CN114616502A - 小形状因子基于四镜的成像系统 - Google Patents

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CN114616502A CN202080072671.2A CN202080072671A CN114616502A CN 114616502 A CN114616502 A CN 114616502A CN 202080072671 A CN202080072671 A CN 202080072671A CN 114616502 A CN114616502 A CN 114616502A
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    • G03B17/17—Bodies with reflectors arranged in beam forming the photographic image, e.g. for reducing dimensions of camera

Abstract

本申请描述了一种全反射光学系统，包括：凹面主镜，具有中心孔和半径，主镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；凸面二级镜，面向主镜，二级镜具有非球表面，其中，光轴从主镜的顶点延伸至二级镜的顶点；凹面三级镜，布置在主镜的后面，三级镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球面表面中的一个；凹面四级镜，布置在主镜的中心孔中或主镜的后面，四级镜具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；以及至少一个图像平面，具有一个或多个聚集传感器，其中，图像平面定位成距光轴的径向距离不超过主镜的半径。

Description

小形状因子基于四镜的成像系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月11日提交的第62,885,296号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容出于所有目的通过引用整体并入本文，并形成本说明书的部分。
技术领域
本公开总体上涉及光学成像系统，并且更具体地涉及用于卫星或飞行器中的基于小形状因子基于四镜的光学成像系统。
背景技术
光学成像系统在许多应用中有用，例如成像行星或恒星。已知的用于卫星成像的光学系统设计包括传统的三镜消像散(TMA，Three Mirror Anastigmat)设计和科尔施(Korsch)设计。光学成像的现有解决方案在尺寸和相应的分辨率能力方面有缺陷。因此需要改进光学成像。
发明内容
在一方面，公开了一种全反射光学系统。该全反射光学系统包括：具有中心孔和半径的凹面主镜，该主镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；凸面二级镜，面向主镜，二级镜具有非球表面，光轴从主镜的顶点延伸至二级镜的顶点；凹面三级镜，布置在主镜后，三级镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；凹面四级镜，布置在主镜的中心孔中或主镜后，四级镜具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；以及，至少一个图像平面，具有一个或多个聚集传感器。图像平面定位在距光轴不大于主镜半径的距离处。
在一些实施方式中，光学系统还可包括位于主镜或二级镜附近的入射光瞳、以及位于以下位置之一的出射光瞳或李奥(Lyot)光阑：1)四级镜附近，2)在三级镜与四级镜之间，以及3)在四级镜与图像平面之间。
在一些实施方式中，光学系统还可包括一个或多个折叠镜，该一个或多个折叠镜布置成将光线从四级镜偏转到图像平面，其中，该一个或多个折叠镜可配置成折叠光线路径。基于使用第一折叠镜，出射光瞳可位于三级镜与四级镜之间，或者位于四级镜与第一折叠镜之间。折叠镜中的一个可相对于该系统的光轴倾斜特定角度。位于图像平面前的折叠镜中的一个可在相同的光谱范围上用反射和透射部分加宽视场，其中每个部分均可对应于该一个或多个传感器中的特定传感器。位于图像平面前的折叠镜中的一个可实现同时的多色成像，其中折叠镜中的一个可在第一光谱范围上反射，并且在其它光谱范围上透射，并且可在第二光谱范围上反射，以及在其它光谱范围上透射，其中聚集传感器中的一个可专用于第一光谱范围，以及聚集传感器中的不同传感器可专用于第二光谱范围。
在一些实施方式中，定义为二级镜与三级镜之间的距离与光学系统的有效焦距之比的形状因子可小于0.09。主镜和二级镜的顶点可形成光轴，该光轴可为从主镜的顶点延伸至二级镜的顶点的几何参考线。主镜和二级镜可为关于光轴对称的或周期性的。周期镜的对角线可具有与图像平面的对角线成零度或45度的角度。三级镜的光轴可不与机械轴重合。
在一些实施方式中，二级镜的半径可在有效焦距的1％至3％的范围内，以及二级镜的半径可在有效焦距的2％至3％的范围内。四级镜的半径可在有效焦距的6％至22％的范围内。
在一些实施方式中，折叠镜可实现同时的多色成像，其中折叠镜中的每个均可在特定光谱范围上是反射的，并且在其它光谱范围上是透射的，以及其中，每个添加的折叠镜和聚集传感器中的相应的一个可与不同的光谱范围相关联。
在一些实施方式中，沿着光轴从三级镜到图像平面的距离可在有效焦距的3％至9％的范围内，以及沿着光轴从二级镜到三级镜的距离可在有效焦距的4％至9％的范围内。该系统可在500km的高度处具有比1m更好的成像分辨率。
在一些实施方式中，该系统可适于支持同时多色成像，包括：1)全色和RGB以及近红外，2)可见和红外(近红外、短波红外、中波红外或长波红外),3)可见和可见，4)红外和红外，5)UV和可见，或6)UV和红外成像。
在一些实施方式中，主镜的直径可在有效焦距的3％至8％的范围内。距主镜的焦点距离可在有效焦距的1％至6％的范围内。有效焦距可在300mm至20,000mm的范围内。光学系统还可包括用于镜中的一个或多个的支承结构。支承结构可采用增材方式制造。
在一些实施方式中，图像平面可包括电荷耦合器件(CCD)-in CMOS时间延迟积分(TDI)传感器。CCD-in-CMOS TDI传感器可为多光谱TDI、背面照明成像器。CCD-in-CMOS TDI传感器可包括七个CCD阵列，每个为4096×256像素。CCD-in-CMOS TDI传感器可包括四个16384×96像素的全色CCD阵列和八个8192×48像素的多光谱CCD阵列。
在一些实施方式中，主镜可具有圆形或非圆形形状，三级镜可具有分段的非圆形形状，以及四级镜具有圆形或非圆形形状。主镜的非圆形形状可增强调制传递函数(MTF)和信噪比(SNR)。
在一些实施方式中，四级镜可面对三级镜，并且可定位成避免与从二级镜到三级镜的光线的干涉。光学系统可另外包括镜的支承结构，该支承结构包括主镜的圆柱形管或锥形挡板。该四个镜可由零-CTE材料、低-CTE材料或中-CTE材料构成，其中该四个镜和支承结构可由一种材料制成。该系统可适于在加星号(starring)、扫描或推扫、视频、立体声、BRDF(双向反射分布函数)、HDR(高动态范围)、偏振和弱光模式下提供成像。
在一些实施方式中，该系统可适于安装在为非成像任务而布置的卫星上，包括通信卫星，或安装在成像卫星、准成像卫星或科学任务卫星上。该系统可适于安装在飞机上、无人机、无人驾驶飞行器和气球上。四级镜和该至少一个图像平面之间的后焦距可在有效焦距的2％至5％的范围内。
在另一方面，公开了一种全反射光学系统，该全反射光学系统包括：具有中心孔和半径的凹面主镜，主镜具有抛物表面、非抛物表面、圆锥形表面或非球表面中的一个；凸面二级镜，面向主镜，二级镜具有双曲线表面，其中光轴从主镜的顶点延伸至二级镜的顶点；凹面三级镜，布置在主镜后，三级镜具有抛物表面、非抛物表面、圆锥形表面和非球表面中的一个；凹面四级镜，布置在主镜的中心孔前面，该四级镜具有球表面、抛物表面、非抛物表面、圆锥形表面或非球表面中的一个；以及至少一个图像平面，具有一个或多个聚集传感器，其中图像平面位于距光轴径向距离处，径向距离不大于主镜的半径。
附图说明
附图中的元件不一定按比例绘制，以便增强它们的清楚性，并改进对本文描述的这些不同元件和实施方式的理解。另外，为了提供本文所述的各种实施方式的清楚的视图，没有示出对本领域技术人员来说为常见且很好理解的元件，因而为了清楚和简洁起见，附图在形式上是概括的。
图1A和图1B是可用于成像的光学系统的实施方式的示意图。
图1C和图1D是可用于成像的光学系统的另一实施方式的示意图。
图1E和图1F是分别示出周期镜和图像平面的对角线的示意图。
图1G和图1H示出了具有周期性主镜的光学系统的示例性实施方式。
图2A是示出用于卫星的有效载荷系统的实施方式的示意图的框图，该卫星可包括本文描述的各种光学系统。
图2B是示出可与本文描述的各种光学系统一起使用的图像平面电路的实施方式的示意图的框图。
图3至图5是示出可与本文所述的各种光学系统一起使用的用于镜和成像平面的配置布局的各种实施方式的示意图。
图6至图9是示出可与本文描述的各种光学系统一起使用的用于包括一个或多个折叠镜和成像平面的镜的配置布局的各种实施方式的示意图。
