IT202000029198A1 - Sistema ottico adattivo - Google Patents
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Description
?Sistema ottico adattivo?
CAMPO DELL?INVENZIONE
[0001] La presente invenzione si riferisce al campo tecnico dei sistemi ottici controllabili per mitigare possibili degradazioni delle prestazioni degli stessi ad esempio dovuti ad effetti atmosferici, quali turbolenze, o non idealit? in genere. In particolare, la presente invenzione riguarda un sistema ottico adattivo. Tale sistema ottico adattivo pu? essere utilizzato in applicazioni quali: laser di potenza, comunicazioni ottiche in spazio libero, LIDAR, sistemi di rilevamento remoti.
STATO DELL?ARTE
[0002] Come noto, l?atmosfera induce delle aberrazioni e degli errori di fase nelle radiazioni ottiche che la attraversano. Per questo motivo, i sistemi ottici che impiegano la propagazione di radiazioni ottiche in atmosfera richiedono generalmente un recupero delle aberrazioni e degli errori di fase indotti dalla propagazione in atmosfera.
[0003] Per ridurre o eliminare le suddette aberrazioni ed i suddetti errori di fase sono stati sviluppati dei sistemi ottici adattivi che generalmente comprendono un dispositivo ottico controllabile per emettere e/o riflettere e/o trasmettere una radiazione ottica avente un fronte d?onda, un modulo di misura di distorsione del fronte d?onda della radiazione ottica, un sistema di controllo atto a controllare il dispositivo ottico al fine di ridurre o eliminare la distorsione misurata.
[0004] Ci sono diversi motivi che rendono conveniente o opportuno l?impiego di sistemi ottici adattivi: ad esempio la turbolenza influenza il percorso di propagazione della radiazione ottica nell'aria e ci? altera le relazioni di fase all'interno di un percorso comune dei raggi di luce. Durante la trasmissione della luce attraverso l'atmosfera, l'alterazione della fase pu? distorcere il raggio, sfocarlo o semplicemente ridurre l'intensit? della luce a causa di fasi non perfettamente corrispondenti. Il risultato ? la deformazione del percorso ottico e ci? pu? causare diversi inconvenienti, quali:
- riduzione dell'efficienza del trasporto di energia lungo un percorso. In un dispositivo laser, ci? richiede un incremento di potenza della sorgente ottica per compensare la riduzione dell'efficienza. Tuttavia, l?aumento della potenza provoca effetti negativi dovuti ad esempio al blooming e comunque non ? sempre possibile disporre di sorgenti adeguatamente potenti;
- Riduzione della qualit? del raggio, il che causa una riduzione della distanza operativa effettiva per i sistemi elettro-ottici (ad esempio visori) o diminuisce la sensibilit? dei sistemi di rilevamento;
- Aumento del rumore, che influisce negativamente sui falsi negativi o riduce la larghezza di banda nella comunicazione ottica.
[0005] Attualmente esistono diverse soluzioni ma nessuna delle soluzioni note ? abbastanza efficiente da permettere la miniaturizzazione di una soluzione efficace e, anche se si potesse utilizzare un?ottica adattiva, la dimensione della soluzione non sarebbe compatibile in numerose applicazioni. Per esempio, l'ottica adattiva viene utilizzata nei telescopi ma questi sistemi sono notevolmente ingombranti. Alcuni sistemi ottici adattivi noti comprendono degli amplificatori analogici lineari per implementare un controllo lineare in tensione del dispositivo ottico controllabile. Ci? determina numerosi inconvenienti, in quanto ad esempio richiede ingombri e pesi relativamente elevati, limita la banda del sistema e richiede costi relativamente elevati.
[0006] Uno scopo generale della presente descrizione ? quello di mettere a disposizione un sistema ottico adattivo che consenta di rimediare in tutto, o quantomeno in parte, i problemi sopra descritti con riferimento ai sistemi ottici adattivi della tecnica nota.
