JP2020506432A - 全反射型太陽コロナグラフセンサ及び熱制御サブシステム - Google Patents

Abstract

広い視野を連続的に撮像するための全反射型のコロナグラフ光学システムが開示される。当該光学系は、太陽を中心とする広視野についての光線を、該光線をイメージセンサへと反射する後部光学系アセンブリへと反射する複数のミラーを有する前部光学系アセンブリを有することができる。前部光学系アセンブリと後部光学系アセンブリとの間で、アパーチャを持つ折り返しミラーが光学的に支持される。このアパーチャは、太陽の視角よりも大きくされた視角を定めて、直接的な太陽像及び太陽熱負荷の通り抜けを支援する。熱制御サブシステムが、各前部光学系ミラー及び折り返しミラーに放射結合されるシュラウドを有する。各シュラウドにコールドラジエータが熱的に結合される。波面誤差を最小化する定常状態光学システムを提供するため、前部光学系ミラー及び折り返しミラーに隣接するヒータが温度を制御する。

Description

既知の望遠鏡光学システムは、システムのコンポーネント上への極端な太陽熱負荷に耐えることができないため、広い視界で長期間にわたって太陽視線に近い（例えば、太陽に近い）物体を検知することは問題のあることである。結果として、それらは、光学系ミスアライメント及び光学表面の歪みに起因する非常に著しい画質劣化を被り、それ故に、それらの意図する目的に適さないものになる。

既存のコロナグラフは、太陽熱負荷が強すぎて、コロナグラフのコンポーネントが、問題となる劣化なしで、効果的に物体を検知することができないので、典型的に一時的期間でのみ、狭い視野及び狭いスペクトル帯域で太陽近くの物体を検知することができるのみである。そのようなコロナグラフは典型的に、太陽の直接的な太陽像を遮る意義を持つシールド又はバッフルを実装している。従って、それらは太陽に非常に近い特定の物体を見ることができないという制約を受ける。

一緒になって発明の特徴を例として示す添付図面とともに以下の詳細な説明を検討することで、発明の特徴及び利点が明らかになる。
本開示の一例に従ったコロナグラフ光学システムの概略図を示している。 本開示の一例に従ったコロナグラフ光学システムの概略図を示している。 本開示の一例に従ったコロナグラフ光学システムの概略図を示している。 本開示の一例に従った熱制御システムの一部の等角図を示している。 図３Ａの断面図を示している。 本開示の一例に従った熱制御システムの一部の等角図を示している。 本開示の一例に従った折り返しミラー及び熱制御システムの一部の断面図を示している。 本開示の一例に従ったコロナグラフ光学システムのコンポーネントの平均ＲＭＳ ＷＦＥのグラフを示している。

以下、図示した例示的な実施形態を参照するとともに、ここでは特定の言葉を用いてそれを記述する。そうとはいえ、理解されることには、それによる発明の範囲の限定は意図していない。

ここで使用されるとき、用語“実質的に”は、完全又は略完全な範囲又は程度の動作、特性、性質、状態、構造、品目又は結果を表す。例えば、“実質的に”包囲されている物体は、その物体が完全に包囲されているか、あるいは略完全に包囲されているかの何れかを意味する。絶対的な完全性からの逸脱の正確な許容可能な程度は、一部の場合において、具体的な文脈に依存し得る。しかしながら、一般的に言えば、完全に近いことは、あたかも絶対的且つ総合的な完全さが得られるかのように全体として同じ結果を有するようなものである。“実質的に”の用法は、動作、特性、性質、状態、構造、品目又は結果の完全又は略完全な欠如を表す否定的な含意で使用されるときにも等しく当てはまる。

ここで使用されるとき、“隣接”は、２つの構造又は要素の近接を表す。特に、“隣接”しているとして特定される要素は、接しているか接続されているかの何れかであり得る。そのような要素はまた、必ずしも互いに接触するわけではなく、互いに近いか接近するかであってもよい。近接性の正確な程度は、一部の場合において、具体的な文脈に依存し得る。

ここで使用されるとき、“広視野”は、少なくとも２度から３度（及び一部のケースでは恐らく少なくとも５度）である視野を指す。他のケースでは、広視野は少なくとも１０度であることができ、また、２０度から３０度を超えることもある。

以下では、最初に技術的実施形態の概説を提供し、その後に具体的な技術的実施形態を更に詳細に説明する。この最初の概要は、より迅速に技術を理解する上で読者を助けることを意図したものである。

