指向性エネルギー兵器特許。WO2016024265A1。Google上の特許情報。 - Heal with Rife ライフ周波数療法総合ブログ

指向性エネルギー兵器特許 WO2016024265A1

指向性エネルギー兵器

概要
本発明は、指向性エネルギー兵器に関し、特に、標的に対して使用するためのファイバーレーザーに基づく指向性エネルギー兵器に関する： (i）ファイバーから出力ビームを生成するファイバーレーザーであって、出力ビームは少なくとも1kWのパワーを伝達するファイバーレーザーと、（ii）出力ビームをターゲットに向けた集束ビームに集束させる対物レンズ配置と、（iii）集束ビームの方向を調整するタイン調整機構と、（b）レーザーユニットの各々について、集束ビームの一部を偏向ビームとして集束ビームの方向に対して予め定義された関係にある方向に偏向させるように配置されたビーム偏向器配置と、を備える； (c）偏向ビームを受信し、レーザユニットの各々について偏向ビームの現在の方向を示す出力を生成するために配備された角度検出ユニット；および（d）角度検出ユニットおよび微調整機構に関連付けられたコントローラであって、コントローラは、集束ビームの方向間の所望の相対的な整列を維持するために、角度検出ユニットからの出力に基づいて微調整機構を作動させるように構成されているコントローラ。
分類
F41H13/0062 指向性エネルギー兵器，すなわち標的を無力化又は破壊するために高エネルギー含有量のビームを標的に向ける装置であって，高エネルギービームは標的に構造的損傷を与えるレーザービームであるもの
F41H5/20 タレット
H01S3/0071 ビームステアリング，例えばビーム方向を変えるために共振器の外側にミラーが存在するもの
H01S3/067 ファイバレーザ
H01S3/2383 平行配列
H01S3/005 レーザ共振器の外部に設けられた光学装置で，レーザ用に特別に適合したもの。

説明
直流エネルギー兵器
発明の分野および背景
本発明は、指向性エネルギー兵器に関し、特にファイバーレーザーを用いた指向性エネルギー兵器に関する。
高エネルギーレーザー（HEL）放射を武器としてターゲットに集束させ、攻撃的、防御的役割の両方で使用することが提案されている。高エネルギービームの生成に適した様々なタイプのレーザーは、危険な化学薬品に依存したり、かさばるハードウェアを必要としたりするため、武器の実用化には問題がある。
ファイバー・レーザーは、光ファイバー内で能動的な利得が発生するレーザーであり、コンパクトで、危険な化学物質の使用を避けることができる。kW以上の出力が可能ですが、現在の技術では1本のファイバーレーザーからの出力では、最適な指向性エネルギー兵器の実現には十分な出力が得られません。
指向性エネルギー兵器に複数のファイバーレーザーを組み合わせ、所望の総出力を得るための様々な試みがなされている。例えば、以下のようなものがある： US 7970040およびWO 2012/062399。
発明の概要
本発明は、ファイバーレーザーを用いた指向性エネルギー兵器である。
本発明の一実施形態の教示によれば、標的に対して使用するための指向性エネルギー兵器が提供され、該兵器は以下を備える：（a）複数のレーザーユニットであって、各レーザーユニットは以下を備える： (i）ファイバーから出力ビームを生成するファイバーレーザーであって、出力ビームは少なくとも1kWのパワーを伝達する、ファイバーレーザーと、（ii）出力ビームをターゲットに向けた集束ビームに集束させるための対物レンズ配置と、（iii）集束ビームの方向を調整するための微調整機構と、（b）レーザーユニットの各々について、集束ビームの一部を、集束ビームの方向に対して予め定義された関係にある方向に偏向ビームとして偏向させるために配置されたビーム偏向器配置と、を備える； (c）偏向ビームを受信し、レーザユニットの各々について偏向ビームの現在の方向を示す出力を生成するために配備された角度検知ユニット；および（d）角度検知ユニットおよび微調整機構に関連付けられたコントローラであって、コントローラは、集束ビームの方向間の所望の相対的な整列を維持するために、角度検知ユニットからの出力に基づいて微調整機構を作動させるように構成されているコントローラ。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、ビーム偏向器配置は、集束ビームのエネルギーの1パーセント以下を偏向する。
本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ビーム偏向器配置は、レーザユニットの各々に対して少なくとも1つのペンタプリズムを含む。
本発明の実施形態の更なる特徴によれば、複数のレーザユニットは、レーザユニットの複数の行を含むレーザユニットの2次元アレイとして実装され、ビーム偏向器配置は、行の各々におけるレーザユニットから概ね平行な関係で一旦偏向されたビームのセットを生成するように配置されたレーザユニットの各々に対して少なくとも1つのペンタプリズムを含む、一旦偏向されたビームのセットは、対物レンズ配置の直径未満だけ離間され、ビーム偏向器配置は、複数の列からの偏向ビームのアレイを形成するために一旦偏向されたビームのセットを偏向するように配置された列の各々のための追加のペンタプリズムをさらに含む。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、微調整機構は、ファイバレーザのファイバ先端を変位させるために配備された少なくとも1つのアクチュエータを備える。
本発明の実施形態の更なる特徴によれば、微調整機構は、ミラーの角度位置を変化させるために配備された少なくとも1つのアクチュエータを備える。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、ファイバ先端から対物レンズ配置までの光路の長さを変化させるようにファイバレーザのファイバ先端を変位させるために配備された少なくとも1つのアクチュエータを含む焦点調節機構も提供される。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、コントローラに関連付けられ、レーザユニットの各々から角度感知ユニットへの光量を制御するために配備されたシャッタまたは変調器のセットも提供され、コントローラは、レーザユニットの個々の1つ1つに対する角度感知を容易にするように、偏向ビームを変調するためにシャッタまたは変調器のセットを動作させるように構成される。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、複数のレーザーユニットは、少なくとも10個のレーザーユニットの2次元アレイとして実装される。
