の波長で動作するＡＮ／ＡＡＲ−５４（Ｖ）というミサイル警報システム（ＭＷＳ）センサを使用している。ＬＡＩＲＣＭは、先代であるネメシス（Nemesis）と同じ台座に据えられるが、せん光灯の代わりにレーザを使用している。ＬＡＩＲＣＭは、レーザの出力をジンバルへと光学的に結合するために自由空間光学系を使用している。光の経路に大きな光学的損失が存在し、変調後のレーザの出力を低下させている。さらに、自由空間構成部品の空気−ガラスの界面がきわめて汚染および損傷の影響を受けやすく、システムの信頼性を低下させている。さらに、ＬＡＩＲＣＭシステムは、内部の光学系および伝送ポートがＵＶを伝えることができないため、さらに進んだ脅威に対抗するためのＵＶレーザの追加に対応することができない。
【０００４】
ＢＡＥシステムズ社（BAE Systems）が、レーザをジンバルへと結合するために光ファイバを使用している点を除き、ＬＡＩＲＣＭと同様のＤＩＲＣＭシステムの実証試験を行っている（BAE Systems, Nashua New Hampshire IRIS Paper 2001 CMC02x Infrared−Transmitting Fibers for Advanced IRCM Systems Demonstrations May 2001）。この「全経路光ファイバ（All−Fiber Path）」の実現は、出力および信頼性の向上を意図している。しかしながら、必要なジンバルの２軸の回転を実現するために、３つの別個のファイバ部分が専用に作られた光ファイバ回転ジョイントを使用して互いに接続され、３６０°の回転を可能にしている。ヘッド内に使用される２つの短いファイバ部分が、ジョイントの回転のずれに起因して生じうる損失を防止するために、２００および２５０μｍに等しいより大きなコア径を有している。
【０００５】
ジンバル内で複数のファイバ部分を使用することで、いくつかの被駆動の鏡およびサーボ・ループを除くことができ、複雑さが軽減され、システムの信頼性を向上させることが可能である。しかしながら、２つのジンバル軸（回転および首振り）を通ってファイバを巡らすために、不連続なファイバ部分を光回転ジョイントによって光学的に結合して使用しなければならない。光回転ジョイントにおいては、入力および出力のファイバ、光学素子（入力および出力面）の間の各界面、ならびに各エア・ギャップに挿入および抽出損失が存在する（回転ジョイント１つにつき、少なくとも３つの空間および６つの反射防止（ＡＲ）コーティングが存在する）。各エア・ギャップが汚染にさらされ、実証試験において直面されたように、ＡＲコーティングが損傷を受ける。
【０００６】
ＢＡＥ社による実証試験は、約３．３Ｗのレーザ出力を３〜５μｍの波長領域において使用している。ＢＡＥ社の実証試験において使用された控えめな出力レベルであっても、レーザからの高いピーク光学力が、ＡＲコーティングの損傷を引き起こすことが明らかになった。しかしながら、ファイバは損傷を受けることなく、レーザの出力の伝達を続けていた。また、回転ジョイントは、ジンバルのトルカー（torquer）に追加の負荷をもたらし、結果として回転が遅くなり、定位置までの時間が長くなる。これは、とくには多数の短距離の発射の交戦において、システムの性能に悪影響を及ぼす。回転ジョイントは、回転ジョイント、ファイバの金具、およびファイバの保護鞘（光ファイバ回転ジョイントの両側におけるファイバの曲げ半径を制限する）の設計につきものの物理的制約ゆえに、空気抵抗を少なくするようにジンバルを有意に小型化しようとする試みを、制限する。
【０００７】