[0007] Il suddetto scopo, nonch? altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un sistema ottico adattivo come definito nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e vantaggiose del suddetto sistema sono definite nelle annesse rivendicazioni dipendenti.
[0008] L?invenzione sar? meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata di sue particolari forme di realizzazione fatte a titolo esemplificativo e, pertanto, in nessun modo limitativo, in riferimento ai disegni allegati sinteticamente descritti nei paragrafi successivi.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
[0009] La figura 1 mostra uno schema a blocchi di una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa di sistema ottico adattivo.
[0010] La figura 2 mostra un diagramma di flusso di una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa di un metodo di controllo di un dispositivo ottico controllabile per emettere e/o riflettere e/o trasmettere una radiazione ottica.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
[0011] In figura 1 ? mostrata una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa di un sistema ottico adattivo 1. Il suddetto sistema ottico adattivo 1 pu? essere suscettibile di essere applicato in numerosi settori, quali ad esempio laser di potenza, comunicazioni ottiche in spazio libero, LIDAR, sistemi di rilevamento remoti. In particolare, per quanto concerne i laser di potenza, il sistema ottico adattivo 1 pu? essere impiegato per concentrare una elevata potenza ottica su un oggetto o su un bersaglio, ad esempio per lavorare o modificare o distruggere l?oggetto o il bersaglio, con possibili impieghi sia in ambito civile sia in ambito militare.
[0012] La rappresentazione dello schema del sistema ottico adattivo 1 di figura 1 non ? in scala, dunque ? possibile prevedere che le parti che lo compongono siano disposte in una relazione di concentrazione spaziale o in una relazione di disposizione distribuita. Inoltre, il sistema ottico adattivo 1 pu? essere disposto in tutto o in parte su una piattaforma fissa o su una piattaforma mobile, ad esempio su una o pi? stazioni fisse e/o su uno o pi? veicoli terrestri, navali, aerei o spaziali.
[0013] Il sistema ottico adattivo 1 comprende almeno un dispositivo ottico 2 controllabile per emettere e/o riflettere e/o trasmettere una radiazione ottica o_s avente un fronte d?onda. La suddetta radiazione ottica o_s ?, ad esempio, un raggio laser o comprende una pluralit? di raggi laser che formano un fascio relativamente concentrato di raggi laser. Tale radiazione ottica o_s ha preferibilmente una potenza ottica complessiva superiore a 5 kW, o pi? preferibilmente superiore a 10 kW, ad esempio pari a 20kW o 50 kW. Tuttavia, non sono escluse possibili forme di realizzazione in cui la radiazione ottica o_s ha una potenza molto inferiore a quelle sopra indicate.
[0014] Il dispositivo ottico 2 pu? comprendere una pluralit? di dispositivi ottici, ad esempio una pluralit? di laser, e/o una pluralit? di specchi e/o una pluralit? di lenti. Come sar? spiegato in seguito, il dispositivo ottico 2 pu? comprendere anche dei dispositivi o dei sistemi o degli elementi elettro-meccanici o elettroottici che nel loro insieme consentono di emettere e/o riflettere e/o trasmettere una radiazione ottica o_s destinata ad essere trasmessa per propagazione attraverso l?atmosfera 7.
[0015] Il sistema ottico adattivo 1 comprende inoltre un modulo di misura di distorsione 3 atto a misurare, o stimare, una distorsione del fronte d?onda della radiazione ottica o_s per fornire un primo segnale s1 rappresentativo della distorsione misurata o stimata. Il suddetto primo segnale s1 ? ad esempio un segnale elettrico, ma non sono escluse possibili implementazioni in cui il primo segnale s1 ? un segnale radio o un segnale ottico.
[0016] In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa e non limitativa, il modulo di misura di distorsione 3 comprende almeno un sensore Shack-Hartmann. Sensori di questo tipo sono noti e non saranno pertanto ulteriormente descritti in maggior dettaglio. In accordo a forme di realizzazione alternative, il modulo di misura di distorsione 3 comprende un sensore a piramide oppure un sensore a curvatura.