本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ターゲットを追跡し、ターゲットに対する集光ビームのアライメントを評価するために配備された追跡センサも提供され、コントローラは、追跡センサからの出力に基づいて微調整機構を作動させるように更に構成される。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、追跡センサーは、（a）ファイバーから出力ビームを生成するファイバーレーザーであって、出力ビームは少なくとも1kWのパワーを伝達する、ファイバーレーザーと、（b）出力ビームをターゲットに向けられた集束ビームに集束させるための光学配置と、（c）光学配置に関連付けられ、集束ビームの方向を調整するために配備された微調整機構と、（d）以下のために配備されたシーシング配置と、を備える指向性エネルギー兵器サブシステムとして実装される： (i）集光ビームの伝搬方向を示すように、光学配置の要素から反射された出力ビームの一部を感知すること；および（ii）ターゲットの追跡を可能にするように、ターゲットから光学配置に到達する放射線の焦点面感知。
また、本発明の実施形態の教示によれば、標的に対して使用するための指向性エネルギー兵器が提供され、この兵器は、（a）ファイバーから出力ビームを生成するファイバーレーザーであって、出力ビームは少なくとも1kWのパワーを伝達する、ファイバーレーザーと、（b）出力ビームを標的に向けて集束ビームに集束させるための光学配置と、（c）光学配置に関連付けられ、集束ビームの方向を調整するために配備された微調整機構と、（d）以下のために配備された感知配置と、を備える： (i）集光ビームの伝搬方向を示すように、光学配置の要素から反射された出力ビームの一部を感知すること；及び（ii）ターゲットの追跡を可能にするように、ターゲットから光学配置に到着する放射線の焦点面感知。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、センシング配置は、（a）集光ビームの伝搬方向を示すように、光学配置の素子から反射された出力ビームの部分の焦点面センシングのために配置された第1のセンシングシステムと、（b）ターゲットの追跡を可能にするように、ターゲットから光学配置に到達する放射線の焦点面センシングのために配置された第2のセンシングシステムと、を備える。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、出力ビームは、少なくとも1kWのパワーを伝達する第1の波長成分と、第1の波長成分よりも少なくとも2桁小さいパワーを伝達する第2の波長成分とを含み、光学］配置の少なくとも1つの構成要素は、第1の波長に対して透明であり、第2の波長に対して少なくとも部分的な反射体であり、第2の波長成分の反射部分は、感知配置によって感知される出力ビームの一部を提供する。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、出力ビームは、パワーの少なくとも大部分を伝える所定の波長を有し、素子から反射された出力ビームの一部は、所定の波長を共有する。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、光学配置は、集光ビームの一部を光学配置を通して反射させるために配備されたコーナーリフレクタを含む。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、出力ビームの一部を反射する光学配置の要素は、光学配置の対物レンズの表面である。
本発明の実施形態のさらなる特徴によれば、微調整機構は、ファイバレーザのファイバ先端を変位させるために配備された少なくとも1つのアクチュエータを備える。
本発明の実施形態の更なる特徴によれば、微調整機構は、ミラーの角度位置を変化させるために配備された少なくとも1つのアクチュエータを備える。図面の簡単な説明
本発明は、本明細書において、添付図面を参照して例示的にのみ説明される：
図1は、本発明の実施形態に従って構成され、作動する指向性エネルギー兵器の等角図であり、ジンバルハウジング内のレーザーユニットの2次元アレイを示す；
図2は、図1の指向性エネルギー兵器の正面図である；
図3Aは、図1の指向性エネルギー兵器で使用するためのビーム間整列システムの一部を形成するビーム偏向器配置の概略等角図である；
図3Bは、IIIと指定された図3Aの領域の拡大図であり、個々のレーザーユニットに関連するアライメントビーム偏向要素を示す；
図3Cは、レーザユニットの列からの偏向されたアライメントビームを密接に間隔を空けた平行関係にするための二次ビーム偏向要素を示す拡大概略等角図である；
図4は、二次ビーム偏向エレメントの動作を示す概略正面図である；
図5は、複数の列からのアライメントビームを密接に間隔を空けた平行関係にするための、複数の千鳥配置された二次ビーム偏向エレメントの動作を示す概略側面図である；
図6は、レーザユニットの2次元アレイから角度検出ユニットへの平行アライメントビームの2次元密接間隔アレイのさらなる偏向を示す概略上面図である；
図7は、図1の指向性エネルギー兵器からの各レーザーユニットと、ビーム整列の微調整のための制御システムの構成要素との相互関係を示す概略図である；
図8は、第1の実施態様による、図1の指向性エネルギー兵器の一部として使用するための微調整トラッカーの概略図である；
図9は、代替実施態様による図1の指向性エネルギー兵器の一部として使用するための、同じく本発明のさらなる態様による統合レーザーユニットおよびファインアライメントトラッカーの概略図であり；図10A〜図10Cは、それぞれ、高エネルギーレーザー放射、角度感知放射チャネル、および標的追跡チャネルによって図9においてたどられる光路の概略図であり；そして
図MAおよび図1Bは、本発明の実施形態による統合レーザーユニットおよびファインアライメントトラッカーの代替実施形態の概略図であり、それぞれ、反射アライメントビームを有する高エネルギーレーザー放射がたどる光路、およびトラッキングチャネルを示す。