米国特許第６，８７３，８９３号が、第１および第２の部分によって少なくとも２つの別個の軸を中心として回転できる妨害ヘッドに関係している。一定のコア径の一体物の赤外線送信グラス・ファイバが、エネルギーの赤外線光信号を送るように、レーザから前記第１および第２の部分へと、そしてこれらを通り、光信号を通す出口ポートへと通されている。図３（ａ）および３（ｂ）が、必要とされるときに、ファイバ・コイルまたはケーブルの収納するように設けられたスプール構造７０を示している。図３（ａ）が、グラス・ファイバ４０が緩く巻き付けられた状態のスプール構造７０を示しており、グラス・ファイバ４０が、バー７４の開放スリット７６を通ってマンドレル７２上に配置されており、ファイバが、たるんだファイバをスリットの上方の部分に当接させて位置させつつ緩く巻き付けられている。図３（ｂ）が、バー７４の開放スリット７６を通ってマンドレル７２の周囲にきつく巻き付けられたスプール構造７０を示しており、ファイバが、たるみを持たずにマンドレルの周囲にきつく巻き付けられ、それぞれの開放スリットの大部分を空間として残しつつマンドレルの周囲に配置されている。要約すると、図３（ａ）が、ファイバのたるみをスプール構造に収納されてたるんだ状態のグラス・ファイバを示す一方で、図３（ｂ）が、ファイバのたるみを回転に利用しつつスプール構造内に位置する引き張られたグラス・ファイバを示している。このスプール構造は、信頼性の問題を抱えやすい複雑な機械的構造であり、余分な光ファイバに起因する問題も抱えている。この余分な長さが、ファイバを通って案内されるレーザ・ビームにとって、１メートル当たり０．２〜１ｄＢという余分な光学的損失となる。
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、レーザ・ビームなどといったジンバル外の光源をテレスコープなどといったジンバル上の光学素子へと光学的に結合するための出力効率に優れ、信頼性に富み、小型であり、軽量であり、かつ安価である解決策を提供する。ジンバル上の光学素子を、ジンバル軸からずらして取り付けることができるため、受信器によって使用される光の経路など、他の光の経路のためにジンバルの中央領域を残しておくことができる。本技法を、３つの回転軸（例えば、回転、首振り、および迎角）の任意の１つ、またはこれらの組み合わせのジンバル運動に合わせて構成することができる。多軸の回転の場合には、光学素子は、最も内側のジンバルに取り付けられる。
【０００９】
本発明は、ジンバル外の光源をジンバル上の光学素子へと結合する連続的な光ファイバ・アセンブリ（光ファイバ、ファイバの周囲の１つ以上のジャケット、およびファイバの両端のコネクタ）を使用する。ファイバ制御機構が、ファイバ・アセンブリを、ジンバルの回転とともに予想どおりに動くように、ジンバル外の光源からジンバル軸を横切ってジンバル上の光学素子へと導いている。それぞれのジンバルにおいて、制御機構は、ファイバの一端をジンバル外に、ファイバの一端をジンバル上に、適切に固定している。さらに、ファイバ・アセンブリは、それぞれのジンバルから別個独立に動くことができるよう、ジンバル間を横切るときに適切に固定されている。制御機構が、（１）繊細なファイバへの応力を最小限にするために所定の最小値よりも大きくなるようにファイバ・アセンブリの曲率半径を制御し、（２）各軸を中心とする所望の範囲の運動に対応し、（３）ファイバ・アセンブリが絡んだり、こすれたりすることがないようにし、（４）ファイバ・アセンブリをジンバルの周囲にコンパクトに巡らせ、（５）ジンバルのモータに負荷を加えることがないように、ファイバ・アセンブリを案内する。ジンバルが複数である構成においては、ファイバ・アセンブリが、種々のジンバルの種々の機械的要件に対処するために、ジンバル軸を横切るときに異なる機械的剛性を呈することができる。
【００１０】