图10至图13是示出可与本文描述的各种光学系统一起使用的用于包括一个或多个折叠镜和两个成像平面的镜的配置布局的各种实施方式的示意图。
图14A至图14D是包括图1的光学系统的相机系统的实施方式的各个视图。
图15A至图17B是示出图1A的光学系统的性能特性的各种实施方式的曲线图。
图18A至图20B是示出图1C的光学系统的性能特性的各种实施方式的曲线图。
图21A和图21B分别是示出图1A和图1C的光学系统的失真性能的曲线图。
具体实施方式
在以下针对多个实施方式和应用的讨论中，参考形成本文的部分的附图，并且在附图中通过说明示出了其中可实践本文中描述的实施方式的具体实施方式。应当理解的是，可利用其它实施方式，并且可在不脱离本公开的范围的情况下变化。
下面描述了各种发明特征，该各种发明特征各自可彼此独立地使用或者与另一个特征或多个特征组合使用。然而，任何单个发明特征可能不能解决上述所有问题，或者只能解决上述问题之一。另外，上述讨论的一个或多个问题可能不能通过下面描述的每个实施方式的特征完全解决。
本文描述了可在卫星和其它空中系统中使用的小体积、高分辨率光学成像系统和方法的实施方式。在图1A中示出了光学系统100，并且光学系统100是可用于以“微”或小形状因子(体积包络)提供高分辨率成像性能的一个实施方式。该光学系统可在具有现有高带宽能力的其他任务上“搭载(piggyback)”。
在轨道中的卫星星座可相互协作地工作，以协调地面覆盖。星座中的卫星的轨道可同步。例如，轨道可为地球同步的，其中卫星可具有与地球的平均旋转周期相等的轨道周期，并且在与地球相同的旋转方向上。或者轨道可为太阳同步的，诸如围绕地球的近极轨道，其中卫星在相同的局部平均太阳时间越过地球表面的任何给定点，或者轨道每年经过一个完整的旋转，使得卫星与太阳保持相同的关系。同步系统由于需要专用平台和传感器、发射器和操作站而引入复杂性。对于遥感，这种同步星座的典型示例包括PLANETSCOPE(也称为DOVE)、SkySat、BLACKSKY和Carbite的程序。
本文描述的系统可在同步轨道以及异步轨道的系统中使用。因而，在一些实施方式中，成像系统可与地球观测相机系统(ACEC)的异步星座一起使用。这对于许多小卫星的星座尤其如此，诸如CubeSat，以及低地球轨道(LEO)宽带数据中继卫星星座，诸如SpaceNGSO卫星系统、One Web和Amazon的KUIPER系统。在本文描述的任何光学系统或其特征均可包括微光学和相机系统的任何特征以及在“Study on the feasibility of micro camerasystems for asynchronous,gigantic satellite constellation”,by Youngwan Choi,Proc.SPIE 11127,Earth Observing Systems XXIV,111270Z(9September 2019,available at https://doi.org/10.1117/12.2529090)中描述的其它方面，其全部内容通过引用整体并入本文。
异步星座可包括在任何可用平台上的相机系统，其具有计划的任务，但是可承载附加的有效载荷。异步星座可能与标称星座的不同之处在于，异步星座将不能同步操作，并且不提供协调的地面覆盖，唯一的目的是仅提供图像流。异步星座的最显著的好处是避免或最小化开发平台的成本、时间和努力，需要特定的发射系统，以及操作专用的地面控制系统，这可为高固定成本。利用LEO宽带数据中继卫星进行异步星座成像的优点是其宽的数据带宽。CUBESAT或具有专用成像或其它任务的其它平台可能遭受降低的数据带宽。在没有数据带宽问题的情况下，具有LEO数据中继卫星的异步星座可在专用频道中作为卫星流电影或其它内容流传送图像数据，使得用户可选择性地接收、记录和处理图像数据。
为了做到这一点，需要具有尺寸优点并且能够适应任何可用空间的小得多的相机系统或微型相机系统。较小相机的最近发展仅集中于尺寸优势，使得这种发展依赖于光学设计，所述光学设计更容易设计，更容易开发，或更便宜地构建。然而，这种方法看起来合理，但是由于诸如光学分辨率之类的性能降低，这种方法可能对利用这种相机来进行严重任务带来限制或约束。
在本文描述的光学系统100和成像系统的其它实施方式可用于星座操作，并且在物理维度上是微型的，以及在性能上是先进的。描述了用于小形状因子的4镜望远镜的系统和方法。
本文描述的实施方式可为已经计划的车载卫星平台，作为辅助有效载荷或附加系统。在一些实施方式中，成像系统可具有星形传感器或跟踪器的尺寸。成像系统可为轻质的。成像系统可最小化功耗。成像系统及其与平台的接口可简单，从而可容易地安装和操作。成像系统能够进行适当的成像，这可通过其说明书来描述。成像系统可具有适当的MTF值。成像系统可设计成在宽的光谱范围上操作，并且在光谱范围上配有多个频道，其中全色、红色、绿色、蓝色和近红外作为基线组。成像系统能够具有大视场。
对于这种相机系统，重要的要求是失真特性。对于较高的分辨率，具有小f数、有较长有效焦距的小孔径的相机系统可能需要时间延迟积分(TDI)传感器，以实现适当的信噪比(SNR)，用于在地面上的进一步处理。由光学设计引起的失真可在相机系统中引起拖影。为了避免用于TDI成像的图像质量的显著降低，应在整个视场(FOV)上最小化由该系统引起的失真。
本文所述的光学成像系统基于反射或镜系统，这对于小型的可负担得起的系统来说可能不常见。用于CAN-或NANO-SAT的通常的相机基于反射折射设计的，为了实现简单设计和和降低成本。实例是PLANETSCOPE(又名DOVE)、SKYSAT、BLACKSKY和CARBONITE。
SKYSAT相机的设计基于Ritchey-Cassegrain望远镜，其具有两个镜(主镜和二级镜)和少量的透镜。已知该SKYSAT相机的设计容易制造、成本降低和对准/组装逻辑简单。另外，该SKYSAT相机的设计使用COTS框架CMOS传感器。CARBONITE相机是市售的现成的天文望远镜的一个例子，CARBONITE相机改造成适应空间环境，并配有用于彩色视频成像的商用CMOS传感器。利用商用望远镜看起来是一种灵巧的行为，在这种意义上，可减少开发或制造工作，可大幅降低成本，并且可有效地进行操作管理。整个过程开发成适于实现地球观测卫星的星座。
与那些方法不同，本文描述的用于相机的光学系统实施方式基于反射设计，该反射设计是四镜系统。本文所述的光学系统可不具有要覆盖的光谱范围的限制。该系统可没有色差，这对于多光谱成像很关键。由于多镜系统的自由度，该系统可具有很高的设计灵活性。该系统可具有通过镜面轻质而推导出的质量减小。该系统可具有小的形状因数。
图1A是示出光路线的第一光学系统100的光学布局的示意性立体图。图1B是为了清楚起见未示出光路线的光学系统100的示意性立体图。光路线可指示多个光谱波段。参照图1C，图中示出了第二光学系统150的光学布局的立体图，图中示出了光路线。为了清楚起见，图1D示出了没有光路线的光学系统150。
图1A和图1B中的光学系统100、150的前两个镜-主镜104和二级镜105、以及图1C和图1D中的主镜154和二级镜155负责系统的光焦度，从而可确定其有效焦距或分辨率。本文使用的“有效焦距”具有其通常和惯例的含义，并且包括但不限于从光学镜的主平面到成像平面118、168的距离。光学系统100的入射光瞳124(在图1A和图1B中示出)和光学系统150的入射光瞳174(在图1C和图1D中示出)控制通过各个系统的光量，并且可位于各个主镜上。入射光瞳可为物理孔径光阑的光学图像，如通过光学系统的前方(物侧)所看到的。通过光学系统的背部看到的孔径的相应图像称为出射光瞳。
主镜104、154可由结构支承件102支承，该结构支承件102具有径向延伸的梁103以支承镜结构。结构102和梁103可最小化主镜面上可能由结合和热环境变化引起的失真。另外，它可保护主镜免受相机在发射期间可能经历的随机振动和冲击。
在一些实施方式中，用于本文所述的任何光学系统的各种镜和支承结构可由铝、陶瓷、设计的复合材料、其它合适的材料或其组合形成。在一些实施方式中，该一个或多个结构和/或该一个或多个镜可通过3D打印技术来制造，3D打印技术也称为增材制造技术。例如，镜和支承结构都可增材制造为一个整体件。
图1A和图1B中的三级镜113以及图1C和图1D中的三级镜163有助于扩大视场(FOV)，并校正相应的残余光学像差。三级镜113、163可以不包括光轴，例如为了更简单的可制造性，并且两个或更多个三级镜可由一个基底件制造。图1A和图1B中的四级镜114以及图1C和图1D中的四级镜164可最小化失真，并控制后焦距。本文所用的“后焦距”具有其通常和惯例的含义，并且包括但不限于光学镜的最后一个表面与其图像平面之间的距离。光学系统100、150的视场设计成使得光线不会干扰相应的四级镜和相应的主镜的中心孔。四级镜114、164将相应的光沿着光路反射到成像平面118、168。
图1D示出了第二光学系统150，但是为了清楚起见，没有示出光路线。图1B中的孔径或中心孔110和图1D中的中心孔160的直径被最小化，以最大化主镜的使用面积，以及在一些实施方式中，不大于相应的二级镜105、155。图1B中的中心孔110和图1D中的孔160的直径可设计得足够大，从而不会干扰通过中心孔110和160传播的光线。
主镜104、154和/或二级镜105、155可关于各自的光轴对称或呈周期性。图1E和图1F是分别示出周期镜和图像平面的对角线的示意图。周期镜的对角线可具有与图像平面的对角线成零度或45度的角度。三级镜的光轴可以不与机械轴重合。