好ましい実施形態の説明
本発明は、ファイバーレーザーに基づく指向性エネルギー兵器である。
本発明による指向性エネルギー兵器の原理及び動作は、図面及び添付の説明を参照することにより、より良く理解され得る。
はじめに、本発明は、いくつかの異なる態様を有し、それらの各々は、それ自体特許、保護に値すると考えられ、相乗効果で一緒に採用されたときに特に重要であると考えられる。具体的には、本発明の第1の側面は、各々が独自の対物光学系を有する別々のファイバーレーザーユニットからの複数のビーム間の正しい相対的なビーム間アライメント（IBA）を保証するためのシステムおよび対応する方法に関する。このビーム間アライメントは、共有のファインアライメントトラッカーを使用しながら、共通のターゲット上で複数のファイバーレーザーユニットの再アライメントを容易にします。本発明の第二の側面は、ファイバーレーザーユニットとファイントラッキングセンサーおよびビームアライメント検証を、単一の光学アパーチャーを使用するコンパクトな複合ユニット内に統合するコンパクトな自律トラッキングコリメーター（CATC）に関する。上記の両方の態様を任意に組み合わせた本発明の特に好ましい実施態様を、図1および図2を参照して本明細書に提示し、次に、本発明のIBA態様の好ましい特徴および実施態様を、図3A〜7を参照して詳述する。本発明の第1の態様によるレーザーユニットのアレイと共に使用され得る専用のファインアライメントトラッカーが、図8に概略的に示されている。次に、図9〜図11Bを参照して、本発明のCATC側面の様々な実施態様を説明する。
ここで図面を参照すると、図.1および図.2は、本発明の実施形態に従って構築され作動する、一般に10と称される指向性エネルギー兵器を示しており、仰角-方位角粗方向制御を提供するジンバルマウント16に取り付けられたハウジング14内にアレイ状に配置された複数のファイバーレーザーユニット12を採用している。また、ハウジング14には、FLlRのような粗動トラッキングイメージングセンサ18、本発明の第2の態様によるCATCユニット60の一部として任意に統合することができる微動トラッキングセンサ20、および以下にその機能を説明する角度センシングユニット34が統合されている。
各レーザーユニット1.2はファイバーレーザー24を有し、典型的にはハウジング14から遠隔に、例えばジンバルマウント16の基部に取り付けられ、少なくとも1kW、より好ましくは少なくとも約10kWの出力を伝えるファイバー26（図7）から出力ビームを発生する。対物レンズ28は、出力ビームをターゲットに向けた集束ビームに集束させるように構成されている。ここで使用される「集光ビーム」という用語は、平行平行ビームの可能性を含み、遠方のターゲットに対しては「無限遠」で効果的に集光されることに留意すべきである。各レーザーユニット12はまた、集光ビームの方向を調整するための微調整機構を含む。図7に模式的に示された実施態様では、微調整機構はファイバー先端変位機構30として実施され、レーザーユニット12の光学軸に垂直な少なくとも2つの次元においてファイバー26の先端の微調整を提供する。高速ステアリングミラーを使用するなど、微調整機構の他の実装を使用することもできる。
指向性エネルギー兵器10が、レーザーユニット12からのビームの正しい相対的整列を容易にするために、ビーム間整列のための配置を含むことは、本発明の特定の実施形態の特定の特徴である。この目的のために、各レーザーユニット12は、集束ビームの一部を偏向ビームとして、集束ビームの方向に対して予め定義された関係にある方向に偏向させるために配備されたビーム偏向器（又は「ビームサンプラー」）配置を有する。図3A-7に示される例では、ビーム偏向器配置は、各対物レンズ配置28に関連するペンタプリズム32を含み、対物レンズ配置に取り付けられるか、または対物レンズ配置の前にスペースが設けられ、対物レンズから現れる集光ビームに垂直な一旦偏向されたビームを生成する。
角度検知ユニット（ASU）34は、偏向されたビームを受信するために配置され、任意で（以下に例示するように）1回以上のさらなる偏向の後、レーザユニットの各々について偏向されたビームの現在の方向を示す出力を生成する。この指示は、コントローラ36によって処理され、対応するレーザーユニットに対して必要なアライメント補正を決定する。コントローラ36は、各レーザユニットの微調整機構を作動させ、集光ビームの方向間の所望の相対アライメントを維持するための出力を生成します。
この段階で、本発明のビーム間アライメントの側面が、複数のファイバーレーザーを使用してターゲット上で高出力密度を達成するために非常に有利なソリューションを提供することは既に明らかであろう。具体的には、独自の光開口を持つ複数の個別のレーザー・ユニットを使用することで、複数のファイバー・レーザー出力を単一の光開口からの結合ビームに結合しようとするシステムの複雑さと拡張性の制限を回避することができます。同時に、複数のレーザーユニットの出力間で信頼性の高いビーム間アライメントを提供することにより、ターゲット上のビーム群の正確なアライメントを維持するための共通のファイントラッキングシステムを採用することが可能になり、それにより、システムは非常にコンパクトでコスト効率が高くなります。本発明のこの態様のこれらおよび他の利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
本明細書および特許請求の範囲において使用される特定の用語を定義することは有益であろう。まず、本明細書で使用される「指向性エネルギー兵器」という用語は、防御的および／または攻撃的用途のためのあらゆる兵器を指し、この兵器では、電磁放射線が、標的に損傷を与えるのに十分な電力を供給するために、標的に向けられる。定量的な用語では、供給される電力は、典型的には50kWを超え、より好ましくは少なくとも100kWである。本発明は、特に、短波長赤外線（SWIR）、近赤外線（NIR）、可視光線および紫外線波長を包含すると本明細書で定義される電磁放射の光波長を用いる指向性エネルギー兵器に関する。本発明は、典型的には、適切な高出力レーザーが現在市販されているスペクトルのSWIRまたはNIRの範囲で実施される。ファイバー・レーザー」という用語は、光ファイバー内で誘導放出効果が発生するレーザーを指すために使用されます。指向性エネルギー兵器の用途では、高出力レーザーを使用する必要があります。出力1kW以上、場合によっては10kW以上の高エネルギーファイバーレーザーが市販されています。