比較的大きな範囲の運動が必要とされる場合には、制御機構は、ファイバ・アセンブリを、たるんだファイバ・アセンブリがジンバル上およびジンバル外の同心のトラック（ｔｒａｃｋ）に拘束されるよう、一端をジンバル外で固定のガイド・トラックに固定し、他端をジンバル上で回転するガイド・トラックへと固定して、「Ｕ字形」のループにて案内するように適切に構成されている。ジンバルが回転するのに従って、ループは、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れる。この実施形態は、所定の最小限の曲率半径を保ち、ファイバ・アセンブリの長さによってのみ制限されるあらゆる範囲の運動に対応し、ファイバ・アセンブリをジンバルまたは他の要素に絡むことがありえないガイド・トラックにコンパクトに巡らされた状態に保つ。
【００１１】
比較的小さな範囲の運動が必要とされる別の場合には、制御機構は、ファイバ・アセンブリの一端をジンバル外に固定し、ジンバルを直接的に越えるようにファイバ・アセンブリを通し、ジンバルの反対側に固定するように適切に構成されている。制御機構が、ファイバ・アセンブリを、最小限の曲率半径を保ち、首振りジンバルに対してこすれることがなく、剛にすぎて首振りモータの重荷となることがないように案内する。
【００１２】
典型的な実施形態においては、ＤＩＲＣＭシステムにおいて使用するためのポインタが、受信器を光軸に沿って首振りジンバル上の中央に配置して有している回転−首振りジンバルを含んでいる。回転−首振りジンバルは、飛来するミサイルのＩＲ痕跡を受信して追跡するため、光軸を飛来するミサイルへと向けるように回転する。連続的な光ファイバ・アセンブリが、ジンバル外のレーザから、回転−首振り軸を横切り、首振りジンバル（最も内側のジンバル）上で軸外に取り付けられたテレスコープへとレーザ・ビームを運ぶ。テレスコープが、レーザ・ビームを危険なミサイルのＩＲシーカーに向けて案内し、これを妨害する。レーザのエネルギーがジンバルの軸を通過することがないため、レーザ・エネルギーの伝送が、受信器の自由空間光学系および結合方法によって課される制約から切り離される。ジンバル外の別個の源を、複数のファイバ・アセンブリを使用し、複数のファイバを含んでいる１つのファイバ・アセンブリを使用し、あるいは複数のレーザ・ビームを１つのファイバへと結合させることによって、首振りジンバル上の１つ以上のテレスコープへと結合することができる。ファイバ制御機構は、ファイバ・アセンブリを、たるんだファイバ・アセンブリがジンバル上およびジンバル外の同心のガイド・トラックに拘束されるよう、一端をジンバル外に固定し、他端を回転ジンバルへと固定して、回転軸を巡る「Ｕ字形」のループにて案内する。回転ジンバルが回転するのに従って、ループは、常に自身のＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れる。次いで、ファイバ制御機構は、固定されたファイバ・アセンブリを、直接的に首振りジンバルを越えて通し、ジンバルの反対側に固定する。性能の改善のために、ファイバ・アセンブリの全体が、ファイバが首振りジンバルを越えて柔軟に動くことができるよう、柔軟な内側ジャケットを適切に含むことができる。ファイバのうちのＵ字形のループを形成する部位（あるいは、ファイバ全体）に、ファイバをガイド・トラックへと押し込むより剛な中間ジャケットを適切に設けることができる。ファイバにおいて、回転−首振りジンバルとジンバル外のレーザとの間の部位は、保護用の外側ジャケットを適切に含むことができる。結果として、このジャケット付きのファイバは、ジンバルおよび首振り軸を越えて横切るときに異なる機械的特性を呈する。
【００１３】
本発明のこれらの特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、添付の図面とともに検討される好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から、当業者にとって明らかであろう。
【詳細な説明】
【００１４】