[0017] Il modulo di misura di distorsione 3 pu? ricevere direttamente la radiazione ottica o_s emessa dal dispositivo ottico 2, oppure pu? ricevere un segnale ottico da questa ottenuto o a questa correlato, ad esempio un segnale ottico derivante da una riflessione della suddetta radiazione ottica o_s o ottenuto spillando una porzione della suddetta radiazione ottica o_s o ottenuto acquisendo una immagine della suddetta radiazione ottica o_s tramite uno o pi? dispositivi di acquisizione di immagine quali ad esempio fotocamere, videocamere o termocamere. Il modulo di misura di distorsione 3 pu? anche misurare o stimare la distorsione del fronte d?onda della radiazione ottica o_s anche sulla base di un segnale indipendente dalla radiazione ottica, ad esempio sulla base di un segnale elettromagnetico riflesso o emesso da un oggetto remoto rispetto al dispositivo ottico 2, quale ad esempio un bersaglio, o sulla base di analisi di immagine dell?oggetto remoto.
[0018] Il sistema ottico adattivo 1 comprende inoltre un sistema di controllo 4 atto a controllare il dispositivo ottico 2 al fine di ridurre o eliminare la distorsione misurata, o stimata, dal modulo di misura 3.
[0019] Il sistema di controllo 4 comprende un modulo di elaborazione 5 operativamente connesso al modulo di misura 3 per ricevere in ingresso il primo segnale s1 e produrre in uscita un segnale di controllo c_s. Inoltre, il dispositivo ottico 2 ? operativamente connesso al modulo di elaborazione 5 per ricevere in ingresso il segnale di controllo c_s.
[0020] In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa e non limitativa, il modulo di elaborazione 5 ? o comprende un SoC, cio? un cosiddetto System on a Chip.
[0021] Il segnale di controllo c_s fornito dal modulo di elaborazione 5 ? un segnale digitale codificato con una modulazione delta-sigma. Grazie a questo espediente, ? possibile ottenere una significativa riduzione degli ingombri e dei costi garantendo al contempo una accuratezza del controllo paragonabile o addirittura superiore a quella dei sistemi di controllo adattivi della tecnica nota. Preferibilmente, il suddetto segnale di controllo c_s ? un segnale digitale ad un bit avente una frequenza dell?ordine del MHz o pari a 1 MHz o pari a circa 1 MHz. In questo modo, con un segnale di controllo digitale ad un 1 bit si riesce ad ottenere una risoluzione equivalente pari a 24 bit o superiore.
[0022] In accordo ad una forma di realizzazione, il dispositivo ottico 2 comprende almeno un attuatore 20 ed almeno un componente ottico 21 configurabile dall?attuatore 20 per variare almeno un parametro di emissione e/o riflessione e/o trasmissione del componente ottico 21. L?attuatore 20 ? tale da ricevere in ingresso il segnale di controllo c_s per configurare il componente ottico 21.
[0023] In accordo ad una forma di realizzazione, il suddetto dispositivo ottico 2 comprende una pluralit? di dispositivi ottici. In questo caso, ? possibile prevedere che il dispositivo ottico 2 comprenda una pluralit? di attuatori 20 ed una pluralit? di componenti ottici 21, in cui preferibilmente ciascun attuatore 20 ? operativamente associato ad un rispettivo componente ottico 21.
[0024] Nel caso in cui dispositivo ottico 2 comprenda una pluralit? di dispositivi ottici, ? possibile prevedere che l?unit? di elaborazione 5 fornisca in uscita una pluralit? di segnali di controllo c_s ciascuno preposto a controllare un rispettivo dispositivo ottico 2.