一例において、広視野を連続的に撮像するためのコロナグラフ光学システムが開示される。当該光学システムは、太陽に向けて位置決め可能な入射開口を持つ前部光学系アセンブリを有し得る。前部光学系アセンブリは、太陽を中心とする広視野についての光線を反射する複数のミラーを有し得る。光線を少なくとも１つのセンサ（例えば、イメージセンサ）へと反射するように後部光学系アセンブリが構成され得る。光線を後部光学系アセンブリへと反射するように、前部光学系アセンブリと後部光学系アセンブリとの間で折り返しミラーが光学的に支持され得る。折り返しミラーは、太陽の視角よりも大きくされた視角を定めるアパーチャを有し得る。折り返しミラーは、前部光学系アセンブリの入射開口が太陽に向けて連続的に位置決めされる間、前部光学系アセンブリによって反射された太陽の直接的な太陽像がアパーチャを通り抜けるように（例えば、前部光学系の像の位置に）位置決め可能である。

一例において、当該光学システムは、前部光学系アセンブリ及び折り返しミラーに結合された熱制御サブシステムを有し得る。熱制御サブシステムは、入射開口が太陽に向けて連続的に位置決めされることができるように熱を伝え去り得る。

一例において、熱制御サブシステムは複数の熱伝達シュラウドを有することができ、各熱伝達シュラウドが、熱を伝達するために、折り返しミラー及び複数のミラーのうちの１つに放射結合され得る。

一例において、前部光学系アセンブリは更に、複数のミラーと折り返しミラーとを収容する光学ベンチを有し、熱制御サブシステムは、各々が光学ベンチ及び複数の熱伝達シュラウドのうちの１つに熱的に結合される複数の熱伝達部材を有し得る。該複数の熱伝達部材は、少なくとも１つのコールドバイアスヒートパイプに熱的に結合され得る。

一例において、熱制御サブシステムは、光学ベンチ及び上記少なくとも１つのコールドバイアスヒートパイプに熱的に結合される一次熱伝達部材を有する
一例において、熱制御サブシステムは、前部光学系アセンブリの温度を制御するために折り返しミラー及び上記複数のミラーの各々に熱的に結合される複数のヒータを有する。

一例において、上記複数のミラー、折り返しミラー、及び光学ベンチは各々、炭化ケイ素、低膨張ガラス、及び低膨張複合材料のうちの少なくとも１つを有する低熱膨張材料からなる。

一例において、各熱伝達シュラウドが、折り返しミラー及び上記複数のミラーの各々の表面領域の大部分に対して放射結合される。

一例において、上記広視野は、５度と約３０度との間である。

一例において、後部光学系アセンブリは複数の反射ミラーを有し、前部光学系アセンブリ及び後部光学系アセンブリが全反射型の光路を支援する。

一例において、当該光学システムは、上記センサが所定の期間にわたって太陽の視線に連続的に向けられる定常状態位置を有する。

一例において、上記所定の期間は、少なくとも１０時間を有する。

一例において、上記センサは、長波赤外焦点面アレイ及び可視焦点面アレイのうちの少なくとも一方を有する。

一例において、当該光学システムは、２つのスペクトル帯域で物体を撮像するために、光線を、長波赤外焦点面アレイへと、可視焦点面アレイへと、に分割するように動作するダイクロイックビームスプリッタを有する。

一例において、コロナグラフ光学システムを用いて太陽を中心とする広視野を連続的に撮像するための方法が提供される。当該方法は、コロナグラフ光学システムの前部光学系アセンブリの入射開口を太陽に向けて位置決めすることを有し得る。前部光学系アセンブリは、太陽を中心とする広視野についての光線を反射する複数のミラーを有し得る。当該方法は、コロナグラフ光学システム上への太陽負荷を除去するよう、折り返しミラーのアパーチャをほぼ太陽の直接的な太陽像に向けて位置決めすることを有し得る。折り返しミラーが、前部光学系アセンブリからの光線を後部光学系アセンブリへと反射し得る。当該方法は、入射開口が太陽に向けて連続的に位置決めされることができるように、熱制御サブシステムにより上記複数のミラー及び折り返しミラーの温度を制御することを有し得る。

