ES2994639T3 - Adaptive optical system - Google Patents
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Abstract
Un sistema óptico adaptativo (1) que comprende: - al menos un dispositivo óptico (2) que es controlable para emitir y/o reflejar y/o transmitir una radiación óptica (o_s) que tiene un frente de onda; - un módulo de medición de distorsión (3) adaptado para medir una distorsión del frente de onda de la radiación óptica (o_s) para proporcionar una primera señal (sl) representativa de la distorsión medida; - un sistema de control (4) adaptado para controlar el dispositivo óptico (2) con el fin de reducir o eliminar la distorsión medida. El sistema de control (4) comprende un módulo de procesamiento (5) conectado operativamente al módulo de medición (3) para recibir en la entrada la primera señal (sl) y emitir una señal de control (c_s) y el dispositivo óptico (2) está conectado operativamente al módulo de procesamiento (5) para recibir en la entrada la señal de control (c_s). La señal de control (c_s) es una señal digital codificada con modulación delta-sigma. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema óptico adaptativo
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo técnico de sistemas ópticos controlables para mitigar posibles degradaciones del rendimiento de los mismos, por ejemplo debido a efectos atmosféricos tales como turbulencias, o situaciones no ideales en general. En particular, la presente invención se refiere a un sistema óptico adaptativo. Un sistema óptico adaptativo de este tipo puede usarse en aplicaciones tales como: láseres de potencia, comunicaciones ópticas en el espacio libre, LIDAR, sistemas de detección remota.
Técnica anterior
Tal como se conoce, la atmósfera induce aberraciones y errores de fase en las radiaciones ópticas que pasan a través de la misma. Por este motivo, los sistemas ópticos que adoptan la propagación de radiación óptica en la atmósfera requieren generalmente una recuperación de las aberraciones y los errores de fase inducidos por la propagación en la atmósfera.
Para reducir o eliminar las aberraciones mencionadas anteriormente y los errores de fase mencionados anteriormente, se han desarrollado sistemas ópticos adaptativos que comprenden generalmente un dispositivo óptico que puede controlarse para emitir y/o reflejar y/o transmitir una radiación óptica que tiene un frente de onda, una medición de distorsión de frente de onda de la radiación óptica, un sistema de control adaptado para controlar el dispositivo óptico con el fin de reducir o eliminar la distorsión medida.
El uso de sistemas ópticos adaptativos es conveniente o adecuado por varios motivos: por ejemplo, las turbulencias influyen en la trayectoria de propagación de la radiación óptica en el aire y esto altera las relaciones de fase dentro de una trayectoria común de los rayos de luz. Cuando se transmite luz a través de la atmósfera, la alteración de fase puede distorsionar el haz, desenfocarlo o simplemente reducir la intensidad de luz debido a fases no coincidentes. El resultado es la deformación de la trayectoria óptica y esto puede provocar diversos inconvenientes, tales como:
- reducción de la eficiencia del transporte de energía a lo largo de una trayectoria. En un dispositivo láser, esto requiere un aumento en la potencia de la fuente óptica para compensar la reducción en la eficiencia. Sin embargo, el aumento de potencia provoca efectos negativos debidos, por ejemplo, a la dispersión y, en cualquier caso, no siempre es posible tener fuentes adecuadamente potentes;
- reducción de la calidad del haz, que provoca una reducción de la distancia operativa eficaz para sistemas electroópticos (por ejemplo, espectadores) o disminuye la sensibilidad de los sistemas de detección;
- aumento del ruido, que afecta negativamente a falsos negativos o reduce el ancho de banda en la comunicación óptica.