対物レンズ」という用語は、本明細書では、出射ビームが出射される最も外側の光学部品（ビーム偏向器を含まない）、または撮像機能または検出機能のために入射放射線が最初に出会う光学部品を指すために使用されます。対物レンズは、通常、対応する光学配置の光学開口も規定する。
様々な異なる機能を実行する「コントローラ」、「プロセッサ」又は「処理システム」に言及する場合、その意図は、典型的には、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの任意の組み合わせによって、及び任意の必要なインターフェースの追加等によって、言及された機能を実行するように構成された1つ又は複数のプロセッサを含む処理システムを指すことである。よく知られているように、処理システムによって実行される複数の機能は、単一の処理システムによって実行されてもよいし、物理的に別個であってもよく、互いに遠隔であってもよい複数の処理システム間に分散されてもよい。このような配置はすべて、単数形であれ複数形であれ、「コントローラ」、「プロセッサ」、「処理システム」という用語の意図する範囲に含まれる。さらに、当業者には明らかなように、本明細書においてセンサおよび／またはコントローラに帰する様々な一般的機能は、実際には、広範な多段階処理によって実行される。そのような例の1つは、画像センサの出力に対して実行される「ターゲット追跡」機能であり、これは、典型的には、画像の前処理、特徴識別および／または分類、および様々なフレーム間追跡アルゴリズムの適用などの複数のプロセスを含む。このようなプロセスおよび対応する必要な処理ハードウェア／ソフトウェアは、全て当該技術分野において周知であり、本明細書では詳細に説明しない。
ここで、指向性エネルギー兵器10の特徴をより詳細に説明すると、上述したように、各レーザーユニット12は、ファイバー26から出力ビームを供給するファイバーレーザー25によって供給される。ファイバー26からの出力は、通常、適当なファイバー終端器または「エンドキャップ」を経由して現れ、これによりビームのある程度の初期拡散が達成される。ファイバーレーザーは、対物レンズ28とオプションで他の光学部品を含むレーザーユニットの光学配置に供給されます。この光学部品は、ビームの拡がりとコリメーションを実現し、ターゲットに向けた「集光ビーム」と呼ばれる最終ビームを形成します。本発明の指向性エネルギー兵器の典型的な使用範囲は、通常、数百メートルから数キロメートルであり、集光ビームは非常に小さな収束を有し、より長い範囲では、実質的に平行ビームであることに留意されたい。
各レーザーユニット12は、集光ビームの方向を調整するための独自の微調整機構を有する。図7に示すオプションでは、ファイバー先端変位機構30を採用しています。この機構は、ファイバー先端（またはファイバー終端）をレーザーユニットの光軸に垂直な二次元方向に変位させるために配備された圧電アクチュエーターを使用して都合よく実装することができます。粗い位置合わせはジンバル・マウント 16 によって制御されるため、必要な微調整の範囲は一般的に小さく、各方向にミリメートル未満、またはせいぜい数ミリメートルの直線変位で十分です。
ファイバー・チップ変位機構は、レーザー・ユニット12を実現するために使用され得る多数の可能な微調整機構の一つに過ぎないことに留意すべきである。さらなる非限定的な例として、微調整機構は、ビーム方向の微調整を提供する高速ステアリングミラー（FSM）から反射されたビームを使用して実装することができる。高速ステアリングミラーは、典型的には、ミラーの角度位置を変化させるためのピエゾ電気アクチュエータのような少なくとも1つのアクチュエータを採用しており、当該技術分野において周知であり、容易に市販されている。本明細書では、「高速ステアリングミラー」という用語は、アクチュエータを備えたミラーのアセンブリ全体を指すために使用されるが、その詳細については図示も説明もしない。
様々な特に好ましい実施態様によれば、レーザーユニット12はまた、焦点距離調整機構を含み、典型的には、ファイバー先端から対物レンズ配置までの光路の長さを変化させるように、レーザーユニットの光軸に平行な方向にファイバー26の先端を変位させるために配置された少なくとも1つのアクチュエータを採用することによって実施される。この運動は、現在のターゲットまでの推定距離に対応するようにシステムの有効焦点距離を変化させるために使用される。ファイバー変位調節機構の場合、焦点調節は任意にアライメント調節と統合することができる。あるいは、焦点距離調整に必要な応答時間が比較的遅いという事実を考慮して、より単純な、あるいはより低コストの調整アクチュエータを使用することもできる。非限定的な例としては、ステッピングモータで作動するリニアステージを使用する方法があります。
ペンタプリズムの設計とその特性は光学の技術分野ではよく知られており、本発明で使用するのに適したペンタプリズムは市販されています。
図3A-6に様々な異なる図から示されているように、各レーザーユニット12は、出射集光ビームの小さな割合を90°偏向させるために配置された小さなペンタプリズム32を備える。ペンタプリズムは、好ましくは集光ビームのエネルギーの1パーセント以下、典型的にはそれ以下に偏向する。偏向される強度は、主にペンタプリズムの寸法によって決まる。
複数のレーザーユニットのビーム方向の整列を測定するための単一の角度検出ユニット34の使用を容易にするために、本発明は、好ましくは、ペンタプリズムの千鳥配列アレイを配備して、レーザーユニットの列からのビームを、概ね平行な関係にある一旦偏向されたビームのセットに偏向させる。これは、図313と図4に最もよく示されている。ここに示した二次元アレイの例では、このようにして、各列ごとに、垂直方向に間隔をおいて並ぶ水平方向の一旦偏向されたビームのセットが生成される。この一組のビームは、好ましくは、レーザーユニットの対物レンズ配置の直径よりも小さい間隔で配置され、典型的には、ビーム間の間隔が1cm未満の光線の密に詰まった束に配置される。