当該方法は、光線を少なくとも１つのセンサへと反射するように後部光学系アセンブリを位置決めすることを有し得る。

当該方法は、光線が折り返しミラーによって後部光学系アセンブリへと反射される前に、コロナグラフ光学システムから太陽負荷の全て又は大部分を除去することを有し得る。

当該方法は、放熱器に熱的に結合された少なくとも１つのコールドバイアスヒートパイプを介して折り返しミラー及び上記複数のミラーの各々から熱を伝え去ることを有し得る。

当該方法は、光線を、長波赤外焦点面アレイへと、可視焦点面アレイへと、に分割することによって、２つのスペクトル帯域で同時に物体を撮像することを有し得る。

図１Ａは、広視野Ｗを連続的に撮像するためのコロナグラフ光学システム１０の一例を示している。光学システム１０は、太陽Ｓ（太陽の直接的な像が、図１Ａの左側に広視野Ｗのほぼ中心の破線で表されている）に向けて位置決め可能な入射開口１４を持つ前部光学系（フォアオプティクス）アセンブリ１２を有し得る。前部光学系アセンブリ１２は、太陽Ｓを中心とする広視野Ｗについての光線１６を反射する複数のミラー（例えば、図１Ｂ及び図２参照）を有し得る。光線１６を少なくとも１つのセンサ２０（例えば、イメージセンサ）へと反射するように後部光学系（アフトオプティクス）アセンブリ１８が構成され得る。光線１６を後部光学系アセンブリ１８（これは、複数のミラーを有し得る；例えば図１Ｂ参照）へと反射するように、前部光学系アセンブリ１２と後部光学系アセンブリ１８との間で折り返しミラー２２が光学的に支持され得る。折り返しミラー２２は、太陽Ｓの視角よりも大きくされた視角を定めるアパーチャ２４を有し得る（例えば、以下の図１Ｂ−図３Ｃに関する説明を参照）。折り返しミラー２２は、前部光学系アセンブリ１２の入射開口１４が太陽Ｓに向けて連続的に開かれて位置決めされる間、前部光学系アセンブリ１２によって反射された太陽Ｓの直接的な太陽像２６がアパーチャ２４を通り抜けるように、前部光学系像の位置に位置決め可能である。他の例にて更に説明するように、コロナグラフ光学システム１０の温度を制御するために熱制御システム（図示せず）を組み込むことができ、それにより、広視野を少なくとも１つのセンサ（又は他の検出器）へと反射するために入射開口を連続的に開いて太陽に向けて位置決めすることが容易になる。

図１Ａのコロナグラフ光学システム１０（及び後述するコロナグラフ光学システムの例）は、全反射型（オールリフレクティブ）望遠鏡コロナグラフとすることができ、これは、それが任意の波長帯域を結像することができることを意味する。また、ここで説明されるコロナグラフ光学システムは、広視野（例えば、５度と少なくとも３０度との間、又はそれ以上）を連続的に撮像しながら、これを実行することができる。これは既知のシステムに対する大きな改善及び利点である。既知のコロナグラフは、典型的に一時的期間（例えば、数秒又は数分）でのみ、約１−２度の狭い視野及び狭いスペクトル帯域を撮像することができるにすぎない。

ここで更に説明するように、（太陽を中心とする広視野を）“連続的”に見ることは、開示されるシステムが、システムコンポーネントの有意な劣化を被ることなく、定常状態で何時間も、何週間も、又は更には無期限に、太陽近くの物体を撮像できることを意味し得る。この利点は、ここで説明されるコロナグラフ光学システム例によって達成及び提供される。

図１Ｂは、例えば図１Ａに関して大まかに説明したコロナグラフ光学システム１０などの、コロナグラフ光学システム３０の一例を概略的に示している。コロナグラフ光学システム３０は、太陽Ｓ（例えば、図１Ａ参照）に向けて位置決め可能な入射開口３４を持つ前部光学系アセンブリ３２を有し得る。前部光学系アセンブリ３２は、太陽Ｓを中心とする広視野Ｗについての光線３６を反射する複数のミラー（例えば、図２）を有し得る。例えば、前部光学系アセンブリ３２は、第１ミラー３７ａ、第２ミラー３７ｂ、第３ミラー３７ｃ、及び第４ミラー３７ｄを有し得る。これらのミラーは、前部光学系アセンブリ３２と、後部光学系アセンブリ３８（これが、光線３６を少なくとも１つのセンサ４０へと反射する）へと光線３６を反射するコロナグラフ光学システム３０の結像アスペクトとを構成することができる。一例において、前部光学系ミラー３７ａ−３７ｄは、ＷＡＬＲＵＳ折り畳み型前部光学系とすることができる。ＷＡＬＲＵＳ折り畳み型前部光学系の一例が、Ｌａｃｙ Ｇ．Ｃｏｏｋへの“Ｆａｓｔ Ｆｏｌｄｅｄ Ｗｉｄｅ Ａｎｇｌｅ Ｌａｒｇｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｕｎｏｂｓｃｕｒｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ”というタイトルの米国特許第５３３１４７０号に詳細に記載されており、その内容全体をここに援用する。一例において、後部光学系アセンブリ３８は、Ｌａｃｙ Ｇ．Ｃｏｏｋへの米国特許第５０７８５０２号に記載されているような５回反射有限共役リレーシステムを有することができ（すなわち、全反射型の再結像・回転解除光学システムを含むことができ）、その全体をここに援用する。