本発明は、レーザ・ビームなどといったジンバル外の光源をテレスコープなどといったジンバル上の光学素子へと光学的に結合するための出力効率に優れ、信頼性に富み、小型であり、軽量であり、かつ安価である解決策を提供する。ジンバル上の光学素子を、軸からずらして取り付けることができ、受信器によって使用される光の経路など、他の光の経路のためにジンバルの中央領域を残しておくことができる。本技法を、３つの回転軸（例えば、回転、首振り、および迎角）の任意の１つ、またはこれらの組み合わせのジンバル運動に合わせて構成することができる。多軸の回転の場合には、光学素子は、最も内側のジンバルに取り付けられる。分かり易くするため、本発明を説明するために、全体を通じて回転−首振りのジンバルを使用する。本明細書の全体を通じて、ジンバル上またはジンバル外へのファイバ・アセンブリの「端部」の固定について述べる。「端部」は、実際には連続的なファイバに沿った１点であって、説明の対象となっている特定のジンバルにとっての「端部」に過ぎない。ファイバの実際の端部は、ジンバル外の源およびジンバル上のテレスコープへと結合されている。
【００１５】
図１に示されているように、連続的な光ファイバ・アセンブリ１０（光ファイバと、ファイバの周囲の１つ以上のジャケットと、ファイバの各端部のコネクタと）が、ジンバル外の光源１２をジンバル上の光学素子１４へと結合している。多要素のファイバ・アセンブリ制御機構（１６、１７、および１８）が、ファイバ・アセンブリを、回転ジンバル２２および首振りジンバル２４の回転とともに予想どおりに動くように、ジンバル外の光源から回転軸１９および首振り軸２０を横切ってジンバル上の光学素子へと導いている。各ジンバルに対して、制御機構が、ファイバの一端をジンバル外に、ファイバの一端をジンバル上に適切に固定している。さらに、ファイバは、それぞれのジンバルから別個独立に動くことができるよう、ジンバル間を横切るように適切に固定されている。制御機構が、（１）繊細なファイバへの応力を最小限にするために所定の最小値よりも大きくなるようにファイバ・アセンブリの曲率半径を制御し、（２）各軸を中心とする所望の範囲の運動わ可能にし、（３）ファイバ・アセンブリの絡みとこすれとを防止し、（４）ファイバ・アセンブリをジンバルの周囲にコンパクトに巡らせ、（５）ジンバルのモータに負荷を加えることがないようにファイバ・アセンブリを案内している。
【００１６】
例えば−１８０°ないし＋１８０°の比較的広い範囲の運動を可能にするために、制御機構の回転要素は、ファイバ・アセンブリ１０を、たるんだファイバ・アセンブリがジンバル上およびジンバル外の同心のトラック内に拘束されるよう、一端をジンバル外で固定のガイド・トラック１６に固定し、他端をジンバル上で回転するガイド・トラック１７へと固定して、「Ｕ字形」のサービス・ループ２６にて案内するように適切に構成される。図２に示されているように、回転ジンバル２２が回転するのに従って、ループ２６は、常にＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れる。ガイド・トラックが、最小限の所定の曲率を保ち、ファイバの長さによってのみ制限されるあらゆる範囲の運動に対応し、ファイバをジンバルまたは他の要素に絡むことがありえないガイド・トラックにコンパクトに巡らされた状態に保つ。
【００１７】
例えば−３０°〜＋３０°などといった比較的小さな範囲の運動に対応するために、制御機構の首振り要素１８は、ファイバ・アセンブリの一端２８をジンバル外（例えば、回転するガイド・トラック１７）に固定し、円弧２９にて直接的に首振りジンバルを越えるようにファイバ・アセンブリを通し、他端３０を首振りジンバル上に固定するように適切に構成されている。ファイバ・アセンブリは、最小限の曲率半径を保ち、首振りジンバル２４に対してこすれることがなく、剛にすぎて首振りモータの重荷となることがないように構成されている。
【００１８】