図示されるような好ましいビーム偏向配置は、複数の列からの偏向ビームのアレイを形成するために、一旦偏向されたビームのセットを偏向するように配置された列の各々に対する追加のペンタプリズム38を含む。
ここで提示されるような追加のペンタプリズム38の特定の例示的な配置は、図5の図から最もよく理解され、各追加のペンタプリズム38が、対応する列からのビーム群を他の列のビーム群と平行な面内で上方に偏向させるように、レーザユニットの連続する列をずらして配置することを示している。全体的な結果は、レーザーユニットの2次元アレイに対応する密接に間隔をあけた関係にある平行ビームの2次元アレイを生成することであるが、単一の角度検出ユニットに送られるように十分に小さい断面内にすべて整列される。角度検出ユニット34は、ビームの集合を直接受けるために垂直方向に整列させることもできるが、ここに図示された好ましい実施態様は、第3の偏向を行うために配置された単一の大きなペンタプリズム40を含み、他の光学開口部の平面内にある角度検出ユニット34にビームのすべてを導く。
角度検出ユニット34は、適切な波長のレーザービームの入射方向を決定するための従来の検出ユニットとして実装することができる。この装置はビームの入射角度を検出するが、横方向のオフセットには鈍感であるため、入射ビーム間の横方向のオフセットは通常重要ではない。具体的には、入射ビームは一般的にセンサーのアレイ上に集光され、焦点面上に入射するビームの位置が入射方向を示す。
複数のビームのアライメントを測定するために単一の角度検出ユニットを採用するためには、ASUが異なるビームを区別するか、または異なるタイムスロットの間にビームを受信することができるように配置する必要があります。最も単純な実施態様では、各レーザーユニットに関連付けられたシャッター42（図7）を採用し、対応するペンタプリズム32から偏向されたビームの透過を選択的にブロックまたは許可するように配置される。このアプローチによれば、コントローラ36は、好ましくは、一度に1つのシャッタを順次開き、対応するレーザユニット12からのビームの角度測定値をASU34から取得するように、シャッタ42を作動させる。他のオプションとしては、偏向ビームに変調として特徴的な周波数または時間変化信号を加えること、他の入射ビームがある場合でもASUが所定のビームにロックできるように選択検出技術を採用することなどが挙げられるが、これらに限定されない。このような変調は、変調器として動作するシャッター42によって導入することができる。
各レーザーユニット12に対するASU34の出力は、通常、そのレーザーユニットに対するデフォルトの「正しい」方向からの角度オフセットである。正しい」方向は、集光ビームがターゲットの小さな領域にターゲットで結合することを意図しているため、必ずしも正確に平行ではないことに留意すべきである。さらに、ビーム偏向配置の要素のわずかなズレにより、「正しい」ビームアライメントが期待されるビームアライメント測定値からわずかにずれることがあります。このような要因はすべて、製造後に行われる初期校正プロセスで考慮されることが好ましく、任意で定期的に繰り返され、対応するレーザーユニットの「正しい」デフォルトビーム方向に対応する各レーザーユニットのASU出力方向が定義されます。リアルタイムのASU出力は、デフォルト方向からの意図しない逸脱を示し、現在適用されている微細なステアリング補正を測定します。
図7を参照すると、各レーザーユニットからの集光ビームの正しいアライメントとファインステアリングを維持するための制御ループの閉鎖が概略的に示されています。ASU34によって測定された視線（LOS）偏差はコントローラ36に供給され、コントローラ36はビームステアリング補正コマンドを生成し、補正を達成するために微調整機構（例えば、ファイバー変位機構30）に送られます。ビームステアリング補正を計算する際、コントローラ36はまた、標的上の位置を最適化するために指向性エネルギー兵器の全体的なビーム方向に対して必要とされる任意の微調整補正を示す微調整追尾センサ（その詳細についてはさらに後述する）からの入力を採用する。上述したように、異なるビーム間でビーム間アライメントが維持されるため、兵器全体が単一の共有ファイントラッキングセンサの制御下で動作することができる。
これから明らかになるように、本発明のこの態様のアプローチは、一次元またはより好ましくは二次元アレイに比較的多数のレーザーユニットをコンパクトに並置することを可能にする。多くの典型的な実施態様では、ビーム間アライメントを使用して、少なくとも10個のレーザーユニット12を単一の武器に組み合わせることが想定される。
図8に簡単に目を向けると、これは、指向性エネルギー兵器10のLOSを修正するための微細追跡情報を提供するために採用され得る微細追跡センサー20の簡単な実装を示している。追尾センサー20は、ターゲットからの放射線を収集するために、共有光学アパーチャー／対物レンズ52を採用しており、これは、ターゲットの撮像のための放射と、ターゲットの表面から反射されたレーザー出力の反射の両方を含む。ダイクロイックミラー54は、ターゲットに向けられたレーザーの波長をターゲットのイメージングに使用される波長から分離し、前者をレーザースポットトラッキングカメラ56またはレーザースポットのトラッキングに適した他のセンサーに、後者をターゲットトラッキングカメラ58に向ける。ターゲット追跡は、広範囲の波長で、NIRイメージング、SWIRイメージング、可視光イメージング、熱赤外イメージングを含むがこれらに限定されない広範囲のイメージング技術を使用して実行されてもよく、NIRまたはSWIRイメージングが優先される。カメラ56及び58からの出力は、次いで、視野内のレーザスポット位置及びターゲット位置を導出するために、処理システム60（これは、任意に、上述のコントローラ36と統合されてもよい）によって処理される。ここでいう「レーザースポット」とは、全ての出射放射からターゲットによって反射されたスポットの合計または平均である。次いで、これらの位置は、上述のように、微調整されたトラッキング補正に使用するために、ポインティングエラーを導出するために、相関される。