折り返しミラー４２が、前部光学系によって形成される像の位置で、前部光学系アセンブリ３２と後部光学系アセンブリ３８との間で光学的に支持され（例えば、位置付けられ）、光線３６を後部光学系アセンブリ３８へと、そしてセンサ４０へと反射し得る。折り返しミラー４２は、太陽Ｓの視角よりも大きいサイズにされた視角を定めるアパーチャ（図１Ｂには示していないが、図１Ａの折り返しミラー２２のアパーチャと同様である）を有することができる（例えば、以下の図２−図３Ｄに関する説明を参照）。折り返しミラー４２は、前部光学系アセンブリ３２の入射開口３４が太陽Ｓに向けて連続的に位置決めされる間、前部光学系アセンブリ３２によって反射された太陽Ｓの直接的な太陽像４６が折り返しミラーアパーチャを通り抜けるように位置決め可能である。

コロナグラフ光学システム３０が（様々なミラー及びセンサ４０の許容できない劣化なしに）広視野をセンサ４０へと連続的に反射することができるよう、コロナグラフ光学システム３０の温度を制御するために、コロナグラフ光学システム３０に熱制御システムを組み込むことができる。この熱制御システムは図１Ｂに部分的に示されている。例えば、前部光学系アセンブリ３２のミラー（３７ａ−３７ｄ）の各々及び折り返しミラー４２は、それぞれ、協働してミラー３７ａ−３７ｄ及び折り返しミラー４２から放射手段によって熱を除去又は取り出すように動作する熱伝達シュラウド４８ａ−４８ｅを有することができる。更に後述するように、各シュラウド４８ａ−４８ｅは、それぞれのミラー３７ａ−３７ｄ及び折り返しミラー４２に放射結合されることができる。各シュラウド４８ａ−４８ｅはまた、（以下の例で更に後述するように、）コロナグラフ光学システム３０が広視野Ｗをセンサ４０へと連続的に反射することができるよう、各ミラーから熱を伝え去るために、少なくとも１つのコールドラジエータ（放熱器）（図示せず）に熱的（例えば、直接的／物理的）に結合されることができる。

コロナグラフ光学システム３０のセンサ４０は、例えば長波赤外焦点面アレイや可視焦点面アレイなどの異なる種類のセンサを有することができる。可視焦点面アレイは、シリコンのピン（ｐｉｎ）型のものとすることができ、長波赤外焦点面アレイはシリコンマイクロボロメータ型のものとすることができる。

一例において、システム３０は、後部光学系アセンブリ３８から反射された光線３６の経路内に位置付けることが可能なビームスプリッタ５０を介して光線３６を受けるように構成された補助センサ４１（例えば、イメージセンサ）を有し得る。例えば、ビームスプリッタ５０は、好適な基板材料と、前面の好適な多層誘電体ビームスプリッタコーティングと、裏面の好適な多層誘電体反射防止コーティングとを有する従来型のものとすることができる。補助センサ４１は、上述したセンサ４０と実質的に同様のセンサタイプを有することができる。双方のセンサ４０及び４１が、後部光学系アセンブリ３８から反射された光線３６を同時に受けることができる。

図２は、図１Ａ及び図１Ｂを参照して上述したコロナグラフ光学システム１０及び３０と同様のものであるコロナグラフ光学システム５０の一例を概略的に示している。コロナグラフ光学システム５０は、太陽Ｓ（太陽Ｓの熱負荷及び直接的な像６６が、開口５４を通る広視野Ｗのほぼ中心の破線で表されている）に向けて位置決め可能な入射開口５４を持つ前部光学系アセンブリ５２を有し得る。

前部光学系アセンブリ５２は、太陽Ｓを中心とする広視野Ｗについての光線５６（図示の明瞭さのため１つ又は２つの光線のみを図示している）を反射する複数のミラー５７ａ−５７ｄを有し得る。前部光学系アセンブリ５２は、第１ミラー５７ａ、第２ミラー５７ｂ、第３ミラー５７ｃ、第４ミラー５７ｄ、及び折り返しミラー５７ｅを含めて前部光学系アセンブリ５２を収容及び支持する光学ベンチ５５の中に位置付けられることができる。これらの前部光学系ミラー５７ａ−５７ｄは、上述のように、ＷＡＬＲＵＳ折り畳み型前部光学系ミラーとすることができる。ミラー５７ａ−５７ｄは、光線を後部光学系アセンブリ５８へと反射するコロナグラフ光学システム５０の前部光学系結像アスペクトを有し得る。一例において、後部光学系アセンブリ５８は、光線５６をセンサ６０（又は、他の一例では、図１Ｂで説明したように、同時に２つのセンサ）へと反射する複数のミラー５９を有し得る。一例において、複数のミラー５９は光学ベンチ５５に収容され、光学ベンチ５５内で支持される。後部光学系アセンブリ５８は、上述のように、５回反射有限共役リレーシステムを有し得る。