[0025] In accordo ad una forma di realizzazione, il suddetto componente ottico 21 comprende almeno uno specchio deformabile e/o mobile. Tale specchio deformabile e/o mobile consente ad esempio di variare la direzione e/o la focalizzazione di una radiazione ottica emessa da una sorgente laser 22. In accordo ad una forma di realizzazione, il componente ottico 21 comprende una schiera di specchi deformabili e/o mobili, ad esempio una schiera bidimensionale, ad esempio una schiera quadrata, rettangolare, esagonale o circolare, ciascuno specchio della schiera essendo associato ad una rispettiva sorgente ottica 22, ad esempio ciascuno specchio della schiera essendo associato ad una rispettiva sorgente laser 22. In questo caso, dunque, la radiazione ottica risultante o_s ? un fascio di raggi laser che pu?, ad esempio, essere focalizzato controllando la schiera di specchi deformabili e/o mobili.
[0026] Ad esempio, l?attuatore 20 ?, o comprende, almeno un attuatore elettromeccanico, preferibilmente un attuatore piezoelettrico, pi? preferibilmente un attuatore piezoelettrico a due assi. Nel caso in cui il componente ottico 21 comprenda uno specchio deformabile e/o mobile, l?attuatore elettromeccanico ? operativamente accoppiato allo specchio per deformarlo lungo uno pi? assi e/o inclinarlo lungo uno o pi? assi e/o traslarlo lungo uno o pi? assi.
[0027] In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa, il sistema di controllo 4 comprende inoltre un amplificatore di segnale 6 operativamente interposto fra il modulo di elaborazione 5 ed il dispositivo ottico 2 atto e configurato per ricevere in ingresso il segnale di controllo c_s e fornire in uscita un segnale di controllo amplificato. In questo caso, ad esempio il segnale di controllo c_s fornito dall?unit? di elaborazione 5 ? un segnale logico di pochi volt (ad esempio un segnale logico 0V - 5V), mentre l?amplificatore di segnale 6 consente di aumentare l?ampiezza di tale segnale c_s, ad esempio per renderla dell?ordine delle decine di Volt, ad esempio pari fino a 100 Volt, dunque ad esempio un segnale con ampiezza -50V, 50V o un segnale con ampiezza 0V, 100V. In questo modo si ottiene la potenza necessaria per controllare il dispositivo ottico 2, ad esempio per controllare l?attuatore 20, che come gi? spiegato ? ad esempio un attuatore piezoelettrico. In accordo ad una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa, l?amplificatore di segnale 6 comprende un ponte ad H o un ponte a mezza H. Poich? un amplificatore con ponte ad H o un ponte a mezza H comprende degli interruttori elettronici (ad esempio, dei MOSFET) che devono essere controllati da segnali di controllo, ? possibile prevedere che sia lo stesso modulo di elaborazione 5 a fornire all?amplificatore 6 i segnali di controllo richiesti per il funzionamento di quest?ultimo.
[0028] In accordo ad una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa, l?unit? di elaborazione 5 ? atta e configurata per ricevere in ingresso un secondo segnale s2 recante informazioni di stato del dispositivo ottico 2. L? unit? di elaborazione 5 ? tale da produrre il segnale di controllo c_s in base a detto primo segnale s1 ed in base a detto secondo segnale s2. In questo caso, ? possibile implementare un controllo in retroazione che, attraverso il primo segnale s1, consenta di ridurre la deformazione del fronte d?onda rilevata dal modulo di misura 3 e che al contempo tenga conto, attraverso il secondo segnale s2, del reale stato assunto dal dispositivo ottico 2 a seguito delle azioni di controllo effettuate su di esso in base al segnale di controllo c_s.
[0029] Ad esempio, il secondo segnale s2 reca informazioni di stato dell?attuatore 20. In questo caso, preferibilmente tali informazioni di stato sono o comprendono informazioni di posizione dell?attuatore 20. Tali informazioni di stato possono essere ad esempio fornite da un sistema integrato nell?attuatore 20, ad esempio da un encoder di posizione, o da uno o pi? sensori esterni all?attuatore 20, ad esempio da uno o pi? sensori di posizione.