図４に示されているように、ファイバ・アセンブリ１０は、光ファイバ３１、ファイバの周囲の１つ以上のジャケット３２、３３、３４、およびファイバの両端のコネクタ３５、３６を含んでいる。複数のジャケットを有するファイバ・アセンブリは、異なる軸を越えて横切るときに異なる機械的剛性を呈する。典型的な実施形態においては、ファイバ３１の全長が、ファイバが首振り回転軸を越えて柔軟に動くことができるよう、柔軟な内側ジャケット３２に適切に囲まれている。ファイバのうちのＵ字形のループを形成する部位３７は、もう１つのより剛な中間ジャケット３３に囲まれており、この中間ジャケット３３によってファイバがガイド・トラックへと押し込まれる。図示のとおり、ジャケット３３は、首振りジンバルを巡る部位３８を除くファイバ３１の全長を適切に覆っている。ファイバにおいて、回転−首振りジンバルとジンバル外のレーザとの間の部位３９は、保護用の外側ジャケット３４を適切に含んでいる。ジャケット３３および３４は、収縮チューブ４０および４１によって動かぬように適切に保持される。代案として、変化する剛性という特徴を、（１）それぞれが異なる剛性を有しているジャケット３２および３３、あるいは（２）Ｕ字ループ領域におけるジャケット３２および３３の間への金属ワイヤの追加によって得ることもできる。ファイバの種々の領域においてファイバの剛性が相違していることの重要性は、ファイバ・アセンブリのＵ字ループの領域を検討することによって理解することができる。Ｕ字ループの領域において、ファイバ・アセンブリは、ファイバ・アセンブリをガイド・トラック１６および１７のスリットへと保持するために充分に剛でなくてはならない。しかしながら、この剛性は、他のジンバルにとっては大きすぎる可能性があり、例えば典型的な首振り軸において大きすぎると考えられる。一般に、ジンバルを横切って（剛性の特徴を含むように）ファイバ・アセンブリを巡らせる方法は、ジンバルの種類に依存するであろう。
【００１９】
連続的なファイバ・アセンブリは、ジンバル外の何らかの源からジンバルの軸を横切ってジンバル上の何らかの光学素子（テレスコープなど）へと光を運ぶことが必要な任意の用途に広く適用可能であるが、とくにはＤＩＲＣＭシステムにおいて使用するための回転−首振りポインタに適用可能である。ＩＲ受信器およびＩＲ受信器の自由空間光学路が、首振りジンバルの中央および軸上の光学路を占める。連続的なファイバ・アセンブリが、ジンバル外のレーザを光軸からずらされているジンバル上のテレスコープへと、軸上の光学路と接触することなく案内するための手段を提供する。さらに、連続的なファイバ・アセンブリは、出力をきわめて効率的に届け、軽量であって、小型であり、信頼性に富んでいる。複数のジンバル外の源を、１つ以上のファイバ・アセンブリによって１つ以上のジンバル上のテレスコープへと結合することができる。
【００２０】
図５に図式的に示されているように、ＤＩＲＣＭシステムにおいて使用するためのポインタ５０は、危険なミサイルの痕跡からのＩＲ放射を受信するため、テレスコープ５４（受信器）を光軸５８に沿って首振りジンバル上の中央に配置して有している回転−首振りジンバルを含んでいる。自由空間光学系６０が、受け取ったＩＲ像を、光軸５８に沿い、回転および首振りの軸６２および６４を横切って検出器５９へと結合させている。回転−首振りジンバルが、目標（飛来するミサイル６１）のＩＲ痕跡を受信して追跡するため、光軸５８を目標（飛来するミサイル６１）へと向けるべく自身の軸を中心として回転する。この特定の実施形態においては、回転ジンバルが、少なくとも−１８０°〜＋１８０°にわたって回転し、首振りジンバルは、より限られた範囲であるが、少なくとも−３０°〜３０°にわたって回転する。連続的な光ファイバ・アセンブリ６６が、ビーム７０を危険なミサイルのＩＲシーカーに向けてこれを妨害するために、ジンバル外のレーザ（図示されていない）から、回転−首振り軸を横切り、首振りジンバル上で軸外に取り付けられたテレスコープ６８へとレーザ・ビームを運ぶ。上述のように、ファイバ・アセンブリは、回転軸を巡って「Ｕ字形」のループ７２にて案内され、首振りジンバルを直接的に越える円弧７４にて案内されている。