一例において、コロナグラフ光学システム５０は、コロナグラフ光学システム５０のコンポーネント（すなわち、前部及び後部光学系アセンブリ、結像コンポーネント、センサ、電子デバイス、熱制御システムコンポーネント、光学ベンチなど）を支持するシステム光学ベンチ６３を有する。システム光学ベンチ６３は、太陽Ｓの方に向けられたときに広視野Ｗの通り抜けを可能にするサイズにされることが可能な実際の開口６５を有し得る。

一例において、強固な背部材６７（すなわち、機械的な構造）をシステム光学ベンチ６３に固定することができ、それが光学ベンチ５５を構造的に支持する。斯くして、断熱性の運動学的フレクシャ６９が光学ベンチ５５を強固な背部材６７に固定し得る。強固な背部材６７は、光学ベンチ５５の周囲を包み込みことができ、また、断熱性の運動学的フレクシャ６９によって構造的に結合されることができる。

コロナグラフ光学システム５０が、システムのいずれかの又は全てのミラーの劣化を被ることなく広視野Ｗをセンサ６０へと連続的に反射することができるよう、コロナグラフ光学システム５０の温度を制御するために、コロナグラフ光学システム５０に熱制御システム（又はサブシステム）を組み込むことができる。例えば、前部光学系ミラー５７ａ−５７ｄの各々及び折り返しミラー５７ｅが、それぞれのミラー５７ａ−５７ｅに放射結合される熱伝達シュラウド６８ａ−６８ｅを有し得る（例えば、図３Ａ及び３Ｂ）。各シュラウド６８ａ−６８ｅは、シュラウドとそれぞれのミラーとの間の熱結合を強化するために黒色に塗装されたアルミニウム（例えば、６０６１Ｔ１）、又は熱の迅速な伝達に好適な任意の材料からなり得る。これらの図のいずれかに示されるいずれの例に関してここで説明されるシュラウド６８ａ−ｅの各々も、同様に形成及び構成されることができる。

各シュラウド６８ａ−６８ｅはまた、図２に例示するように、各シュラウド６８ａ−６８ｅからコールドバイアスヒートパイプ７３ａ又は７３ｂへと伝導的に熱を伝え去る例えばフレキシブル金属ストラップなどの熱伝達部材７１ａ−７１ｅを有することができる。更に後述するように、コールドバイアスヒートパイプ７３ａ及び７３ｂはどちらも、ミラー５７ａ−５７ｅ（及び光学ベンチ５５）からの熱を引き抜くコールドラジエータ７５に結合されることができる。コールドラジエータ７５は、輸送ヒートパイプ７３ａ及び７３ｂ、フレキシブル熱伝達部材７１ａ−７１ｅ、並びにシュラウド６８ａ−６８ｅに、太陽及び周囲環境から吸収されたエネルギーを放出／除去するためのコールドシンクを提供することができ、それにより、例えば、気体又は流体が、コールドラジエータで冷却され、次いで、ループにてヒートパイプ７３ａ及び７３ｂ中を通らされて熱を取り除く。

図３Ａ及び図３Ｂに示す一例において、ミラー５７（ミラー５７ａ−５７ｅのうちのいずれか）は、ミラー５７の背面７６及び側面７８（４つ全ての側面）の周りに置かれたシュラウド６８によって空間的に取り囲まれ得る。図３Ｂは、ミラー５７及びシュラウド６８の断面図を示している。図示のように、ミラー５７は傾向として、ミラー５７の反射面７９を露出されたままにしながら、シュラウド６８（図３Ｂ）に対して“浮遊”する。一例において、ミラー５７は、反射ミラーを光学ベンチ又は他の構造体に取り付ける典型的な手法にて（例えば、ベンチ５５とミラー５７ａ−５７ｅとの間に運動学的チタンフレクシャマウントを用いて）、光学ベンチにフレクシャマウントされ得る。シュラウド６８は、ミラー５７に隣接する光学ベンチに同様に（又は異なるように）機械的に取り付けられ得るが、シュラウドをベンチから熱的に分離するような手法で取り付けられる。これは、熱絶縁とコンプライアンスとの双方を提供するよう、チタン（又は類似の）断熱体の使用によって達成され得る。斯くして、支配的な熱経路は、光学ベンチへではなく、伝導性の熱伝達部材へ、次いでコールドバイアスヒートパイプへ、そして最終的にコールドラジエータへである。