[0030] In accordo ad una forma di realizzazione preferita, il sistema di controllo 4 comprende un convertitore analogico digitale 9 che, acquisendo informazioni di stato dal dispositivo ottico 2 tramite un segnale analogico, ? tale da produrre il secondo segnale s2 come un segnale digitale. In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa, il convertitore analogico digitale 9 ? un convertitore delta?sigma. In tale forma di realizzazione dunque, anche il secondo segnale s2 ? un segnale codificato con una modulazione delta-sigma.
[0031] Con riferimento alla figura 2, la descrizione sopra resa per il sistema ottico adattivo 1 si estende anche ad un metodo di controllo 100 di un sistema ottico adattivo 1, in cui il sistema ottico adattivo 1 comprende almeno un dispositivo ottico controllabile 20 per emettere e/o riflettere e/o trasmettere una radiazione ottica o_s avente un fronte d?onda, il metodo di controllo 100 comprendendo le fasi di:
- emettere e/o riflettere e/o trasmettere 101 tramite detto almeno un dispositivo ottico 2 una radiazione ottica o_s avente un fronte d?onda;
- misurare una distorsione 102 del fronte d?onda della radiazione ottica per acquisire dati correlati alla misura di distorsione;
- elaborare 103 i dati acquisiti per ottenere un segnale di controllo c_s del dispositivo ottico 2 per ridurre o eliminare la distorsione misurata;
[0032] Nel metodo di controllo 100 la fase di elaborare 103 comprende una operazione di codificare detto segnale di controllo c_s con una modulazione delta-sigma.
[0033] Preferibilmente, il metodo di controllo 100 comprende inoltre una fase di amplificare 104 il segnale di controllo c_s mediante un ponte ad H o un ponte a mezza H.
[0034] Ulteriori caratteristiche del metodo di controllo 100 sono derivabili direttamente dalla descrizione sopra resa per il sistema ottico adattivo e per questo non saranno nuovamente descritte.
[0035] Da quanto sopra esposto risulta evidente che un sistema ottico adattivo 1 del tipo sopra descritto consente di conseguire pienamente gli scopi prefissi in termini di superamento degli inconvenienti della tecnica nota. Infatti, un sistema ottico adattivo 1 del tipo sopra descritto pu? consentire di ottenere una notevole riduzione di costo rispetto ai sistemi noti, pari ad almeno al 25%. Inoltre il suddetto sistema pu? consentire di ottenere una notevole riduzione di ingombro rispetto ai sistemi noti, pari ad almeno al 10%.
[0036] In accordo ad una forma di realizzazione non limitativa, il suddetto sistema ottico adattivo 1 pu? essere compreso o integrato in un sistema d?arma, ad esempio nel caso in cui il dispositivo ottico 2 comprenda uno o pi? laser di potenza. Rispetto a quanto sopra descritto, il sistema d?arma pu? includere ad esempio mezzi di rilevamento e puntamento di un bersaglio, ad esempio un sistema radar, ed un sistema di controllo del tiro.
[0037] Fermo restando il principio dell?invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto ? stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall?ambito dell?invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Claims (14)
1. Sistema ottico adattivo (1) comprendente:
- almeno un dispositivo ottico (2) controllabile per emettere e/o riflettere e/o trasmettere una radiazione ottica (o_s) avente un fronte d?onda;
- un modulo di misura di distorsione (3) atto a misurare una distorsione del fronte d?onda della radiazione ottica (o_s) per fornire un primo segnale (s1) rappresentativo della distorsione misurata;
- un sistema di controllo (4) atto a controllare il dispositivo ottico (2) al fine di ridurre o eliminare la distorsione misurata;
in cui:
- il sistema di controllo (4) comprende un modulo di elaborazione (5) operativamente connesso al modulo di misura (3) per ricevere in ingresso il primo segnale (s1) e produrre in uscita un segnale di controllo (c_s); - in cui il dispositivo ottico (2) ? operativamente connesso al modulo di elaborazione (5) per ricevere in ingresso il segnale di controllo (c_s); caratterizzato dal fatto che:
il segnale di controllo (c_s) ? un segnale digitale codificato con una modulazione delta-sigma.