Actualmente hay varias soluciones, pero ninguna de las soluciones conocidas es lo suficientemente eficiente como para permitir la miniaturización de una solución eficaz e, incluso si pudiera usarse óptica adaptativa, el tamaño de la solución no sería compatible en muchas aplicaciones. Por ejemplo, se usa óptica adaptativa en telescopios, pero estos sistemas son considerablemente engorrosos. Algunos sistemas ópticos adaptativos conocidos comprenden amplificadores analógicos lineales para implementar un control de voltaje lineal del dispositivo óptico controlable. Esto provoca numerosos inconvenientes, ya que, por ejemplo, requiere dimensiones y peso relativamente grandes, limita el ancho de banda del sistema y requiere costes relativamente altos. ROSS COLINETAL:“Next generation adaptive optics: a low-voltage ASIC driver for MEMS deformable mirrors”, PROCEEDINGS OF SPIE;
[PROCEEDINGS OF SPIE ISSN 0277-786X VOLUMEN 10524], SPIE, EE. UU. divulgan un controlador ASIC de bajo voltaje para espejos deformables MEMS que puede usarse en sistemas ópticos adaptativos. Los documentos<u>S 2011/103410 A1 y US 2014/085740 A1 dan a conocer sistemas ópticos adaptativos de la técnica anterior.
Un objeto general de la presente descripción es proporcionar un sistema óptico adaptativo que permita remediar en su totalidad, o al menos en parte, los problemas descritos anteriormente con referencia a los sistemas ópticos adaptativos de la técnica anterior.
El objeto mencionado anteriormente, así como otros objetos que resultarán más claros a continuación en el presente documento, se logran mediante un sistema óptico adaptativo como se define en la reivindicación 1. Se definen realizaciones preferidas y ventajosas del sistema mencionado anteriormente en las reivindicaciones dependientes adjuntas.
La invención se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción detallada de realizaciones particulares de la misma, proporcionada a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos que se describen brevemente en los siguientes párrafos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de una realización a modo de ejemplo y no limitativa de un sistema óptico adaptativo.
La figura 2 muestra un diagrama de flujo de una realización a modo de ejemplo y no limitativa de un método de control de un dispositivo óptico que puede controlarse para emitir y/o reflejar y/o transmitir radiación óptica.
Descripción detallada
La figura 1 muestra una realización a modo de ejemplo y no limitativa de un sistema óptico adaptativo 1. El sistema óptico adaptativo 1 mencionado anteriormente puede aplicarse en varios campos, tales como láseres de potencia, comunicaciones ópticas en el espacio libre, LIDAR, sistemas de detección remota. En particular, con respecto a láseres de potencia, el sistema óptico adaptativo 1 puede usarse para concentrar una alta potencia óptica sobre un objeto o diana, por ejemplo para trabajar o modificar o destruir el objeto o diana, con posibles usos en los campos tanto civil como militar.
La representación del diagrama del sistema óptico adaptativo 1 de figura 1 no está a escala, por tanto, es posible prever que las partes que lo forman estén dispuestas en una relación de concentración espacial o una relación de disposición distribuida. Además, el sistema óptico adaptativo 1 puede estar dispuesto en su totalidad o en parte sobre una plataforma fija o sobre una plataforma móvil, por ejemplo sobre una o más estaciones fijas y/o sobre uno o más vehículos terrestres, navales, aéreos o espaciales.
El sistema óptico adaptativo 1 comprende al menos un dispositivo óptico 2 que puede controlarse para emitir y/o reflejar y/o transmitir una radiación óptica o_s que tiene un frente de onda. La radiación óptica o_s mencionada anteriormente es, por ejemplo, un rayo láser o comprende una pluralidad de rayos láseres que forman un haz relativamente concentrado de rayos láseres. Dicha radiación óptica o_s tiene preferiblemente una potencia óptica global mayor de 5 kW, o más preferiblemente mayor de 10 kW, por ejemplo igual a 20 kW o 50 kW. Sin embargo, no se excluyen posibles realizaciones en las que la radiación óptica o_s tiene una potencia mucho menor que las indicadas anteriormente.
El dispositivo óptico 2 puede comprender una pluralidad de dispositivos ópticos, por ejemplo una pluralidad de láseres, y/o una pluralidad de espejos y/o una pluralidad de lentes. Tal como se explicará a continuación, el dispositivo óptico 2 también puede comprender dispositivos o sistemas o elementos electromecánicos o electroópticos que, juntos, permiten emitir y/o reflejas y/o transmitir una radiación óptica o_s destinada a transmitirse mediante propagación a través de la atmósfera 7.