一例において、熱伝達部材７１がシュラウド６８をコールドバイアスヒートパイプ７３に熱的に結合することができる（例えば、図２のヒートパイプ７３ａ又は７３ｂも参照）。一態様において、シュラウド６８の底面にマウント部材８０（例えば、金属バルクヘッド）が取り付けられ得る。熱伝達部材７１の一端がマウント部材８０に結合され、熱伝達部材７１の他端がパイプマウント８１に（又は光学ベンチに取り付けられた金属マウントに）結合され得る。マウント部材８０及びパイプマウント８１はどちらも、例えば銅、アルミニウム、及び他の数多くの伝導材料などの、熱を熱伝導する材料（例えば、金属）からなり得る。パイプマウント８１は、留め具によって共に締め付けられてパイプ７３の周りに固定される２つの部品とし得るが、他の物理的、熱的結合も可能である。一例において、熱伝達部材７１は、例えば多くの金属及び金属合金などの熱を容易に伝える材料からなるフレキシブルヒートストラップを有し得る。フレキシブルヒートストラップの形態の熱伝達部材は、シュラウド６８と熱伝達パイプ７３との間における（コンプライアンス）可撓性を提供し、シュラウド６８は、シュラウド６８、熱伝達部材７１、及びヒートパイプ７３の間の異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）に対処すべく熱伝達パイプ７３に対して動く（例えば、膨張する）ことができる。

図３Ｂに示すように、一例において、ミラー５７上に生成された太陽熱負荷によってミラー５７に与えられた熱をミラー５７から引き抜くために、ミラー５７の上側の表面領域７９の全体が熱を（ミラー中で下方に）伝導し、次いでシュラウド６８に連続的に放射する。ミラー５７とシュラウド６８との間でのこの“放射”結合は、例えば非金属ミラー（例えば、炭化ケイ素、低膨張ガラス）を使用するときに特に重要である。何故なら、そのような非金属ミラーに熱伝導体（例えば、金属熱伝達部材７１）を直に結合することは、ＣＴＥにおける大きな差のために望ましくないからである。すなわち、ミラー５７（例えば、炭化ケイ素、低膨張ガラスからなるもの）が非常に低いＣＴＥを有し得るとともに、熱伝達部材７１（例えば、アルミニウム、鋼からなるもの）が遥かに高いＣＴＥを有し得ることとなるので、そのようなミラーには、不所望の熱を引き抜く目的で（例えばミラーへの締め付け応力を最小化又は回避するなどの他の理由を含め）コンポーネント（例えば、シュラウド６８）を放射結合することが有利である。さらに、ミラーとシュラウドとの間の放射結合は、従来の伝導性の手段（例えば複数のストラップなど）よりも、放射経路がミラー背面全体にわたって均等に作用可能であり、複数のストラップ（それらはもっと局在化されたものであり、それ故に、それらの動作において、もっと不均一である）で達成されることができるものよりも均一な熱流及び温度を提供するという点で優れている。

図２に戻るに、各シュラウド６８ａ−６８ｅは、それぞれのミラー５７ａ−５７ｅの各々から熱を伝え去るように、熱伝達部材７１ａ−７１ｅとヒートパイプ７３ａ及び７３ｂとを介してコールドラジエータ７５に熱的に（例えば、物理的に）結合又は連結され、それにより、システム５０は、連続的に、広視野Ｗをセンサ６０へと反射することができる。なお、図２は、図示の明瞭さの目的で、熱伝達部材７１ａ−７１ｅが光学ベンチ５５を通って延在することを概略的に示しているが、パイプ７３ａ及び７３ｂの一部が、光学ベンチ５５の内側で、（図３Ａに例示したように）それぞれのシュラウド６８ａ−６８ｅに隣接することになる。様々な他の構成も、ミラー５７ａ−５７ｅから熱を引き抜くという同じ結果を達成することができる。例えば、フレキシブル熱伝達部材７１ａ−７１ｅは、それぞれ、シュラウド６８ａ−６８ｅと光学ベンチ５５との間に直に結合されることができ、その場合、光学ベンチ５５から熱を引き抜くために、光学ベンチ５５に（１つ以上の）コールドバイアスパイプ７３ａ及び７３ｂを熱的に結合（例えば、ストラップで固定）することができる。図２及び図３Ｃがこの構成を例示している。このような構成は光学的な劣化問題を生じさせ得るが、図３Ｃは、フレキシブル熱伝達部材７１ｆ（図２でも参照される）を介してヒートパイプ７３ｂに熱的に結合された光学ベンチ５５を示しており、斯くして、光学ベンチをヒートパイプに熱的に結合することが可能である。従って、光学ベンチ５５によって吸収された熱（例えば、入射開口５４の近くで光学ベンチ５５によって吸収された太陽熱など）は、パイプ７３ｂによって冷バイアスラジエータ７５に伝達されることができる。