图1G和图1H示出了分别具有周期性主镜174、194的光学系统170、190的示例性实施方式。光学系统170、190还分别包括二级镜175、195、三级镜173、193、四级镜184、198和成像平面189、199。光学系统170、190可具有与光学系统100或150相同或相似的特征和/或功能。
光学系统100、150可包括与本文描述的光学系统的其它实施方式相同或相似的任何特征和/或功能，以及本文描述的光学系统的其它实施方式可包括与光学系统100、150相同或相似的任何特征和/或功能。例如，光学系统100、150可包括与光学系统210、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1430、1460相同或相似的任何特征和/或功能，以及光学系统210、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1430、1460可包括与光学系统100、150相同或相似的任何特征和/或功能。例如，对于本文描述的任何光学系统，主镜可为凹面的，并且具有中心孔。
主镜可具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面。本文所用的“抛物表面”具有其通常和惯例的含义，并且包括但不限于用于收集光能的反射面，并且可具有作为圆形抛物表面的部分的形状，即由围绕其轴旋转的抛物线产生的表面。本文所用的“非抛物锥形表面”具有其通常和惯例的含义，并且包括但不限于绕其轴线旋转的曲线，其中该曲线作为锥形与除抛物线以外的平面的交点而获得。例如，“非抛物锥形表面”可为双曲线的、椭圆形的或圆形的。本文所用的“非球表面”具有其通常和惯例的含义，并且包括但不限于非球表面的表面。在一些实施方式中，可稍微改变球表面以减小球表面像差。
二级镜可为凸面的，并且面对主镜。二级镜可具有非球表面。三级镜可为凹面的，并且布置在主镜的后面。“后面”可指主镜的与将入射光反射到二级镜的主镜的侧部相对的一侧。三级镜可具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面。例如，如图3所示，四级镜可为凹面的，并且布置在主镜的中心孔中，在主镜之前或者在主镜之后。四级镜可具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一种。
可具有至少一个图像平面，该至少一个图像平面具有一个或多个聚集传感器，其中该图像平面位于距光轴特定距离处。光轴可定义为在主镜和二级镜的顶点之间延伸的几何参考线。给定镜的顶点可为镜表面上主轴与镜相交处的点。
光学系统100可具有更大的主镜104，并因而相对于光学系统150的主镜154具有更高的分辨率。光学系统100的分辨率可在500km的高度上优于1m。光学系统150可在500km的高度处具有优于2m的分辨率。光学系统150可具有比光学系统100更大的视场(FOV)。光学系统100可具有相对于光学系统150更窄的视场(FOV)。光学系统100可具有200mm(W)×200mm(H)×250mm(L)的体积尺寸。光学系统150可具有100mm(W)×100mm(H)×150mm(L)的体积尺寸。光学系统150的重量可比光学系统100轻。光学系统100、150可都具有用于更高分辨率成像的适当MTF。
光学系统100、150都可具有类似的镜类型和光路。但是光学系统100、150各自的目的和任务可不同。光学系统100的目的可为绘制地球表面并获取地理空间数据。光学系统150的目的可为用于遥感和环境监测。
在一些实施方式中，光学系统100、150可实现用于轨道系统和/或成像系统的各种参数。在表1中描述了利用光学系统100、150可实现的示例参数。例如，可将设计轨道布置为500km，可将光谱波段设计为与除了全色波段之外的大卫星和科学卫星成像相兼容等。全色波段(PAN波段)可设计成包括高达红色边缘，从而改善波段中的调制传递函数(MTF)，这由于其小孔径尺寸而可能是不可避免的。
Figure BDA0003585929470000111
表1
图2A是用于卫星中的光学系统210的示例性有效载荷系统200配置的框图。光学系统210以示意的形式示出。光学系统210包括具有中心孔212的凹面主镜204。主镜可具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个。较小的凸面二级镜205面对主镜204，并具有非球表面。二级镜可具有非球表面。凹面三级镜213布置在主镜204的后面，该三级镜可具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个。凹面四级镜214可布置在主镜204的中心孔212的稍后面，其中四级镜可具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个。主镜204、三级镜213和四级镜214每个都具有正光焦度或焦距，而二级镜205具有负光焦度。“后面”可如上所述定义。后面也可指图2A中的方向，即向右定向的方向，使得主镜204的“后面”意味着主镜204的右边，如图中定向。
具有将光转换为电信号的多达“n”个聚集传感器的图像传感器216位于主镜204的后面。在某些实施方式中，图像传感器216可通过接口218将数字数据的32个子LVDS(低电压差分信令)频道的输出格式传递到卫星的控制和处理电子部分220。在其它实施方式中，使用其它输出格式。传感器216包括用于红外、可见和其它阵列传感器的读出集成电路(ROIC)。ROIC支持的功能包括图像信号的处理和整形，并且可包括单元前置放大器。接口218还包括来自控制和处理电子设备220的控制信号，其中，在一些实施方式中，控制信号可包括串行外围接口(SPI)和时钟信号。
在某些实施方式中，数据格式化和分发子系统224通过接口218接收数据，然后进一步将数据发送至具有机器学习子系统226的数据处理，并发送至数据存储和存档子系统230以进行存储。来自数据存储和存档子系统230的存储数据可直接发送至数据处理子系统226，以用于各种类型的处理。来自数据处理子系统226的已处理数据的输出可直接发送至数据存储和存档子系统230以用于存储。来自数据处理子系统226的已处理数据和来自数据存储和存档子系统230的数据的输出可发送至数据格式化、加密和传输子系统228。然后，数据格式化、加密和传输子系统228的输出，诸如图像数据，被发送至卫星总线以便进一步分发，该进一步分发可包括向地球站、中继卫星或接收数据的其它实体的传输。数据处理子系统226可包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，诸如用于程序指令的存储器和用于数据的存储器和/或高速缓存。
有效载荷控制电子子系统222从卫星总线接收远程命令，并向卫星总线提供管家数据。有效载荷控制电子子系统222向有效载荷系统200的部分提供命令，包括向图像传感器216和/或向热控制、温度数据和光学聚焦子系统234提供命令。热控制、温度数据和光学聚焦子系统234通过接口232向光学系统210提供控制信号，诸如热控制和光学聚焦，并从光学系统210接收温度数据。
电力转换、分配和遥测子系统236从卫星总线接收遥测命令，并向卫星总线提供遥测数据。功率转换、分配和遥测子系统236还可接收功率，诸如来自卫星的太阳能电池板或电池的功率。
用于诸如CUBESAT的较小卫星的成像系统的重要问题是校准，包括绝对校准和传感器间校准。例如，来自商业CUBESAT的大多数图像不是以标准方式在标准辐射率或反射率标度上校准的。因而，将图像数据与如MODIS或LANDSAT的大型商用卫星或科学卫星成像进行比较可能具有挑战性。甚至传感器间校准都是不确定的，这可能主要由于商业传感器的暂时不稳定或不一致的性能。
相反，可针对空间应用开发和定制用于本文描述的光学系统的传感器，诸如光学系统210中的传感器216的聚集传感器，并且可验证上述传感器的一致性和稳定性。重要的是，本文描述的光学系统210和所有光学系统均可根据标准过程并且相对于彼此进行校准，使得来自系统的所有图像数据均彼此兼容，并且也与参考系统兼容。
参考图2B，图中示出了用于图像传感器216的传感器电路的示例性实施方式。图像传感器216可包括读出集成电路(ROIC)272和电荷耦合器件(CCD)阵列270。入射在CCD阵列270的表面上(如图中所定向的上表面)的光子产生电荷，该电荷可由电子器件读取，并变成落在该器件上的光图案的数字副本。在某些实施方式中，可将来自IMEC International的互补金属氧化物半导体(CCD-in-CMOS)时间延迟积分(TDI)传感器中的电荷耦合器件用于光学系统210，即使优选5微米(μm)的像素尺寸。在一些实施方式中，使用每个多带CCD阵列270 4096列和256级的格式，背面照明传感器将TDI CCD阵列与CMOS驱动器组合，并且以5.4μm的间距读出像素。可包括片上控制和定序器电路。在某些实施方式中，130MHz时钟262可为图像传感器的输入以及用于控制的串行外围接口(SPI)。成像器可通过SPI接口连接，并且可集成片上PLL，以传递作为ROIC 272的部分的32个子LVDS(低电压差分信令)频道的输出格式。电路的七波段版本可包括七个CCD阵列，每个为4096×256像素。