El sistema óptico adaptativo 1 comprende además un módulo de medición de distorsión 3 adaptado para medir, o estimar, una distorsión de frente de onda de la radiación óptica o_s para proporcionar una primera señal s1 representativa de la distorsión medida o estimada. La primera señal s1 mencionada anteriormente es, por ejemplo, una señal eléctrica, pero no se excluyen posibles implementaciones en las que la primera señal s1 es una señal de radio o una señal óptica.
Según una realización ventajosa y no limitativa, el módulo de medición de distorsión 3 comprende al menos un sensor Shack-Hartmann. Se conocen sensores de este tipo y, por tanto, no se describirán adicionalmente con mayor detalle. Según realizaciones alternativas, el módulo de medición de distorsión 3 comprende un sensor piramidal o un sensor de curvatura.
El módulo de medición de distorsión 3 está configurado para recibir directamente la radiación óptica o_s emitida por el dispositivo óptico 2, o está configurado para recibir una señal óptica obtenida del mismo o relacionada con el mismo, por ejemplo una señal óptica que se deriva de una reflexión de radiación óptica o_s mencionada anteriormente u obtenida al derivar una porción de la radiación óptica o_s mencionada anteriormente u obtenida adquiriendo una imagen de la radiación óptica o_s mencionada anteriormente mediante uno o más dispositivos de obtención de imágenes tales como cámaras, cámaras de vídeo o cámaras térmicas. El módulo de medición de distorsión 3 también puede medir la distorsión del frente de onda de la radiación óptica o_s basándose también en una señal independiente de la radiación óptica, por ejemplo basada en una señal electromagnética reflejada o emitida por un objeto remoto con respecto al dispositivo óptico 2, tal como una diana, o basada en un análisis de imagen del objeto remoto.
El sistema óptico adaptativo 1 comprende además un sistema de control 4 adaptado para controlar el dispositivo óptico 2 con el fin de reducir o eliminar la distorsión medida por el módulo de medición 3.
El sistema de control 4 comprende un módulo de procesamiento 5 conectado operativamente al módulo de medición 3 para recibir en la entrada la primera señal s1 y emitir una señal de control c_s. Además, el dispositivo óptico 2 está conectado operativamente al módulo de procesamiento 5 para recibir en la entrada la señal de control c_s.
Según una realización ventajosa y no limitativa, el módulo de procesamiento 5 es o comprende un SoC, es decir, un denominado sistema en un chip.
La señal de control c_s suministrada por el módulo de procesamiento 5 es una señal digital codificada con una modulación delta-sigma. En virtud de este recurso, es posible obtener una reducción significativa en las dimensiones y los costes globales al tiempo que se garantiza una precisión de control comparable o incluso mayor que la de los sistemas de control adaptativos de la técnica anterior. Preferiblemente, la señal de control c_s mencionada anteriormente es una señal digital de un bit que tiene una frecuencia del orden de MHz o igual a 1 MHz o igual a aproximadamente 1 MHz. De ese modo, con una señal de control digital de 1 bit, es posible obtener una resolución equivalente de 24 bits o mayor.
Según una realización, el dispositivo óptico 2 comprende al menos un accionador 20 y al menos un componente óptico 21 que puede configurarse por el accionador 20 para variar al menos un parámetro de emisión y/o reflexión y/o transmisión del componente óptico 21. El accionador 20 está configurado para recibir en la entrada la señal de control c_s para configurar el componente óptico 21.
Según una realización, el dispositivo óptico 2 mencionado anteriormente comprende una pluralidad de dispositivos ópticos. En este caso, puede preverse que el dispositivo óptico 2 comprenda una pluralidad de accionadores 20 y una pluralidad de componentes ópticos 21, en los que cada accionador 20 está preferiblemente asociado operativamente con un respectivo componente óptico 21.
En el caso en el que el dispositivo óptico 2 comprende una pluralidad de dispositivos ópticos, puede preverse que la unidad de procesamiento 5 emita una pluralidad de señales de control, cada una dedicada a controlar un respectivo dispositivo óptico 2.