次に、太陽負荷が開口に入り、太陽負荷の一部が光学ベンチ５５によって吸収される（すなわち、光学ベンチ５５に入る前に一部の太陽負荷を吸収するために、光学ベンチ５５は黒色に塗られ得る）ときに、図２の光学ベンチ５５内のコンポーネントの温度を制御するための方法及びシステムに特に注目する。一部の例において、光学ベンチは、例えば−０．８×１０^−６／Ｋと１．０×１０^−６／Ｋとの間のＣＴＥを持つ低膨張複合材料（例えば、炭素繊維）などの、低熱膨張材料からなる。一部の例において、（ここでの例の）前部光学系ミラー及び折り返しミラーも、例えば炭化ケイ素（約２．４Ｅ−６／ＫのＣＴＥを持つ）、超低膨張ガラス（約５℃−３５℃で約１０−８／ＫのＣＴＥを持つ）などの、低熱膨張材料からなり得る。なお、“超低膨張ガラス”又は“ＵＬＥ（登録商標）ガラス”は、コーニング社が所有する商標の下で販売されている。

従って、光学ベンチ５５が一部の太陽負荷を吸収し得るとともに、最後／残りの太陽負荷が、上で図示して説明したように、折り返しミラー５７ｅを通り抜けてシュラウド８３ｅによって吸収されるまで、残りの太陽負荷が前部光学系ミラー５７ａ−５７ｄの各々周りで次第に吸収され得る。故に、後部光学系ミラー５９又はセンサ６０に伝えられる太陽負荷は実質的にない（又は無視できる負荷である）。一例において、第１ミラー５７ａの位置で、光学ベンチに入った太陽負荷から約２−５ワットのパワーがミラー５７ａによって吸収され、次いで、その吸収された太陽負荷がシュラウド６８ａに放射的に伝達され、そして最終的に、（上の例で説明したように）ヒートパイプ７３ｂによってコールドラジエータ７５に（伝導的に）伝達され得る。この熱伝達プロセスが各ミラー５７ｂ−５７ｄ周りで続けられ、それ故に、折り返しミラー５７ｅへと反射される前に、各ミラーにおいて太陽負荷のうちの少なくとも一部（例えば、約５％）が次第に除去される。従って、光線５６及び直接的な太陽像６６が第４ミラー５７ｄ（すなわち、前部光学系結像の最後のミラー）で受けられた後に、ある量の太陽負荷が残っている（例えば、元の太陽負荷のうち最大で約８０％が残り得る）。第４ミラー５７ｄによって反射された残存太陽負荷は、その太陽負荷が折り返しミラー５７ｅのアパーチャを通り抜けることによって実質的に（又は完全に）除去され得る。

例えば、図３Ｄに最もよく示されるように、そして、図２及び図３Ｄを参照するに、折り返しミラー５７ｅは、太陽Ｓの視角よりも大きいサイズにされた視角を定めるアパーチャ（開口）６４を有することができる。知られているように、太陽の視角は約０．５度である。従って、アパーチャ６４は、少なくとも０．５度の視角を持ち得る。好ましくは、アパーチャ６４の視角は約１．０度である（すなわち、太陽の視角に対して２倍の大きさにされる）。これが意味することは、この例では、特定の前部光学系の焦点距離が１００ｍｍであるとして、１．０度であるアパーチャ６４の視角に到達するために、アパーチャ６４の直径を１．７５ミリメートルとし得るということである。このサイズのアパーチャ６４（例えば、１．７５ｍｍの直径及び１．０度の視角）は、許容可能量の、システム（例えば、望遠鏡）の“視線ドリフト”、（例えば、望遠鏡が太陽に向けられる）指向誤差、及び（例えば、ミラー、ベンチなどの）熱膨張を可能にし、これらは全て、過大な視野がアパーチャ６４を通ることを犠牲にしないようにしながらである。しかしながら、アパーチャ６４の視角は、例えば１．５度若しくは２．０度又は更に大きくなど、１．０度より大きくてもよい。一般的に言えば、アパーチャは、少なくとも太陽像と同じ大きさであるとし得る（（太陽の視角は０．５度であり）前部光学系の有効焦点距離をＥＦＬｆとして、アパーチャの直径＝ＥＦＬｆ×ｔａｎ０．５°）。一態様において、アパーチャは、小さい照準誤差を可能にするように太陽像よりも大きくし得る（アパーチャの直径＝ＥＦＬｆ×ｔａｎ１．０°）。これは、真の太陽角の周り約４ｍｒａｄの放射照準誤差を可能にする。他の一態様において、穴が生み出す視野の目減りがコロノグラフの動作に害を及ぼさないように、アパーチャは十分に小さくあるべきである。

折り返しミラー５７ｅは、太陽Ｓの直接の太陽像６６が、シュラウド６８ｅへと、効率的にアパーチャ６４を通り抜け、太陽Ｓによって与えられた残りの熱負荷がシュラウド６８ｅで除去され得るように位置決め可能であり、故に、光線５６が後部光学系ミラー５９へと反射される前に残存太陽熱負荷の全て（又は大部分）が除去される。一態様において、後部光学系ミラー５９には実質的に太陽負荷が与えられないので、後部光学系ミラー５９はアルミニウム又はベリリウム（すなわち、前部光学系ミラーよりも高いＣＴＥを持つ）からなり得る。