在其它实施方式中，可将其它传感器电路用于图像传感器216，该其它传感器电路可具有不同尺寸的阵列270和用于输出数据的不同ROIC 272。例如，图像传感器216可包括分别16384×96像素的四个全色CCD阵列和8192×48像素的八个多光谱CCD阵列。
为了使暴露于光的区域最大化，可使用背面照明技术。这包括将传感器晶片结合到载体晶片并从背面将其减薄。这直接将CCD门暴露于光，而不会阻碍金属线。因而，有效填充因子达到100％。背面照明的CMOS成像器具有非常高的本征光灵敏度，并且在检测(近)紫外光和蓝光方面非常有效。几种抗反射涂层(ARC)可用于在光谱的选定区域中达到高量子效率，例如在UV范围内超过70％或在可见光范围内超过90％。
利用TDI传感器，图像质量对平台运动敏感，这可用图像拖尾MTF来表示。光学系统210的图像拖影MTF可为0.974，拖尾像素为0.2，TDI步数为128，以及时钟相位为4。这可强加对平台的姿态稳定性的要求，姿态稳定性可为22微弧度每秒(μrad/sec)或4.54弧秒每秒(arcsec/sec)。当姿态稳定性要求放宽到一个像素的拖影时，则拖影MTF变为0.75，并且姿态稳定性可为23arcsec/sec。
参照图3，图中示出了全反射光学系统300的实施方式的示意图。光学系统300的光学设计可不同于传统的三镜消像散TMA或三镜Korsch设计。Korsch设计可具有用于主镜的椭球表面、用于二级镜的双曲线表面和用于三级镜的椭球表面。
光学系统300包括具有中心孔310的凹面主镜304，其中主镜可具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个。较小的凸面二级镜305面对主镜304，并具有非球表面。凹面三级镜313布置在主镜304的后面，其中三级镜可具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个。在主镜304的中心孔310的前面布置凹面四级镜314，其中四级镜可具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个。主镜304、三级镜313和四级镜314各自具有正光焦度或焦距，而二级镜305具有负光焦度。
具有将光转换为电信号的一个或多个聚集传感器的图像平面316位于主镜304的后面。在某些实施方式中，图像平面316位于距光轴的特定距离处，该光轴由围绕通过主镜和二级镜的顶点的线的机械对称限定，该线可限定“光轴”。该特定距离在主镜的物理半径(从光轴)内。因而，图像平面将不会超过由主镜的光轴的半径限定的圆柱形包络。主镜的半径可从镜的主轴垂直地延伸至镜的最外边缘。主轴可为穿过镜中心的几何参考线，正好垂直于镜的表面。
光学系统300使用围绕光轴对称的二级镜305。三级镜313可具有分段的非圆形形状。四级镜314可具有圆形或非圆形形状。主镜304可具有圆形或非圆形形状，其中后者增强调制传递函数(MTF)和信噪比(SNR)。圆形形状被刻划成非圆形形状，其可为围绕光轴周期性的。
对于正方形及其内圆的例子，内圆可为用于传统光学系统设计的主镜的形状。如果内圆的半径是“r”，则正方形的面积将大于4/π。对于为其分配大体积的较大相机来说，这通常不是问题。然而，对于通常为长方体的小卫星，正方形形状的主镜可具有4/π的较大面积并提高MTF和SNR。
Korsch和其它四镜光学设计二者都不为主镜和/或三级镜使用抛物表面。利用具有抛物表面的光学系统300的主镜和/或三级镜，光学系统300可为具有预算约束的任务提供唯一的、可负担得起的解决方案。对于抛物表面，一般的测试布置可用于制造，或者缝合测量也是可能的。另外，商用生产线可用于抛物镜制造，特别是当镜小于300mm时。相反，非抛物二次曲面或非球表面可能需要专用的测试工具，包括计算机生成的全息图(CGH)或零光学器件。
对于抛物表面，一般的测试布置可用于制造，或者缝合测量也是可能的。另外，商用生产线可用于抛物镜制造，特别是当镜小于300mm时。
形成光轴的主镜和二级镜304、305关于该轴对称或呈周期性。主镜和二级镜彼此面对。三级镜313面向主镜304的背部，并且可为分段镜。如本文所使用的，“分段镜”包括其通常和惯例的含义，并且包括但不限于设计成用作单个较大曲面镜的分段的较小镜阵列。三级镜313的光轴可不与机械轴重合。如本文所使用的，“机械轴”具有其通常和惯例的含义，并且可包括但不限于在镜的中心或边缘处的法向矢量。在某些实施方式中，三级镜313是较大镜的部分。在这样的实施方式中，三级镜313的光轴可指较大的镜的光轴，以及机械轴可指分段的镜的轴。四级镜314面对三级镜313，并且定位成避免与从二级镜305到三级镜313的光线干涉。
镜的计量和支承结构可为主镜304的圆柱形管或锥形挡板，诸如关于图14A至图14D所示和所述的那些镜的计量和支承结构。圆柱形包络可与圆柱形结构共同延伸，以限制成像平面相对于主镜和二级镜之间的光轴所处的特定距离。例如，成像平面的位置可由圆柱形结构的半径径向限制。
光线首先照射到主镜304上并由主镜304反射，其次是次镜305，第三是四级镜313，最后是四级镜314，使得光线到达图像平面316。图像平面316包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器可以以有序的方式聚集。光学系统300的入射光瞳可位于主镜304或二级镜305附近。中间焦点围绕主镜304的顶点形成，位于主镜304和二级镜305之间，或主镜304和三级镜313之间。出射光瞳或Lyot光阑可位于四级镜314附近，在三级镜和四级镜313、314之间，或者在四级镜314和图像平面316之间。如本文所使用的，“Lyot光阑”具有其通常和惯例的含义，并且包括但不限于减小可能由光学系统中的其它光阑和挡板的衍射引起的耀斑量的光学光阑。Lyot光阑可位于系统的入射光瞳的图像上，并且具有略小于光瞳图像的直径。
光学系统300具有小的形状因数。该形状因子被定义为1)二级镜305和三级镜313之间的距离与2)光学系统300的有效焦距的比率。在一些实施方式中，光学系统300具有小于0.2和0.09的形状因子。形状因子可为约0.09至0.2、约0.04至小于0.25。形状因子可小于0.25。形状因子可具有以下值或大约以下值：0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24或0.25。该形状因子可小于0.04、小于0.05、小于0.06、小于0.07、小于0.08、小于0.09、小于0.09、小于010、小于0.11、小于0.12、小于0.13、小于0.14、小于0.15、小于0.16、小于0.17、小于0.18、小于0.19、小于0.20、小于0.21、小于0.22、小于0.23、小于0.24或小于0.25。
除了小形状因子之外，光学系统300在从三级镜313到图像平面316具有短得多的物理距离方面优于现有技术。现有技术在三级镜和图像平面之间具有相当长的距离，并要求一个或多个折叠镜来适合有限的尺寸。这种配置可能导致光学对准困难，在操作期间热的不稳定性，这可能最终导致性能下降。由于小形状因数和三级镜313与图像平面316之间的短距离，光学系统300消除了不必要的折叠镜，并简化了对准和组装以及操作的稳定性。
光学系统可设计成具有零热膨胀系数(CTE)材料(诸如Zerodur、Fused Silica、Suprasil、Astrostiall等)、低CTE材料(诸如硼硅酸盐玻璃，如BOROFLOAT、Pyrex等)和温和CTE材料(诸如Crown玻璃，如NBK7)的镜。
对于CTE匹配，将镜和结构材料的特定组合用于光学系统。超因瓦、因瓦或设计的复合材料可用于零CTE镜材料。因瓦、柯伐(Kovar)、陶瓷或设计的复合材料可用于低CTE镜材料。钛、陶瓷或设计的复合材料可用于温和CTE镜材料。
单片结构可用作光学系统的最终解决方案。镜和结构可由一种材料制成，包括铝、陶瓷、设计的复合材料，并且不限于该列表。
参照图4，图中示出了全反射光学系统400的另一实施方式的示意图。光学系统400包括主镜404、二级镜405、三级镜413、四级镜414和图像平面416。主镜404、二级镜405、三级镜413、四级镜414和图像平面416可分别具有与光学系统300的主镜304、二级镜305、三级镜313、四级镜314和图像平面316相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统300的主镜304、二级镜305、三级镜313、四级镜314和图像平面316可分别具有与主镜404、二级镜405、三级镜413、四级镜414和图像平面416相同或相似的特征和/或功能。
然而，在光学系统400中，四级镜414位于主镜404的后面，但靠近主镜404中的孔410。三级镜413位于光学系统400中主镜404的后面，比光学系统300中更远。在某些实施方式中，三级镜413可位于主镜404后面的一段距离，该距离在主镜404直径的20％至60％、30％至50％、或35％至45％的范围内。图3中的光学系统300的主镜404可与三级镜313一体制造，使得质心更靠近主镜304，并且可减小系统的串扰惯性矩(MOI)。图4的光学系统400在有效焦距和视场方面与光学系统300不同。光学系统400的配置的优点在于，将四级镜414放置得更靠近主镜404可使得更容易在四级镜414上布置Lyot光阑，并且可最小化主镜的中心孔尺寸或孔410。