Según una realización, el componente óptico 21 mencionado anteriormente comprende al menos un espejo deformable y/o móvil. Un espejo deformable y/o móvil de este tipo permite, por ejemplo, variar la dirección y/o el foco de una radiación óptica emitida por una fuente de láser 22. Según una realización, el componente óptico 21 comprende una matriz de espejos deformables y/o móviles, por ejemplo una matriz bidimensional, por ejemplo una matriz cuadrada, rectangular, hexagonal o circular, estando cada espejo de la matriz asociado con una respectiva fuente óptica 22, por ejemplo, estando cada espejo de la matriz asociado con una respectiva fuente de láser 22. Por tanto, en este caso, la radiación óptica o_s resultante es un haz de rayos láseres que puede enfocarse, por ejemplo, controlando la matriz de espejos deformables y/o móviles.
Por ejemplo, el accionador 20 es, o comprende, al menos un accionador electromecánico, preferiblemente un accionador piezoeléctrico, más preferiblemente un accionador piezoeléctrico de dos ejes. Si el componente óptico 21 comprende un espejo deformable y/o móvil, el accionador electromecánico está acoplado operativamente al espejo para deformarlo a lo largo de uno o más ejes y/o inclinarlo a lo largo de uno o más ejes y/o trasladarlo a lo largo de uno o más ejes.
Según una realización ventajosa, el sistema de control 4 comprende además un amplificador de señal 6 interpuesto operativamente entre el módulo de procesamiento 5 y el dispositivo óptico 2 adaptado y configurado para recibir en la entrada la señal de control c_s y emitir una señal de control amplificada. En este caso, por ejemplo, la señal de control c_s suministrada por la unidad de procesamiento 5 es una señal lógica de unos pocos voltios (por ejemplo, una señal lógica de 0 V - 5 V), mientras que el amplificador de señal 6 está configurado para aumentar la amplitud de una señal c_s de este tipo, por ejemplo para hacerla del orden de decenas de voltios, por ejemplo igual a 100 voltios, por tanto, por ejemplo, una señal con una amplitud de -50 V, 50 V o una señal con una amplitud de 0 V, 100 V. De ese modo, se obtiene la potencia necesaria para controlar el dispositivo óptico 2, por ejemplo, para controlar el accionador 20, que, tal como ya se explicó, es, por ejemplo, un accionador piezoeléctrico. Según una realización particularmente ventajosa, el amplificador de señal 6 comprende un puente en H o un semipuente en H. Puesto que un amplificador con un puente en H o un semipuente en H comprende interruptores electrónicos (por ejemplo, MOSFET) que deben controlarse mediante señales de control, puede preverse que sea el propio módulo de procesamiento 5 el que suministre al amplificador 6 las señales de control requeridas para el funcionamiento del mismo.
Según la invención reivindicada, la unidad de procesamiento 5 está adaptada y configurada para recibir en la entrada una segunda señal s2 que porta información de estado del dispositivo óptico 2. La unidad de procesamiento 5 está configurada para producir la señal de control c_s basándose en dicha primera señal s1 y basándose en dicha segunda señal s2. De ese modo, es posible implementar un control de retroalimentación que, a través de la primera señal s1, permite reducir la deformación del frente de onda detectado por el módulo de medición 3 y que, mientras tanto, tiene en cuenta, a través de la segunda señal s2, el estado real asumido por el dispositivo óptico 2 tras las acciones de control realizadas sobre el mismo basándose en la señal de control c_s.
Por ejemplo, la segunda señal s2 porta información de estado del accionador 20. En este caso, preferiblemente, tal información de estado es o comprende información de posición del accionador 20. Tal información de estado puede proporcionarse, por ejemplo, mediante un sistema integrado en el accionador 20, por ejemplo, mediante un codificador de posición, o mediante uno o más sensores fuera del accionador 20, por ejemplo mediante uno o más sensores de posición.