2. Sistema ottico adattivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo ottico (2) comprende almeno un attuatore (20) ed almeno un componente ottico (21) configurabile dall?attuatore (20) per variare almeno un parametro di emissione e/o riflessione e/o trasmissione del componente ottico (21) ed in cui l?attuatore (20) ? tale da ricevere in ingresso il segnale di controllo (c_s) per configurare il componente ottico (21).
3. Sistema ottico adattivo (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto attuatore (20) ?, o comprende, almeno un attuatore elettromeccanico, preferibilmente un attuatore piezoelettrico.
4. Sistema ottico adattivo (1) secondo le rivendicazioni 2 o 3, in cui detto componente ottico (21) ?, o comprende, almeno uno specchio deformabile e/o mobile.
5. Sistema ottico adattivo (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il sistema di controllo (4) comprende inoltre un amplificatore di segnale (6) operativamente interposto fra il modulo di elaborazione (5) ed il dispositivo ottico (20) per ricevere in ingresso detto segnale di controllo (c_s) e fornire in uscita un segnale di controllo amplificato.
6. Sistema ottico adattivo (2) secondo la rivendicazione 5, in cui l?amplificatore di segnale (6) comprende un ponte ad H o un ponte a mezza H.
7. Sistema ottico adattivo (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il modulo di misura di distorsione (3) comprende almeno un sensore Shack-Hartman.
8. Sistema ottico adattivo (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui l?unit? di elaborazione (5) ? atta e configurata per ricevere in ingresso un secondo segnale (s2) recante informazioni di stato del dispositivo ottico (20) ed in cui l?unit? di elaborazione (5) ? tale da produrre detto segnale di controllo (c_s) in base a detto primo segnale (s1) ed in base a detto secondo segnale (s2).
9. Sistema ottico adattivo (1) secondo le rivendicazioni 2 ed 8, in cui detto secondo segnale (s2) reca informazioni di stato dell?attuatore (20).
10. Sistema ottico adattivo (1) secondo la rivendicazione 9, in cui dette informazioni di stato sono o comprendono informazioni di posizione di detto attuatore (20).
11. Sistema ottico adattivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-10, in cui il secondo segnale (s2) ? un segnale codificato con una modulazione delta-sigma.
12. Sistema d?arma comprendente un sistema ottico adattivo (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto dispositivo ottico (2) comprende uno o pi? laser di potenza (22).
13. Metodo di controllo (100) di un sistema ottico adattivo (1), in cui il sistema ottico adattivo (1) comprende almeno un dispositivo ottico (2) controllabile per emettere e/o riflettere e/o trasmettere una radiazione ottica (o_s) avente un fronte d?onda, il metodo di controllo (100) comprendendo le fasi di:
- emettere e/o riflettere e/o trasmettere (101) tramite detto almeno un dispositivo ottico (2) una radiazione ottica (o_s) avente un fronte d?onda;
- misurare una distorsione (102) del fronte d?onda della radiazione ottica (o_s) per acquisire dati correlati alla misura di distorsione;
- elaborare i dati acquisiti (103) per ottenere un segnale di controllo (c_s) del dispositivo ottico (2) per ridurre o eliminare la distorsione misurata; caratterizzato dal fatto che la fase di elaborare (103) comprende una operazione di codificare il segnale di controllo (c_s) con una modulazione delta-sigma.
14. Metodo di controllo (100) secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre una fase di amplificare (104) il segnale di controllo (c_s) mediante un ponte ad H o un ponte a mezza H.
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2020
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-
2021
- 2021-12-01 EP EP21211584.4A patent/EP4008990A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4008990A1 (en) | 2022-06-08 |
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