指向性エネルギー兵器10の動作は、ここで明確に理解されるであろう。ジンバル・マウント16は、粗動トラッキング・イメージ・センサ18からの入力に基づいてコントローラ36の制御下で作動し、ハウジング14を指定されたターゲットに向けてアライメントし、典型的には、微調整機構の調整範囲内で微調整アライメント補正を可能にするのに十分な精度、典型的には、1度よりもかなり良好な精度でこのアライメントを維持する。ファイバー・レーザーは、ターゲットに収束する一連の集光ビームを生成するように作動します。ファイバーレーザーの動作中、各レーザーユニット12を出たビームは、ASU42にビームを導くビーム偏向配置を介してサンプリングされ、他のレーザーユニットとのビーム間アライメントを維持するために必要な視線補正は、各レーザーユニットの微調整機構によって実行されます。このプロセスと並行して、ファイントラッキングセンサ20は、ターゲットとの複合ビームアライメントの精度を評価し、ビーム間アライメント補正と共に実施されるファインアライメント補正入力をコントローラ36に提供する。
ここで残りの図9-11Bに目を向けると、標的に対して使用するための、一般に60と指定される、自己完結型指向性エネルギー兵器に関する本発明のさらなる態様が図示されており、この兵器は、指向性エネルギー出力、標的追跡、および共通の光学アパーチャを介したビームアライメント検証を組み合わせる。一般的な用語では、指向性エネルギー兵器60は、少なくとも1kW、より好ましくは少なくとも10kWのパワーを伝えるファイバー64から出力ビームを生成するファイバーレーザー62を含む。光学配置66は、出力ビームをターゲットに向けた集束ビームに集束させる。兵器60はまた、光学配置66に関連し、集束ビームの方向を調整するために配備された、ここでは高速ステアリングミラー68によって例示される微調整機構を含む。
指向性エネルギー兵器60はさらに、以下のために配備された感知配置を含む：a）集束ビームの伝搬方向を示すように、光学配置66の要素から反射された出力ビームの一部を感知すること；および
b) ターゲットの追跡を可能にするように、ターゲットから光学配置66を介して到着する入射放射線の焦点面感知。
これらの2つの感知機能は、典型的には、光学配置66の前述の要素から反射された出力ビームの部分の焦点面感知用に配置された第1の感知システム70と、ターゲットから光学配置を介して到着する入射放射線の焦点面感知用に配置された第2の感知システム72とによって、それぞれ実行される。しかし、ある種の代替構成（図示せず）では、単一の焦点面センサーを用いて、ターゲット画像と反射された出射ビームの両方を感知することが可能であることに留意すべきである。このような場合、出射ビームの対応する成分に時間変化する振幅変調を導入することにより、レーザービーム反射の検知をターゲット画像から区別することができ、それにより、時間変化プロファイルに従ってレーザー由来の画像成分を選択的に検知することができる。この場合、時間変化する信号を識別できるフォーカルプレーンアレイセンサを使用する必要がある。適切なFPAセンサーの一例は、Sh.ilat Optronics Ltd.（レホボット・イスラエル）から市販されている。(Rehovot Israel）から市販されている。
上記の動作原理の第1の好ましいが非限定的な例示的実施例を図9および図10A〜図10Cに示す。図9は、様々な異なる光路を組み合わせた図であり、図10A〜図10Cは、同じ装置の図であるが、異なる波長に対する光路を別々に示し、これから詳述するように、各光路に関連する構成要素のみを示している。この場合、光ファイバ64からの出力は、図9において（1）と指定され、図10Aに示される第1の波長成分を含む。図10Aは、高エネルギー・レーザー（HEL）成分であり、少なくとも1kWのパワーを伝達する。これは、同じファイバー 64 内で、(2) と指定された第 2 の波長成分と組み合わされ、第 1 の波長成分よりも少なくとも 2 桁小さいパワーを伝達します。この2つの波長成分は、通常、別々のファイバー・レーザーに由来する別個の波長であり、従来のファイバー・カップリング配置によって単一のファイバーに結合されます。あるいは、ダイクロイックミラーを使用してHEL自体を構成し、単一ファイバー内で異なる波長のガイドビームを同時に発生させる場合もあります。第2の波長成分からアライメント目的の反射ビームを選択的に生成するために、光学配置の少なくとも1つの成分は、層状コーティングの適切な使用により、第1の波長に対しては透明（すなわち、入射放射強度の少なくとも98％、好ましくは99％以上を透過）である一方、第2の波長に対しては少なくとも部分反射体（すなわち、入射放射強度の少なくとも5％、好ましくは少なくとも10％を反射）となるように構成される。これにより、センサ上の波長フィルタの適切な選択により、感知配置によって感知される出力ビームの一部を提供する第2の波長成分の反射部分の十分な強度が保証される。図示されるような本発明の特に好ましいが非限定的な1つの実施態様において、第2の波長の少なくとも部分的な反射を達成するためのコーティングは、対物レンズの後面に施され、その表面は、反射された成分（2）を第1の感知システム70に向けて集束させる形状である。
スズの実施態様によれば、HELビーム（1）のファインアライメント補正は、高速ステアリングミラー68の角度を調整することによって達成され、このミラーは、HELビームの実質的にすべてをターゲットに向けて外側に向けるように、第1の波長に対して高反射するように構成されている。HEL光路は、図10Aに別個に図示されている。この実施態様では、高速ステアリングミラー68は、好ましくは、第2の波長に対して有意な反射率（少なくとも10％）及び有意な透過率（少なくとも10％）を有するように構成され、それにより、第2の波長成分（2）の割合が、ファイバー64から、高速ステアリングミラー68での反射、光学配置66の対物レンズの裏面での反射、高速ステアリングミラー68を通る透過、及びダイクロイックビームスプリッタ74を通る透過を経てセンサ70に到達する経路をたどることができる。第二波長光路は、図10Bに別途図示されている。最も好ましくは、ファストステアリングミラー68は、第2波長の透過率が50％（±20％）の範囲の透過率を有し、それにより、各反射／透過で失われるビームの割合にもかかわらず、上記光路をたどる信号がセンサー70での測定を容易にするのに十分な強度で到達することを保証する。高速ステアリングミラーの設計は、アクチュエータの位置がセンサー70に向かう方向の透過ビームを妨げないように選択される。