Según una realización preferida, el sistema de control 4 comprende un convertidor de analógico a digital 9 que, al adquirir información de estado del dispositivo óptico 2 por medio de una señal analógica, está configurado para producir la segunda señal s2 como una señal digital. Según una realización ventajosa, el convertidor de analógico a digital 9 es un convertidor delta-sigma. Según la invención reivindicada, la segunda señal s2 es una señal codificada con una modulación delta-sigma también.
Con referencia a la figura 2, la descripción anterior para el sistema óptico adaptativo 1 también se extiende a un método de control 100 de un sistema óptico adaptativo 1, en el que el sistema óptico adaptativo 1 comprende al menos un dispositivo óptico 2 que puede controlarse para emitir y/o reflejar y/o transmitir una radiación óptica o_s que tiene un frente de onda, comprendiendo el método de control 100 las etapas de:
- emitir y/o reflejar y/o transmitir 101 a través de dicho al menos un dispositivo óptico 2 una radiación óptica o_s que tiene un frente de onda;
- medir una distorsión 102 del frente de onda de la radiación óptica para adquirir datos relacionados con la medición de distorsión;
- procesar 103 los datos adquiridos para obtener una señal de control c_s del dispositivo óptico 2 para reducir o eliminar la distorsión medida.
En el método de control 100, la etapa de procesar 103 comprende una operación de codificación de dicha señal de control c_s con una modulación delta-sigma.
Preferiblemente, el método de control 100 comprende además una etapa de amplificar 104 la señal de control c_s por medio de un puente en H o un semipuente en H.
Según una realización particularmente ventajosa, el método de control 100 comprende además una etapa de adquirir al menos una imagen de dicha radiación óptica o_s por medio de uno o más dispositivos de obtención de imágenes tales como cámaras, cámaras de vídeo o cámaras térmicas y en el que la etapa de medir una distorsión 102 se realiza analizando dicha al menos una imagen.
Pueden derivarse características adicionales del método de control 100 directamente a partir de la descripción anterior para el sistema óptico adaptativo y, por este motivo, no se describirán de nuevo.
A partir de lo anterior, resulta evidente que un sistema óptico adaptativo 1 del tipo descrito anteriormente permite lograr completamente los presentes objetos en cuanto a superar los inconvenientes de la técnica anterior. De hecho, un sistema óptico adaptativo 1 del tipo descrito anteriormente puede permitir obtener una reducción de costes considerable con respecto a los sistemas conocidos, igual a al menos un 25 %. Además, el sistema mencionado anteriormente puede permitir obtener una reducción de tamaño considerable con respecto a los sistemas conocidos, igual a al menos un 10 %.
Según una realización no limitativa, el sistema óptico adaptativo 1 mencionado anteriormente puede estar comprendido o integrado en un sistema de armas, por ejemplo en el caso en que el dispositivo óptico 2 comprende uno o más láseres de potencia. Con respecto a lo que se ha descrito anteriormente, el sistema de armas puede incluir, por ejemplo, medios para detectar y apuntar a una diana, por ejemplo un sistema de radar, y un sistema de control de disparo.
Sin perjuicio de la invención, las realizaciones y los detalles de construcción pueden variarse ampliamente con respecto a la descripción anterior, dentro del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
- REIVINDICACIONESi.Sistema óptico adaptativo (1) que comprende:- al menos un dispositivo óptico (2) que puede controlarse para emitir y/o reflejar y/o transmitir una radiación óptica (o_s) que tiene un frente de onda;- un módulo de medición de distorsión (3) adaptado para medir una distorsión del frente de onda de la radiación óptica (o_s) para proporcionar una primera señal (s1) representativa de la distorsión medida; - un sistema de control (4) adaptado para controlar el dispositivo óptico (2) con el fin de reducir o eliminar la distorsión medida;en donde:- el sistema de control (4) comprende un módulo de procesamiento (5) conectado operativamente al módulo de medición (3) para recibir en la entrada la primera señal (s1) y emitir una señal de control (c_s); - en donde el dispositivo óptico (2) está conectado operativamente al módulo de procesamiento (5) para recibir en la entrada la señal de control (c_s);- la señal de control (c_s) es una señal digital codificada con modulación delta-sigma; caracterizado porque:la unidad de procesamiento (5) está configurada para recibir en la entrada una segunda señal (s2) codificada con una modulación delta-sigma y que porta información de estado del dispositivo óptico (2) y en donde la unidad de procesamiento (5) está configurada para producir dicha señal de control (c_s) basándose en dicha primera señal (s1) y basándose en dicha segunda señal (s2).