参照图5，图中示出了全反射光学系统500的另一实施方式的示意图。光学系统500包括主镜504、二级镜505、三级镜513、四级镜514和图像平面516。主镜504、二级镜505、三级镜513、四级镜514和图像平面516可分别具有与光学系统300的主镜304、二级镜305、三级镜313、四级镜314和图像平面316相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统300的主镜304、二级镜305、三级镜313、四级镜314和图像平面316可分别具有与主镜504、二级镜505、三级镜513、四级镜514和图像平面516相同或相似的特征和/或功能。
然而，在光学系统500中，四级镜514位于主镜504后面的距离大于光学系统400的四级镜414和主镜404之间的距离(见图4)。另外，在光学系统500中，三级镜513位于主镜504后面的距离大于光学系统400的各个相应镜的距离。在某些实施方式中，三级镜513可位于主镜504后面的一段距离处，该距离在主镜504的直径的45％至55％的范围内。光学系统500可设计用于小得多的像素传感器，诸如在某些实施方式中具有小于4微米的像素尺寸。光学系统500可在有效焦距和视场方面不同于光学系统300。在一些实施方式中，光学系统500可具有相对于光学系统300更短的有效焦距和更宽的视场，这可允许系统500包括具有较小像素尺寸的传感器。它可相对地更靠近主镜613中的孔610。三级镜613与光学系统400中类似地位于主镜604的后面。附加的折叠镜615接收来自四级镜614的光线，并将光线反射到位于折叠镜615上方的图像平面616。在某些实施方式中，图像平面616位于光轴之上并平行于光轴。
光学系统的一些实施方式可具有在使用折叠镜615的图像平面616与四级镜614之间的更长的系统光程长度。如果图像平面616在三级镜613之后，则系统光程长度是二级镜605和图像平面616之间的距离。通过使用折叠镜615，系统光程长度是二级镜605和二级镜613之间的距离。图像平面616可定位为满足焦距和视场的要求。光学系统600的配置可提供紧凑设计。另一优点是系统600可允许更容易地安装传感器冷却器和用于冷却器的散热板。另外，在光学系统600中，用于图像平面的传感器可定位成更靠近主镜支承结构，并且可以以更稳定的方式保持传感器。
参照图7，图中示出了具有折叠镜715的全反射光学系统700的另一实施方式。光学系统700可具有与光学系统600相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统600可具有与光学系统700相同或相似的特征和/或功能。光学系统600包括主镜704、二级镜705、三级镜713、四级镜714和图像平面716，主镜704、二级镜705、三级镜713、四级镜714和图像平面716可分别具有与光学系统600的主镜604、二级镜605、三级镜613、四级镜614和图像平面616相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统600的主镜604、二级镜605、三级镜613、四级镜614和图像平面616可分别具有与主镜704、二级镜705、三级镜713、四级镜714和图像平面716相同或相似的特征和/或功能。如在光学系统600中那样，四级镜714位于主镜704的后面，但是靠近主镜704中的孔710。三级镜713与光学系统600中类似地位于主镜704的后面。折叠镜715接收来自四级镜714的光线，并将光线反射到位于折叠镜715下方的图像平面716。在某些实施方式中，图像平面716位于光轴之下并平行于光轴。光学系统700的配置的优点在于，包括折叠镜715的镜的配置导致更紧凑的设计。另一优点是光学系统700可使用用于图像平面的在更大的封装中的传感器。CMOS传感器或具有ROIC的传感器往往具有更大的封装，使得可容纳更多的电路或部件，这些电路或部件可帮助最小化读出噪声、串扰和模糊。
参照图8，图中示出了具有折叠镜815的全反射光学系统800的另一实施方式。光学系统800可具有与光学系统700相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统700可具有与光学系统800相同或相似的特征和/或功能。光学系统800包括主镜804、二级镜805、三级镜813、四级镜814和图像平面816，主镜804、二级镜805、三级镜813、四级镜814和图像平面816可分别具有与光学系统700的主镜704、二级镜705、三级镜713、四级镜714和图像平面716相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统700的主镜704、二级镜705、三级镜713、四级镜714和图像平面716可分别具有与主镜804、二级镜805、三级镜813、四级镜814和图像平面816相同或相似的特征和/或功能。然而，图像平面816比靠近其相应光轴的图像平面716更靠近光轴。四级镜814位于主镜804的后面，但比光学系统700的相应部件更位于其后面。三级镜813比在光学系统700中更位于主镜804的后面。折叠镜815接收来自四级镜814的光线，并将光线反射到位于折叠镜815下方的图像平面816。在某些实施方式中，图像平面816位于光轴之下并平行于光轴。光学系统800设计用于较小的像素传感器，该像素传感器通常是商用传感器或MIL-STD传感器。光学系统800的一个优点是可利用最新的传感器，包括商用传感器或MIL-STD传感器。
参照图9，图中示出了具有折叠镜915的全反射光学系统900的另一实施方式。光学系统900可具有与光学系统800相同或相似的特征和/或功能。光学系统900包括主镜904、二级镜905、三级镜913、四级镜914和图像平面916，主镜904、二级镜905、三级镜913、四级镜914和图像平面916可分别具有与光学系统800的主镜804、二级镜805、三级镜813、四级镜814和图像平面816相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统800的主镜804、二级镜805、三级镜813、四级镜814和图像平面816可分别具有与主镜904、二级镜905、三级镜913、四级镜914和图像平面916相同或相似的特征和/或功能。
然而，在光学系统900中，图像平面916比靠近其相应光轴的图像平面816更靠近光轴。四级镜914位于主镜904的后面，与光学系统800的距离相似。三级镜913位于主镜904的后面，与光学系统800的距离相似。折叠镜915接收来自四级镜914的光线，并将光线反射到位于折叠镜915上方的图像平面916。在某些实施方式中，图像平面916位于光轴之上并平行于光轴。光学系统900的优点在于，图像平面的传感器能够更稳定地抵抗振动，并且能够以比其它光学系统配置更容易的方式安装具有辐射器的冷却器。
参照图10，图中示出了具有多个图像平面和折叠镜1015的全反射光学系统1000的实施方式。光学系统1000可具有与光学系统600相同或相似的特征和/或功能。光学系统1000包括主镜1004、二级镜1005、三级镜1013、四级镜1014和第一图像平面1016，主镜1004、二级镜1005、三级镜1013、四级镜1014和第一图像平面1016可分别具有与光学系统600的主镜604、二级镜605、三级镜613、四级镜614和图像平面616相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统600的主镜604、二级镜605、三级镜613、四级镜614和图像平面616可分别具有与相同或相似的特征和/或功能主镜1004、二级镜1005、三级镜1013、四级镜1014和第一图像平面1016。第一图像平面1016与光轴的距离与图像平面616与其相应光轴的距离相似。然而，光学系统1000具有类似于第一图像平面1016的第二图像平面1016'。第一图像平面1016可专用于第一光谱范围，而第二图像平面1016'可专用于第二光谱范围。
四级镜1014位于主镜1004的后面，并且以一段距离靠近主镜1004中的孔1010，该距离类似于光学系统600的相应部件中的距离。三级镜1013位于主镜1004的后面一段距离，该距离与光学系统600的相应部件中的距离相似。折叠镜1015接收来自四级镜1014的光线，并将某一光谱范围内的一些光线反射到位于折叠镜1015上方的第一图像平面1016。折叠镜1015可透射与反射的范围不同的第二范围内的光线。光学系统1000通过使折叠镜1015在第一光谱范围上是反射的而在第二光谱范围上是透射的来实现同时多色成像。在某些实施方式中，第一图像平面1016位于光轴之上并平行于光轴，而第二图像平面1016'位于光轴的与第一图像平面1016相对侧上的光轴之下并垂直于光轴。光学系统1000的一个优点是，由于折叠镜和多个成像平面的特性，可执行多色成像。