【００２１】
別の実施形態においては、もう１つの連続的な光ファイバ・アセンブリ７６が、ジンバル外のもう１つのレーザから、回転−首振り軸を横切り、同じテレスコープ６８または別のテレスコープ７８へと第２のレーザ・ビームを運ぶ。ジンバル外のレーザは、別々のＩＲレーザであってよく、あるいはＩＲレーザおよびＵＶレーザであってよく、同時に発射することができ、あるいは異なる時期に発射することができる。２つのファイバ・アセンブリを、回転ジンバルへの入力と首振りジンバルの出力との間において、さらなるジャケットで一緒に囲んでもよい。あるいは、ファイバ・アセンブリが、複数のファイバを含んでもよく、あるいはビームをただ１つのファイバを通って移動するように結合させてもよい。
【００２２】
図６〜８に示されているように、ミサイル・シーカーとして典型的に使用されるＡＩＭ−９Ｘという画像化センサ９０が、肩に担いで発射されるミサイル９１などといった脅威を検出し、追跡し、確認し、妨害するために、ＤＩＲＣＭシステムにおいて使用するように改造される。ＡＩＭ−９Ｘという画像化シーカーは、大量生産が可能であり、したがってＤＩＲＣＭシステム用として特別に回転−首振りポインタを設計および製造するよりも安価で実績ある製品である。シーカーの回転／首振りジンバル９２は、回転軸および首振り軸において関節運動するバルクヘッド９３の前方の機械的な構成部品のすべてを含んでいる。具体的には、ジンバル９２が、首振り回転ベアリング・アセンブリ９５と、首振りトルカー９６と、回転ベアリング・アセンブリ９７と、回転トルカー９９とを含んでいる回転ジンバル９４ａおよび首振りジンバル９４ｂ、ならびに何らかの種類の取り付け台座（バルクヘッド９３）を含んでいる。標準的なＡＩＭ−９Ｘ型シーカー・ヘッドの光学部品ならびに妨害レーザ・ビームを伝送するための追加の光学部品９８ａおよび９８ｂが、ジンバル台座（９４ａおよび９４ｂの組み合わせ）に取り付けられている。
【００２３】
赤外線エネルギーが、ドーム１０４を通過し、適切には数度である広いＦＯＶ１０２にわたって首振りジンバル９４ｂ上の受信テレスコープに進入する。耐スクラッチ性および飛行の際に直面する空力加熱に耐える能力ゆえ、サファイアがＡＩＭ−９Ｘのドームに適した材料として選択されている。ＩＲエネルギーが、ビーム１０８へと平行化され、プリズム１１０および中継／合焦光学系１１２を通って、視認用（staring）焦点面アレイ（ＦＰＡ）１１４へと移動する。プリズムおよび光学系は、シーカーのジンバルが回転および首振りの両者の関節運動を行うことができるようなやり方で構成されている。ビーム１０８内のエネルギーは、折られたテレスコープを出るときに、首振り軸１１６を横切り、プリズムに進入し、点１１８において封じられたバルクヘッド９３に達する場所まで中継され、回転軸１２０を横切る。この点を過ぎると、光学系およびＦＰＡ検出器は固定体である。ひとたびジンバルの回転軸を過ぎると、エネルギー１０８は、中継／合焦用の光学レンズ組１１２へと進入する。この光学系の組が、合焦光学系の像平面に位置するＦＰＡ１１４上に画像を形成する。合焦光学系とＦＰＡとの間には、シーカーの機能するスペクトル帯を選択する複数のフィルタ素子を含んでいる回転フィルタ車１２４が位置している。フィルタの選択は、ソフトウェアによって行われ、モータ１２６を制御して関係を変化させることによってリアルタイムで変更できる。スペクトル的に最適化されたエネルギーが、例えば１２８×１２８のアンチモン化インジウムの視認用ＦＰＡ１１４上に画像化され、読み出し回路１３２によって読み出される。ＦＰＡは、典型的には、任務の最中に無限の冷却を行うことができるクライオエンジン（図示されていない）によって冷却される。
【００２４】