- 2. Sistema óptico adaptativo (1) según la reivindicación 1, en donde el dispositivo óptico (2) comprende al menos un accionador (20) y al menos un componente óptico (21) que puede configurarse por el accionador (20) para variar al menos un parámetro de emisión y/o reflexión y/o transmisión del componente óptico (21) y en donde el accionador (20) está configurado para recibir en la entrada la señal de control (c_s) para configurar el componente óptico (21).
- 3. Sistema óptico adaptativo (1) según la reivindicación 2, en donde dicho accionador (20) es, o comprende, al menos un accionador electromecánico y en donde dicho al menos un accionador electromecánico es un accionador piezoeléctrico.
- 4. Sistema óptico adaptativo (1) según la reivindicación 2 o 3, en donde dicho componente óptico (21) es, o comprende, al menos un espejo deformable y/o móvil.
- 5. Sistema óptico adaptativo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema de control (4) comprende además un amplificador de señal (6) interpuesto operativamente entre el módulo de procesamiento (5) y el dispositivo óptico (2) para recibir en la entrada dicha señal de control (c_s) y emitir una señal de control amplificada.
- 6. Sistema óptico adaptativo (2) según la reivindicación 5, en donde el amplificador de señal (6) comprende un puente en H o un semipuente en H.
- 7. Sistema óptico adaptativo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el módulo de medición de distorsión (3) comprende al menos un sensor Shack-Hartman.
- 8. Sistema óptico adaptativo (1) según la reivindicación 2, en donde dicha segunda señal (s2) porta información de estado del accionador (20).
- 9. Sistema óptico adaptativo (1) según la reivindicación 8, en donde dicha información de estado es o comprende información de posición de dicho accionador (20).
- 10. Sistema óptico adaptativo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho módulo de procesamiento (5) es un SOC (sistema en chip).
- 11.Sistema de armas que comprende un sistema óptico adaptativo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho dispositivo óptico (2) comprende uno o más láseres de alta potencia (22).Método (100) de control de un sistema óptico adaptativo (1), en donde el sistema óptico adaptativo (1) comprende al menos un dispositivo óptico (2) que puede controlarse para emitir y/o reflejar y/o transmitir una radiación óptica (o_s) que tiene un frente de onda, comprendiendo el método de control (100) las etapas de:- emitir y/o reflejar y/o transmitir (101) a través de dicho al menos un dispositivo óptico (2) una radiación óptica (o_s) que tiene un frente de onda;- medir una distorsión (102) del frente de onda de la radiación óptica (o_s) para adquirir datos relacionados con la medición de distorsión;- procesar los datos adquiridos (103) para obtener una señal de control (c_s) para el dispositivo óptico (2) para reducir o eliminar la distorsión medida;en donde la etapa de procesar (103) comprende una operación de codificación de la señal de control (c_s) con una modulación delta-sigma;caracterizado porque, en dicha etapa de procesar (103), dicha señal de control (c_s) también se obtiene basándose en una señal (s2) codificada con una modulación delta-sigma y que porta información de estado de dicho dispositivo óptico (20).Método de control (100) según la reivindicación 12, que comprende además una etapa de amplificar (104) la señal de control (c_s) por medio de un puente en H o un semipuente en H.Método de control según las reivindicaciones 12 o 13, que comprende además una etapa de adquirir al menos una imagen de la radiación óptica (o_s) por medio de uno o más dispositivos de obtención de imágenes tales como cameras, cámaras de vídeo o cámaras térmicas y en donde la etapa de medir una distorsión (102) se realiza analizando dicha al menos una imagen.
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2021
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