参照图11，图中示出了具有多个图像平面和折叠镜1115的全反射光学系统1100的另一实施方式。光学系统1100可具有与光学系统1000相同或相似的特征和/或功能。光学系统1100包括主镜1104、二级镜1105、三级镜1113、四级镜1114、折叠镜1115和第一图像平面1116，主镜1104、二级镜1105、三级镜1113、四级镜1114、折叠镜1115和第一图像平面1116可分别具有与光学系统1000的主镜1004、二级镜1005、三级镜1013、四级镜1014、折叠镜1015和第一图像平面1016相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统1000的主镜1004、二级镜1005、三级镜1013、四级镜1014、折叠镜1015和第一图像平面1016可分别具有与主镜1104、二级镜1105、三级镜1113、四级镜1114、折叠镜1115和第一图像平面1116相同或相似的特征和/或功能。然而，在光学系统1100中，第一图像平面1116定位成距光轴的距离大于第一图像平面1016距其相应光轴的距离。光学系统1100具有类似于第一图像平面1116的第二图像平面1116'。第一图像平面1116可专用于第一光谱范围，以及第二图像平面1116'可专用于第二光谱范围。
四级镜1114位于主镜1104的后面，并且靠近主镜1104中的孔1110一段距离，该距离类似于光学系统1000的相应部件中的距离。三级镜1113位于主镜1104的后面一段距离处，该距离与光学系统1000的各个相应部件中的距离相似。折叠镜1115接收来自四级镜1114的光线，并将该光线中的一些反射到位于折叠镜1115下方的第一图像平面1116。光学系统1100通过使折叠镜1115在第一光谱范围上是反射的而在第二光谱范围上是透射的来实现同时多色成像。在某些实施方式中，第一图像平面1116位于光轴之下并平行于光轴，以及第二图像平面1116'位于光轴之下并垂直于光轴。一个优点是光学系统1100可使用用于图像平面的在更大的封装中的传感器。CMOS传感器或具有ROIC的传感器通常具有更大的封装，使得可容纳更多的电路或部件，这些电路或部件可帮助最小化读出噪声、串扰和模糊。
参照图12，图中示出了具有多个图像平面和折叠镜1215的全反射光学系统1200的另一实施方式。光学系统1200可具有与光学系统1100相同或相似的特征和/或功能。光学系统1200包括主镜1204、二级镜1205、三级镜1213、四级镜1214、折叠镜1215和第一图像平面1216，主镜1204、二级镜1205、三级镜1213、四级镜1214、折叠镜1215和第一图像平面1216可分别具有与光学系统1100的主镜1104、二级镜1105、三级镜1113、四级镜1114、折叠镜1115和第一图像平面1116相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统1100的主镜1104、二级镜1105、三级镜1113、四级镜1114、折叠镜1115和第一图像平面1116可分别具有与主镜1204、二级镜1205、三级镜1213、四级镜1214、折叠镜1215和第一图像平面1216相同或相似的特征和/或功能。然而，在光学系统1200中，第一图像平面1216定位成距光轴的距离比第一图像平面1116距其相应光轴的距离短。光学系统1200具有类似于第一图像平面1216的第二图像平面1216'。第一图像平面1216可专用于第一光谱范围，以及第二图像平面1216'可专用于第二光谱范围。
四级镜1214位于主镜1204的后面的一段距离处，该距离大于光学系统1100的相应部件中的距离。三级镜1213定位成距主镜1204后面的距离大于光学系统1100的相应部件中的距离。折叠镜1215接收来自四级镜1214的光线，并将光线反射到位于折叠镜1215下方的第一图像平面1216。光学系统1200通过使折叠镜1215在第一光谱范围上是反射的而在第二光谱范围上是透射的，使得能够同时进行多色成像。在某些实施方式中，第一图像平面1216位于光轴之下并平行于光轴，以及第二图像平面1216'位于光轴之下并垂直于光轴。第二图像平面1216'定位成比靠近其相应光轴的第二图像平面1116'更靠近光轴。光学系统1200设计成利用较小的像素传感器用于图像平面。光学系统1200的一个优点是可利用最新的传感器，包括商用传感器或MIL-STD传感器。
参照图13，图中示出了具有多个图像平面和折叠镜1315的全反射光学系统1300的另一实施方式。光学系统1300可具有与光学系统1000相同或相似的特征和/或功能。光学系统1300包括主镜1304、二级镜1305、三级镜1313、四级镜1314、折叠镜1315和第一图像平面1316，主镜1304、二级镜1305、三级镜1313、四级镜1314、折叠镜1315和第一图像平面1316可分别具有与光学系统1000的主镜1004、二级镜1005、三级镜1013、四级镜1014、折叠镜1015和第一图像平面1016相同或相似的特征和/或功能，以及光学系统1000的主镜1004、二级镜1005、三级镜1013、四级镜1014、折叠镜1015和第一图像平面1016可分别具有与主镜1304、二级镜1305、三级镜1313、四级镜1314、折叠镜1315和第一图像平面1316相同或相似的特征和/或功能。然而，在光学系统1300中，第一图像平面1316定位成距光轴的距离比第一图像平面1016距其相应光轴的距离短。光学系统1300具有类似于第一图像平面1316的第二图像平面1316'。第一图像平面1316可专用于第一光谱范围，以及第二图像平面1316'可专用于第二光谱范围。
四级镜1314位于主镜1304的后面一段距离处，该距离大于光学系统1000的各个相应部件中的距离。三级镜1313位于主镜1304后面的距离大于光学系统1000的相应部件中的距离。折叠镜1315接收来自四级镜1314的光线，并将光线反射到位于折叠镜1315上方的第一图像平面1316。光学系统1300通过使折叠镜1315在第一光谱范围上是反射的而在第二光谱范围上是透射的来实现同时多色成像。在某些实施方式中，第一图像平面1316位于光轴之上并平行于光轴，而第二图像平面1316'位于光轴之下并垂直于光轴。第二图像平面1316'定位成比靠近其相应的光轴的第二图像平面1016'更靠近光轴。光学系统1300的优点在于，可以以比其它光学系统配置更容易的方式安装用于传感器的具有辐射器的冷却器。
参照图14A，图中示出了具有光学系统的相机系统1400的立体剖视图。箱子1410示出了相机的封闭，并且可为与卫星BUS的机械接口。显示为锥形结构的计量结构1418保持主镜1404和二级镜1405之间的距离。当温度变化1℃时，计量结构1418可将此距离维持在1微米内。在图14D中最佳示出为圆柱形管的支承结构1408支承主镜1404。在某些实施方式中，圆柱形结构1408的半径可由从在主镜1404和二级镜1405之间延伸的光轴部分开始的半径来限定。圆柱形结构1408的弯曲侧壁的内表面可为距上述图像平面316的光轴的特定距离的限制。
在某些实施方式中，相机的尺寸为200mm×200mm×250mm。根据光学系统的焦距，该尺寸可从为500km处的5m分辨率设计的75mm×75mm×100mm变化到为500km处的0.25m分辨率设计的750mm×750mm×1000mm的尺寸。相机系统的总体积包络可小于0.01m3、小于0.008m3、小于0.006m3、小于0.004m3、小于0.003m3、小于0.001m3、或从0.005m3至0.01m3。
形状因子被定义为二级镜和三级镜之间的距离与光学系统的焦距的比率。二级镜和三级镜之间的距离可沿着光路测量。在某些实施方式中，光学系统可以以具有上述值的形状因子来实现，例如小于0.2、小于0.15或小于0.1。对于现有技术，已知形状因子大于0.25。利用本文描述的光学系统的相对较小的形状因数，光学系统可在500km高度处提供比1m、0.5m或0.25m更好的成像分辨率。该光学系统还能够在椭圆轨道中实现成像分辨率优于0.1m。在其它实施方式中，形状因子可在0.04和0.09之间的范围内。表2中提供了系统的焦距、每个焦距的二级镜和三级镜之间的距离以及相应的形状因子的例子。
Figure BDA0003585929470000261
表2
参照图14B，图中示出了用于相机的光学系统1430的实施方式。当温度变化一摄氏度时，显示为锥形结构的计量结构1448将主镜1434和二级镜1435之间的距离保持在±1微米内。
为了对计量结构进行热控制，可在计量结构上安装温度传感器和加热器(线或贴片类型)。有效载荷控制电子装置从温度传感器读取数据，并控制加热器，以将计量结构1448保持在指定范围内，使得相机系统的焦点在聚集传感器上。
环形结构1440是用于主镜1434的支承结构，并且运动地支承主镜，以便最小化在组装期间可能引起的结构变形。另外，环形结构1440可为与卫星BUS的接口，这可消除对箱型外壳的需求，诸如图14A所示的外壳1410。
参照图14C，图中示出了用于相机的光学系统1460的部分剖视立体图。显示为锥形的计量结构1478保持主镜1464和二级镜1465之间的距离，在一些实施方式中，当计量结构1478的温度变化一摄氏度时，主镜1464和二级镜1465之间的距离可保持在±1微米内。用于主镜1464的示出为环形结构的支承结构1470支承主镜运动安装结构1472，以便最小化在组装期间可能引起的结构变形。另外，支承结构1470可为与卫星总线的接口。在某些实施方式中，支承结构1470的半径可由距主镜1464的光轴的物理半径限定。环形结构1470的内表面可为与上述图像平面316的光轴的特定距离的限制。主镜1464的直径大约是光学系统焦距的7％，该直径确定相机系统的宽度和高度。相机系统的长度由二级镜1465和三级镜1465之间的距离确定，二级镜1465和三级镜1465之间的距离大约是光学系统焦距的4％至9％。