バルクヘッド９３および回転ジンバルのシーカー後部の固定の構成部品が、伝統的な３インチのサイドワインダーのドーム径にて、大きなオフボアサイト角（ＯＢＡ）での動作を可能にしている。回転／首振りのジンバル構成が、優れた目標の追尾をもたらしている。ジンバル外慣性シーカー・アセンブリ（Off−Gimbal Inertial Seeker Assembly）が、高速な回転を可能にしている。回転／首振りジンバルにおいて、検出器１１４はジンバル外である。いかなる極低温配管も、ジンバルを横切る必要がない。ジンバル上の質量の低減および最小限のばねトルクゆえ、回転／首振りトルカーを駆動する広帯域の制御ループによってジンバルを制御することができ、シーカーをきわめて高速に回転させることができ、定位置までの時間を短くすることができる。
【００２５】
画像化センサ９０が、飛来するミサイルのシーカーを妨害するために必要な適切なレーザ源、ファイバ・アセンブリ、ファイバ制御機構、およびレーザ送信器を装備することによってＤＩＲＣＭにおける使用に合わせて改造される。サファイア・ドーム１０４が、紫外から中赤外線を過ぎるエネルギーを伝え、したがってＤＩＲＣＭは、紫外を含むスペクトルの複数の部分において動作する最も先進の多色の脅威に合わせた帯域のレーザ・エネルギーを送信することができる。アルミニウム酸チッ化物などといったサファイア以外の材料も、求められる機械的特性および伝送特性をもたらすことができる。既存および開発中のＤＩＲＣＭシステムは、それらの光学系に使用されている材料ゆえの制約のため、近赤外線から可視を過ぎて紫外へと至る波長において機能することができない。
【００２６】
シーカーの首振りジンバル９４ｂには、軸からずらされて取り付けられ、かつ折られたテレスコープ１００の視線にアラインメントさせられた多帯域の赤外線適合光学系レーザ送信テレスコープ１４０が装備されている。ここで好ましく使用される適合光学系の詳細は、本出願と同時に係属中である２００２年１２月４日付の「Windowed Optical System Having A Tilted Optical Element To Correct Aberration」という名称の米国特許出願第１０／９０９，９４０号、ならびに米国特許第６，５５２，３１８号、第６，３１３，９５１号、第６，３１０，７３０号、および第６，０２８，７１２号に提示されており、これらはここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。脅威のミサイルが、追跡枠の中心に置かれ、レーザ送信器の光学的な視線がミサイルへと置かれる。ＡＩＭ−９Ｘ型赤外線追跡装置およびレーザ送信器の光学的な中心線は、互いにアラインメントしている。連続的なＩＲファイバ・アセンブリ１４６が、レーザ・テレスコープ１４０をＩＲレーザ１５２の出力へと結合するように案内されている。図７のファイバ・アセンブリは、表示に便利であるように２つの部分１４６ａおよび１４６ｂにて示されている。実際には、ファイバ・アセンブリは、１つの連続した部品である。
【００２７】
回転軸を中心とする例えば−１８０°〜＋１８０°の比較的大きな範囲の運動に対応するために、制御機構は、ファイバ・アセンブリ１４６を、たるんだファイバ・アセンブリがジンバル上およびジンバル外の同心のトラック内に拘束されるよう、一端を回転ジンバルの周囲の支持ハウジング１５９に取り付けられた固定のガイド・トラック１５８内のジンバル外クランプ１５６によって固定し、他端を回転するガイド・トラック１６２内のジンバル上クランプ１６０によって固定して、「Ｕ字形」のサービス・ループ１５４にて案内している。回転ジンバルが回転するのに従って、ループ１５４は、常にＵ字形を維持しつつ、一方のガイド・トラックに着座し、他方のガイド・トラックから離れる。運動の範囲は、最終的にはサービス・ループの長さによって制限されるが、好ましくはストッパ（図示されていない）によって制限される。追加される構成部品に照らしてジンバルを平衡させるために、釣り合いおもり１６６が、回転ジンバル上に適切に配置される。
【００２８】