第1及び第2の波長成分（1）及び（2）が辿る経路に加えて、指向性エネルギー兵器60は、標的を追跡する目的で、標的から光学配置66を介して到着する入射放射線（3）の撮像装置としての役割を追加的に果たす。ターゲット追跡のために採用される波長の範囲は、好ましくは、第1および第2の波長を除外し、例えば、CCDまたはCMOSイメージセンサを介した画像センシングのための、可視光、NIKまたはSW1Rの1つまたは複数の範囲の波長を含むが、これらに限定されない、センサ72の対応する選択を伴う波長の任意の適切な範囲であってよい。ここに図示された実施態様では、ダイクロイックミラー74は、撮像に使用される波長の放射線の大部分を反射し、第2の波長の放射線の大部分は通過するように構成されるが、逆のレイアウトも明らかに実施され得る。オプションとして、レンズ76のような追加の光学部品が、センサー72に画像を形成するためのターゲット追跡撮像光学配置を完成させる。目標追跡チャネルの全体的な光路は、図20Cに図示されている。
指向性エネルギー兵器60は、ここでは、HELビームの方向を調整するための微調整機構として高速ステアリングミラー68と共に実施されることが説明されている。しかしながら、ファイバー64の先端を少なくとも2次元的に変位させるための1つ以上のアクチュエーターを用いる代替的な微調整機構（図7に上述したように）もまた、ここで使用され得ることが理解されるべきである。
この時点で、指向性エネルギー兵器60の動作が理解されるであろう。第1及び第2の波長成分は、同じファイバー64から出て、同じ高速ステアリングミラー68で反射されるので、第2の波長成分は、必然的に、センサー70上の感知されたドットの結果として生じる位置がHELビーム方向の信頼できる表示であるように、出射HELチャネルと全く同じ方向に従う。これと並行して、同じ対物光学系がセンサー72でのターゲット像の導出に使用される。装置の初期生産校正（任意で断続的に繰り返す）を行うことにより、感知されたビーム方向とトラッキングセンサーの画素との既知のマッピングを決定することができ、それにより、トラッキングされたターゲットとのビームのアライメントのその後の検証を可能にする。その後、高速ステアリングミラー68は、視線制御装置78による閉ループ制御の下で、出射ビーム方向を追尾されたターゲットと一致させた状態に維持するように操作される。
HEL送信とターゲット追跡の両方に共通の開口部を使用するという指向性エネルギー兵器60の高度にコンパクトな設計を考慮すると、このような指向性エネルギー兵器の数は、例えば共通のジンバルハウジングに取り付けることによって、実質的に任意の所望の出力の指向性エネルギー兵器を形成するために、組み合わせることができる。あるいは、図1および図2の好ましい実施形態におけるように、微細追跡センサー20は、同時に必要な微細追跡機能を提供し、かつ、送信されたHEL出力に寄与するように、指向性エネルギー兵器60として実装されてもよい。この場合、指向性エネルギー兵器60の出力ビームは、好ましくは、2つのサブシステムの出射ビーム間の正しい位置合わせを確実にするために、ビーム間位置合わせシステムのペンタプリズムによってサンプリングされる。
最後に図1Aおよび図11Bに目を向けると、本発明の第2の態様による指向性エネルギー兵器の代替実施態様が示されており、一般に80と指定されている。指向性エネルギー兵器80は、概して指向性エネルギー兵器60と類似しており、同等の要素は同様にラベル付けされている。この場合、ファイバー64からのビームに第2の別個の波長を加える代わりに、出射ビームの整列を検出するためのサンプルを提供するために、一次HELビームの小さな割合が反射される。
ここに示す好ましい実施態様では、光学配置66の対物光学系を超えた出射集光ビームの小部分は、小さなコーナーリフレクター82で反射されます。コーナーリフレクターは、3つの互いに垂直なミラーがコーナーで合わさることによって形成され、光学ではよく知られており、入射した放射線をその入射経路に平行な経路に沿って反射する特性を有する。ビームの反射部分は、集光されたビーム強度の1％未満（より一般的には1％のごく一部）であり、光学配置66を通って戻り、高速ステアリングミラー68に衝突します。FSM68は、HELビームのできるだけ高い割合を反射するように構成されていますが、わずかな割合、典型的には0.2％程度の割合がミラーを通して「漏れ」ます。この実施形態では、小さな反射ビームに由来するその小さな漏れビームは、それでもなお、センサー70を使用してビーム方向を感知するのに十分である。このコンセプトの代替実施例として、コーナーリフレクタの代わりに、対物レンズの後面（または他の面）から反射されたごくわずかな割合のHELビームが、図9のビームアライメント光路の形状に類似した方法でセンサー70に向けられるように、対物レンズシステムを設計することができる。
図11Bは、図1OCを参照して上述したような指向性エネルギー兵器60のものと完全に同等である目標追跡チャネルを示す。装置の全体的な機能と同様に、制御システムのような他の詳細も、指向性エネルギー兵器60を参照して上述したものと同等であり、提示を簡潔にするために、ここでは再び説明しない。
添付の特許請求の範囲が複数の従属性を伴わずに起草されている限りにおいて、これは、そのような複数の従属性を許容しない法域における形式的要件に対応するためにのみ行われたものである。特許請求の範囲を多重従属にすることによって示唆される特徴の全ての可能な組み合わせは、明示的に想定されており、本発明の一部とみなされるべきであることに留意されたい。
上記の説明は、例として役立つことのみを意図しており、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲内で、他の多くの実施形態が可能であることが理解されるであろう。
特許請求の範囲
非表示
特許請求の範囲は以下の通りである：
1. 標的に対して使用するための指向性エネルギー兵器であって、該兵器は以下を備える：
(a）複数のレーザーユニットであって、前記レーザーユニットの各々は、以下を含む：
(i）ファイバーから出力ビームを生成するファイバーレーザーであって、前記出力ビームは少なくとも1kWのパワーを伝達する、
(ii）前記出力ビームをターゲットに向けた集光ビームに集光するための対物レンズ配置と
(iii）前記集光ビームの方向を調整するための微調整機構；
(b）前記レーザユニットの各々について、前記集光ビームの一部を偏向ビームとして前記集光ビームの方向に対して予め定義された関係にある方向に偏向させるように配置されたビーム偏向器配置部