图14D是光学系统1480的部分立体剖视图，图中示出了半径1486等于主镜1404的半径的圆柱形外壳1408。成像平面可位于距光轴不再是半径1486的径向距离处。因而，为了节省空间，外壳1408也可具有与主镜相同或几乎相同的半径。光轴在主镜和二级镜的顶点之间延伸。
性能
分析光学系统100和光学系统150的性能，以评估其设计调制传递函数(MTF)、容差MTF及其失真。即使MTF和失真是评估系统的光学性能的方法，它们也表示所得到的图像的质量如何。全色波段的MTF比其他大相机系统低，由于其较小的孔尺寸，不能避免这种情况。尽管MTF值较低，但是可通过地面后期处理来增强图像质量，并且还可通过具有较小的抗混叠效果而受益。
参考图15A和图15B，这些曲线图分别给出了光学系统100的全色波段的光学设计MTF和容差MTF。估计MTF值的奈奎斯特频率对于全色波段是100mm/周期，对于多光谱波段是25mm/周期。为了容差，在考虑装配和对准逻辑的情况下，研究了每个部件的灵敏度。
参考图16A和图16B，这些曲线图分别给出了光学系统100的近红外(NIR)波段的光学设计MTF和容差MTF。参考图17A和图17B，这些曲线图分别给出了光学系统100的蓝波段的光学设计MTF和容差MTF。
在表3中总结了光学系统100的估计MTF值。对于全色波段，设计MTF高于11％，以及容差值略高于10％。对于多光谱波段，设计值大于57％，容差值大于51％。通过容差，MTF降在多光谱波段中较高，因为这些多光谱波段远离光轴，并且多光谱波段较低的采样频率被反射。
频谱波段 设计MTF(％) 容限MTF(％)
PAN(450～720nm) ≥11 ≥10
NIR(770～890nm) ≥57 ≥51
红(630～690nm) ≥63 ≥55
绿(520～590nm) ≥68 ≥57
蓝(450～520nm) ≥72 ≥59
表3
参考图18A和图18B，图中分别给出了光学系统150的全色波段的光学设计MTF和容差MTF的分析结果。以与光学系统100类似的方式，全色波段的奈奎斯特频率为100mm/周期，多光谱波段的奈奎斯特频率为25mm/周期。在考虑装配和对准逻辑的情况下，研究每个部件的灵敏度，并将其馈送到分析中。
参考图19A和图19B，图中分别给出了光学系统150的NIR带的光学设计MTF和容差MTF。参考图20A和图20B，图中分别给出了光学系统150的蓝波段的光学设计MTF和容差MTF。
在表4中总结了光学系统150的估计MTF值。全色波段的设计MTF大于15％，容差值大于14％。对于多光谱波段，结果与光学系统100不同。由于宽视场(FOV)及其在FOV中的位置，MTF降是奇怪的，并且比光学系统100更加粗糙。最低的多光谱MTF值在外场处、以及出人意料地在位于更靠近光轴的近红外波段处恰好高于40％。容差值被管理为高于35％。
频谱波段 设计MTF 容差MTF
PAN(450～720nm) ≥15 ≥14
NIR(770～890nm) ≥40 ≥35
红(630～690nm) ≥46 ≥41
绿(520～590nm) ≥49 ≥44
蓝(450～520nm) ≥53 ≥46
表4
参照图21A和图21B，图中分别示出了光学系统100和光学系统150的失真性能。由于光学系统150的较大视场，光学系统150的失真幅度为0.08微米，高于光学系统100的失真幅度，光学系统150的失真幅度在边缘处为0.02微米。但是应当注意的是，两个相机系统的失真幅度仍然均远远低于1/50像素，这导致用于TDI成像的足够的余量，并且表明图像质量下降的可能性小得多。
尽管具有小形状因数，但是光学系统100在星座操作中具有比其它相机系统更好的性能，如表5所示。光学系统100设计成具有0.9米的地面采样距离以及在500千米高度处10.8千米的条带宽度，这可与SKYSAT的那些性能相当或更好。还应该强调的是，光学系统100可在飞行中同时操作全色波段和近红外波段，全色波段和近红外波段优化为与其它遥感任务兼容，并且缺少表5中标识的其它相机。
Figure BDA0003585929470000291
表5
光学系统150相对于DOVE相机的优点是更好的分辨率、不同的光谱波段和在轴向方向上更短，如表6所示。在500公里的高度，光学系统150具有1.85米的地面采样距离，这是DOVE或PLANETSCOPE的半分辨率。光学系统150可配备有定制的光谱波段，这些光谱波段对于提取有意义的光谱信息是必需的。
参数 光学系统150 DOVE或PS2<sup>[2]</sup>
轨道高度(km) 500 475
地面样品距离(m) ≤1.85 ≤3.7
频谱波段 PAN、RGB、NIR 彩色
条带宽度(nadir、km) ≤14.8 ≤24.6
清除孔(mm) ≤95 ≤90
长度(mm) ≤200 -
表6
优势
该光学系统基于4镜全反射光学设计，并且没有色差和失真。没有色差有助于光学系统超出可见光谱范围，因此该光学系统可支持红外和UV光谱范围内的成像。无失真有助于光学系统支持在轨道中的TDI成像和在后处理中的精确度量。
一些现有技术，尤其是较便宜的解决方案，仍然很大程度上依赖于折反射设计中的透镜和镜的组合，从而限制了其应用，或者其光学设计需要从开始进行修改以适应不同的光谱范围。另外，反射折射设计不容易包括TDI成像，特别是对于更宽的视场成像，因为固有的或残余的像差。
与现有系统的更大、更笨重的系统相比，形状因子更小。与现有技术相比，本文描述的光学系统具有小得多的形状因子。该光学系统非常小，使得可安装在具有小形状因子飞行物体上，包括CUBESAT、小型卫星、飞机、UAV、无人机或气球。该光学系统还可为作为第二或第三有效载荷的机载飞行对象，这有助于提供各种任务或为任务提供更多机会。该光学系统小而轻，从而与现有技术相比，有助于降低发射成本并增加发射的机会。当进行星座操作时，其益处是明显的，其中发射成本是一个驱动因素。可以以较低的成本开发光学系统，使得其比现有技术更容易负担。在开发光学系统时，由于孔尺寸较小，可使用较小的测试设备和设施。另外，该光学系统重量轻，并且可以以较低的物流成本运输。
与现有技术相比，该光学系统的显影过程可更有效地自动化。开发相当大的现有技术总是需要劳动力资源，从而导致预算增加。对于孔尺寸较小且重量轻的光学系统，即使使用可负担得起的设备，迭代或重复的过程或程序也可为自动化的。该过程可包括光学对准、光学测量(诸如波前误差、调制传递函数、焦距、视场、瞬时视场、失真、信噪比)以及在各种条件下的那些过程。除了经济效益之外，由于镜之间的物理距离较短，因而该光学系统可维持操作的稳定性。
光学系统基于4镜光学设计，并提供由光学设计的自由度支持的设计灵活性。在光学设计的最小修改的情况下，可适于加星号(starring)、扫描或推扫、视频、立体声、BRDF(双向反射分布函数)、HDR(高动态范围)、偏振和弱光模式下提供成像。基于4镜光学设计的光学系统可以以最小的设计修改支持全色、多光谱、高光谱、红外和UV成像，主要是由于不同的像素尺寸。该光学系统具有光学设计的自由度，能够支持超分辨率、高动态范围、偏振度和其他遥感或科学成像。
该光学系统可支持行星或深空任务，这要求用于有效载荷选择的小形状因数。由于能力和发射机会，该光学系统而可包括各种任务，这可包括基于AI的成像。该光学系统可用于精密星传感器和恒星传感器。
基于4镜光学设计的光学系统可支持同时多色成像。例如，它可包括但不限于全色+RGB+近红外成像、可见+红外(近红外、短波红外、中波红外或长波红外)成像、可见+可见成像、红外+红外成像、UV+可见或UV+红外成像。
具有较小形状因数的光学系统可装载在非成像任务的卫星上，例如通信卫星(例如，SpaceX的Starlink)。该光学系统也可安装在其它成像卫星、如SAR任务的准成像卫星或科学任务卫星上。这种功能潜在地导致光学系统的同步或异步星座操作，这提高了成像的时间分辨率或增加了成像机会。现有技术的星座操作往往要求昂贵的卫星和相机系统的大量固定成本、专用控制站的24/7操作以及非自动图像接收中心。该光学系统能够进行同步或异步星座操作，使得可分配用于控制和数据接收的资源，从而显著降低固定成本。
虽然已经说明和描述了当前被认为是示例性实施方式的内容，但是本领域的技术人员将理解的是，在不脱离所要求保护的主题的情况下，可进行各种其他修改，并且可替换等同物。另外，在不脱离本文所述的中心概念的情况下，可进行许多修改，以使特定情况适应所要求保护的主题的教导。因此，所要求保护的主题不限于所公开的特定实施方式，而是这种所要求保护的主题也可包括落入所附权利要求及其等同物的范围内的所有实施方式。
可设想的是，可进行上述实施方式的具体特征和方面的各种组合或子组合，并且这些组合或子组合仍然落入本发明的一个或多个范围内。另外，本文中关于实施方式的任何特定特征、方面、方法、属性、特性、质量、特质、元素等的公开可用于本文中阐述的所有其它实施方式中。因此，应当理解的是，所公开的实施方式的各种特征和方面可彼此组合或替代，以便形成所公开的发明的变化模式。因此，本文所公开的本发明的范围不应由上述具体公开的实施方式所限制。另外，虽然本发明易于进行各种修改和替代，但是其具体示例已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解的是，本发明不限于所公开的特定形式或方法，而是相反，本发明覆盖落入所描述的各种实施方式和所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。本文公开的任何方法均不需要以所述的顺序执行。