首振り軸を中心とする例えば−３０°〜＋３０°の比較的小さな範囲の運動に対応するために、制御機構は、ファイバ・アセンブリの一端１４６をジンバル外（例えば、回転ジンバル上）のクランプ１６８によって固定し、円弧１６９にて直接的に首振りジンバルを越えるようにファイバ・アセンブリを通し、首振りジンバルの反対側のクランプ１７０によってファイバ・アセンブリを固定する。物理的なストッパ１７２が、首振りジンバルが回転しすぎることがないようにし、テレスコープをジンバルにぶつけることがないようにしている。
【００２９】
発射の指示を受けたとき、ＩＲレーザ１５２がＩＲレーザ妨害ビーム１９０を発射し、このビーム１９０が、ジンバル軸を巡ってＵ字形のループをなし、首振りジンバルを横切って円弧をなしているＩＲファイバ１４６をテレスコープ１４０へと通過し、テレスコープ１４０において放射されて、ドーム１０４を通って送信される。妨害ビーム１９０は、目標へと向かうシーカーの視線にアラインメントしており、ビームの広がりはわずかに数ミリラジアンである。より高級なミサイルは、自身のＩＲシーカーが妨害を受けたならば、ＵＶ／可視の追尾モードへと移行することが可能である。そのようなより高級なミサイルに対抗するために、本ポインタを、上述のとおり追加のＵＶ／可視レーザを備えるように構成することが可能である。
【００３０】
改造において、受信テレスコープ１００、レーザ送信テレスコープ１４０、およびファイバ・アセンブリ１４６が、首振りジンバル９４ｂに搭載される。これらが、次に中継プリズム１１０へと取り付けられる。このアセンブリの全体が、回転軸１２０上に取り付けられる。テレスコープによって受信されたＩＲエネルギー１０８が、回転ジンバル９４ａ上にあって回転軸１２０を中心として回転するプリズム１１０を介してジンバル外へと伝えられ、焦点面アレイ１１４上に画像を形成するジンバル外の中継／合焦光学系１１２へと伝えられる。この構成においては、他のすべてのシステムにおいて行われているやり方と異なり、レーザのエネルギーがジンバルの軸を通過することがない。連続的なファイバ・アセンブリ１４６（１４６ａおよび１４６ｂの組み合わせ）を使用することで、レーザ・エネルギーの伝送が、従来からの自由空間光学系および結合方法によって課される制約から切り離される。また、ファイバを使用することで、複数のファイバを使用することによって進んだ脅威のミサイルの帯域に合わせた追加のレーザ放射を追加することができるようになるため、簡単かつ低コストな機能追加を行うことが可能になる。
【００３１】
本発明の例証となるいくつかの実施形態を示して説明したが、多数の変種および代案となる実施形態に、当業者であれば想到できるであろう。そのような変種および代案となる実施形態は、想定の範囲内であり、添付の特許請求の範囲に定められる本発明の技術的思想および技術的範囲から離れることなく行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】２軸のジンバルを横切って巡らされた光ファイバ・アセンブリの図である。
【図２】回転軸を中心とするジンバルの回転を説明する図である。
【図３】首振り軸を中心とするジンバルの回転を説明する図である。
【図４】ジャケット付きのファイバ・アセンブリの概略図である。
【図５】ＤＩＲＣＭシステムにおいて使用するための回転−首振りポインタを横切って巡らされた光ファイバ・アセンブリの概略図である。
【図６】ＡＩＭ−９Ｘ型のシーカーを光ファイバ・アセンブリを含むように改造することによって形成された回転−首振りポインタの概略の概念図である。
【図７】光ファイバを巡らせるべくＡＩＭ−９Ｘ型のシーカーへと追加された構成部品の分解図である。
【図８】回転−首振りポインタの斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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