(c）前記偏向されたビームを受信し、前記レーザユニットの各々について前記偏向されたビームの現在の方向を示す出力を生成するために配備された角度検出ユニット；及び
(d）前記角度検知ユニット及び前記微調整機構に関連する制御装置であって、前記制御装置は、前記角度検知ユニットからの前記出力に基づいて前記微調整機構を作動させ、前記集光ビームの前記方向間の所望の相対的整列を維持するように構成されている、制御装置。
2. 前記ビーム偏向器配置が、前記集束ビームのエネルギーの1パーセント以下を偏向させる、請求項1に記載の兵器。
3. 前記ビーム偏向器配置は、前記レーザーユニットの各々に対して少なくとも1つのペンタプリズムを含む、請求項1に記載の兵器。
4. 前記複数のレーザーユニットは、前記レーザーユニットの複数の行を含む前記レーザーユニットの二次元アレイとして実装され、前記ビーム偏向器配置は、前記行の各々において前記レーザーユニットから概ね平行な関係で一旦偏向されたビームのセットを生成するように配置された前記レーザーユニットの各々に対して少なくとも1つのペンタプリズムを含む、請求項1に記載の兵器、前記一組の一旦偏向されたビームは、前記対物レンズ配置の直径未満だけ離間され、前記ビーム偏向器配置は、前記一組の一旦偏向されたビームを偏向して複数の前記列からの偏向されたビームのアレイを形成するように配置された前記列の各々に対する追加のペンタプリズムをさらに含む。
5. 前記微調整機構は、前記ファイバーレーザーのファイバー先端を変位させるために配備された少なくとも1つのアクチュエーターを備える、請求項1に記載の兵器。
6. 前記微調整機構は、前記ミラーの角度位置を変化させるために配備された少なくとも一つのアクチュエータからなる請求項1記載の兵器。
7. 請求項7】前記ファイバー先端から前記対物レンズ配置までの光路の長さを変化させるように、前記ファイバーレーザーのファイバー先端を変位させるために配備された少なくとも一つのアクチュエーターを含む焦点調節機構をさらに含む請求項1記載の兵器。
8. 前記コントローラに関連付けられ、前記レーザユニットの各々から前記角度感知ユニットへの光量を制御するために配備されたシャッタまたは変調器のセットをさらに含み、前記コントローラは、前記レーザユニットの個々の各々についての角度感知を容易にするように、偏向ビームを変調するために前記シャッタまたは変調器のセットを操作するように構成される、請求項1に記載の兵器。
9. 前記複数のレーザーユニットは、少なくとも10個の前記レーザーユニットの2次元アレイとして実装される、請求項1に記載の兵器。
10. 前記コントローラは、前記トラッキングセンサからの出力に基づいて前記微調整機構を作動させるようにさらに構成される、請求項1に記載の武器。
11. 前記追跡センサーが、以下を含む指向性エネルギー兵器サブシステムとして実装される、請求項10に記載の兵器システム：
(a）ファイバーから出力ビームを生成するファイバーレーザーであって、前記出力ビームは少なくとも1kWのパワーを伝達する、ファイバーレーザー；
(b）前記出力ビームをターゲットに向けた集束ビームに集束させるための光学配置
(c）前記光学配置に関連し、前記集光ビームの方向を調整するために配置された微調整機構；および
(d）以下のために配備された検知配置：
(i）前記集光ビームの伝搬方向を示すように、前記光学配置の要素から反射された前記出力ビームの一部を感知すること；及び
(ii)ターゲットの追跡を可能にするために、ターゲットから前記光学配置に到達する放射の焦点面センシング。
12. 標的に対して使用する指向性エネルギー兵器であって、以下のものを含む：
(a）ファイバーから出力ビームを発生するファイバーレーザー；
(b）前記出力ビームをターゲットに向けた集束ビームに集束させるための光学配置；
(c）前記光学配置に関連し、前記集光ビームの方向を調整するために配置された微調整機構；および
(d）以下のために配備された検知配置：
(i）前記集光ビームの伝搬方向を示すように、前記光学配置の要素から反射された前記出力ビームの一部を感知すること；および
(ii)ダイターゲットの追跡を可能にするために、ターゲットから前記光学配置に到達する放射の焦点面センシング。
13. 請求項12に記載の兵器であって、前記感知配置が以下を備える兵器：
(a）前記集束ビームの伝搬方向を示すように、前記光学配置の前記素子から反射された前記出力ビームの前記一部の焦点面検知のために配置された第1の検知システム、および
(b）ターゲットの追跡を可能にするように、ターゲットから前記光学配置に到達する放射の焦点面センシングのために配置された第2のセンシングシステム。
14. 前記出力ビームは、少なくとも1kWのパワーを伝達する第1の波長成分と、前記第1の波長成分よりも少なくとも2桁小さいパワーを伝達する第2の波長成分とを含み、前記光学配置の少なくとも1つの成分は、前記第1の波長に対して透明であり、前記第2の波長に対して少なくとも部分的な反射体であり、前記第2の波長成分の反射された部分は、前記感知配置によって感知される前記出力ビームの前記一部を提供する、請求項12に記載の兵器。
15. 前記出力ビームは、前記パワーの少なくとも大部分を伝える所定の波長を有し、前記素子から反射された前記出力ビームの前記一部は、前記所定の波長を共有する、請求項12に記載の兵器。
16. C 前記光学配置は、前記集束ビームの一部を前記光学配置を通して反射させるために配備されたカマー反射器を含む、請求項15に記載の兵器。
17. 前記出力ビームの一部を反射する前記光学配置の前記要素は、前記光学配置の対物レンズの表面である、請求項15に記載の兵器。
18. 前記微調整機構は、前記ファイバーレーザーのファイバー先端を変位させるために配備された少なくとも1つのアクチュエーターを備える、請求項12に記載の武器。
19. 前記微調整機構は、前記ミラーの角度位置を変化させるために配備された少なくとも1つのアクチュエータを備える、請求項12に記載の兵器。

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優先出願と関連出願
優先出願(1)
優先日出願番号
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