本文公开的范围还包括任何和所有重叠、子范围及其组合。诸如“高达”、“至少”、“大于”、“小于”、“之间”等的语言包括所列举的数字。如本文所用的术语如“大约”、“约”、“直至约”和“基本上”之前的数字包括所述数字，并且还表示与所述量或特征接近的量或特征，其仍执行期望的功能或实现期望的结果。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可指在所述量或特征的小于10％、小于5％、小于1％、小于0.1％和小于0.01％内的量。在本文所公开的实施方式的特征在此之前具有诸如“大约”、“约”和“基本上”的术语，如在此所使用的，表示具有一些可变性的特征，该可变性仍然执行期望的功能或实现该特征的期望的结果。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可根据上下文和/或应用从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为了清楚起见，本文可清楚地阐述各种单数/复数排列。
本领域技术人员应理解的是，通常在本文中使用的术语通常旨在作为“开放式”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应被解释为“包括但不限于”等)。本领域的技术人员还应理解的是，如果打算列举特定数量的所介绍的实施方式，则在该实施方式中明确地列举这种意图，并且在没有这种列举的情况下，不存在这种意图。例如，为帮助理解，本公开可包括使用介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”来介绍实施方式叙述。然而，这种短语的使用不应解释为暗示由不定冠词“一个”或“一”所引述的实施方式将包括这种引述的实施方式引述的任何特定实施方式限制为仅包含一个这种引述的实施方式，即使当同一实施方式包括引言性短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词如“一个”或“一”(例如，“一个”或“一”常应被解释为意指“一个或多个”或“至少一个”)时也是如此；对于用于介绍实施方式叙述的定冠词的使用也是如此。另外，即使明确地叙述了所介绍的实施方式的特定数量的叙述，本领域的技术人员也应认识到的是，这种叙述通常应当解释为表示至少所叙述的数量(例如，没有其它修饰词的“两个叙述”的叙述通常表示至少两个叙述、或两个或更多个叙述)。另外，在其中约定类似于“A、B和C中的至少一个等”的那些情况下，通常使用这种构造是指本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B、C一起的系统等)。在其中约定类似于“A、B或C中的至少一个等”的那些情况下，通常使用这种构造是指本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B、C一起的系统等)。本领域的技术人员将进一步理解的是，无论在说明书、实施方式或附图中，实际上任何表示两个或多个替换术语的分离的单词和/或短语都应该被理解为考虑包括这些术语中的一个，这些术语中的任一个或这两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
尽管本文已根据某些实施方式和某些示例性方法描述了本主题，但是应当理解的是，本主题的范围不限于此。相反，申请人旨在对本文所公开的方法和材料进行变化，这些对于本领域技术人员来说是显而易见的，这些变化将落入所公开的主题的范围内。

Claims (20)

1.一种全反射光学系统，包括：
凹面主镜，具有中心孔和半径，所述主镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；
凸面二级镜，面向所述主镜，所述二级镜具有非球表面，其中，光轴从所述主镜的顶点延伸至所述二级镜的顶点；
凹面三级镜，布置在所述主镜的后面，所述三级镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；
凹面四级镜，布置在所述主镜的所述中心孔中或所述主镜的后面，所述四级镜具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；以及
至少一个图像平面，具有一个或多个聚集传感器，其中，所述图像平面定位成距所述光轴的径向距离不超过所述主镜的所述半径。
2.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：入射光瞳，位于所述主镜或所述二级镜附近；以及，位于以下位置之一的出射光瞳或Lyot光阑：1)所述四级镜附近，2)在所述三级镜与所述四级镜之间，以及3)在所述四级镜与所述图像平面之间。
3.根据权利要求1所述的光学系统，还包括一个或多个折叠镜，所述一个或多个折叠镜布置成将光线从所述四级镜偏转到所述图像平面，其中，所述一个或多个折叠镜配置成折叠光线路径。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，基于使用第一折叠镜，出射光瞳位于所述三级镜与所述四级镜之间，或位于所述四级镜与所述第一折叠镜之间。
5.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述折叠镜中的一个相对于所述光学系统的光轴倾斜特定角度。
6.根据权利要求3所述的光学系统，其中，位于所述图像平面的前面的所述折叠镜中的一个利用在相同光谱范围上的反射和透射部分来加宽视场，其中，每个部分均对应于所述一个或多个聚集传感器中的特定传感器。
7.根据权利要求3所述的光学系统，其中，位于所述图像平面的前面的所述折叠镜中的一个使得能够同时进行多色成像，其中，所述折叠镜中的所述一个在第一光谱范围上是反射的，并且在其它光谱范围上是透射的，以及在第二光谱范围上是反射的，并且在其它光谱范围上是透射的，其中，所述聚集传感器中的一个专用于所述第一光谱范围，以及所述聚集传感器中的不同的一个专用于所述第二光谱范围。
8.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述折叠镜使得能够同时进行多色成像，其中，所述折叠镜中的每个均在特定光谱范围上是反射的，并且在其它光谱范围上是透射的，以及其中，每个添加的折叠镜和所述聚集传感器中的相应一个与不同的光谱范围相关联。
9.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述光学系统适于支持同时多色成像，包括：1)全色和RGB以及近红外成像，2)可见和红外(近红外、短波红外、中波红外或长波红外)成像，3)可见和可见成像，4)红外和红外成像，5)UV和可见成像，或6)UV和红外成像。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，限定为所述二级镜与所述三级镜之间的距离与所述光学系统的有效焦距的比率的形状因子小于0.09。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述光学系统在500km的高度处具有优于1m的成像分辨率。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述主镜和所述二级镜的顶点形成光轴，以及所述主镜和所述二级镜关于所述光轴对称或具有周期性。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其中，周期性镜的对角线与所述图像平面的对角线具有零度或45度的角度。根据权利要求12所述的光学系统，其中，所述三级镜的光轴不与机械轴重合。
14.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述二级镜的半径在有效焦距的1％至3％的范围内，以及所述二级镜的半径在所述有效焦距的2％至3％的范围内。
15.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述四级镜的半径在有效焦距的6％至22％的范围内。
16.根据权利要求1所述的光学系统，其中，沿着所述光轴从所述三级镜到所述图像平面的距离在有效焦距的3％至9％的范围内，以及沿着所述光轴从所述二级镜到所述三级镜的距离在所述有效焦距的4％至9％的范围内。
17.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述主镜的直径在有效焦距的3％至8％的范围内。
18.根据权利要求1所述的光学系统，其中，离所述主镜的出射光瞳或Lyot光阑距离是有效焦距的±1％。
19.根据权利要求1所述的光学系统，其中，有效焦距在300mm至20000mm的范围内。
20.根据权利要求1所述的光学系统，还包括用于镜中的一个或多个的支承结构，其中，所述支承结构以增材方式制造。
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