図２に戻るに、ヒータ８３ａ−８３ｅをそれぞれのシュラウドに結合してシンク温度を提供することができ、それにより、光学コンポーネント（すなわち、ミラー）が２０℃に制御される。故に、各ヒータは、それぞれのミラーに付随して該ミラーの動作温度を指し示すフィードバック温度センサを有し得る。一部の例において、ミラー５７ａ−５７ｅは、（劣化を回避し、例えば許容可能な波面誤差を持つ健常な望遠鏡を提供するために）約２０℃で動作することになる。その場合、それぞれのシュラウドは約５−１０℃で動作することができ、そして、それぞれのヒートパイプは例えば０℃で動作することができる。しかしながら、例えばコールドラジエータ７５を介して各ミラー５７ａ−５７ｅから熱を除去することは、ミラー５７ａ−５７ｅが“冷たすぎ”で（すなわち、２０℃をかなり下回って）動作することをもたらすことがあり、それが画像品質などに影響を及ぼすことがある。故に、ヒータ８３ａ−８３ｅは、各ミラー５７ａ−５７ｅに所定量の熱を供給して、理想的な動作温度（例えば、２０℃）で又はその近くで動作させるように（例えば、コンピュータシステムによって）制御され得る。これは有利である。何故なら、例えば第１ミラー５７ａは第４ミラー５７ｄよりも多くの太陽負荷を受けるので、各々の特定のミラー５７ａ−５７ｅにおける動作温度をヒータで制御することは、歪まされていない像をセンサに反射する助けとなるからである。これらヒータはまた、例えば日食が存在し、ミラーがあまりに“冷たすぎ”で動作し得る場合にも有利である。従って、ヒータは、健常で安定した温度レベル（例えば、２０℃）でのミラー及び結像系の動作を支援するために、必要とされる状況でミラーを加熱するように動作可能であるとし得る。概して、“健常な望遠鏡”は、システムの光学コンポーネントの劣化を許容可能な小さい量にして、光線及び太陽像を反射することができ、その結果、検出器／センサが、典型的な処理及び分析のために許容可能な画像を効果的に受けて送ることができるような望遠鏡であるとし得る。“健常な望遠鏡”の画質は、ハードウェアにて実装される理想的な望遠鏡設計の画質に非常に近く、その意図した目的に対して首尾良く動作することができる。

開示された熱制御システムは、（上述のように）各ミラーにおける温度を制御して、波面誤差を最小化する各ミラーにおける定常状態を提供し得る。例えば、各ミラーは、（例えば、シュラウド及びヒータに起因して）例えば２ワットのパワーを（均一に且つ定常的に）吸収することができ、それがミラー上の勾配誤差を最小化し、ひいては、表面形状誤差を最小化するとともに、光学システムにおける波面誤差を最小化する。

開示された光学システムはまた、広い視野を見ながら、また、短い波及び長い波を（１つ以上の）センサに結像するように反射しながら、低いＦ値（すなわち、“速い”光学系）を持つ全反射型のコロナグラフを提供する。光学系のＦ値（焦点比、Ｆ比、Ｆ絞り、又は口径比と呼ばれることもある）は、入射瞳の直径に対するレンズの焦点距離の比である。これは、集光能力の定量的尺度である無次元数である。図１Ｂの実施形態では、等価結像Ｆ値はＦ／２．２５であり、約１．７７Ｘのアスペクト比を持つ入射瞳の非円形性が、図１Ｂの平面におけるＦ／２．８８なるＦ値と、直交する平面におけるＦ／１．６２なるＦ値とをもたらす。

図４は、図１Ａ−３Ｄの光学システム例が効果的に動作する（すなわち、公称値からの許容可能な変化を有する健常な望遠鏡として動作する）ことを例示するグラフである。例えば、視野の平均の二乗平均平方根（ＲＭＳ）波面誤差（ＷＦＥ）がｙ軸（μｍ単位）に示され、動作／周回中の時間スケール（分）がｘ軸に示される（すなわち、１２０分まで）。このグラフは、（ここで説明されたように）前部光学系ミラーが超低膨張ガラスからなり且つ光学ベンチが低膨張複合材料からなる場合の、多様な視野（０°から３５°まで）についての、平均ＲＭＳ ＷＦＥを示している。このグラフは、太陽を中心とした広視野を結像するとき、公称値から約１．１％の劣化変化しか存在しないことを示しています。これは非常に小さくて許容可能な割合での変化であり、それ故に、この光学システムは、上で意図され説明されたように、効果的に、連続して、結像することができる。

理解されるべきことには、開示された発明の実施形態は、ここに開示された特定の構造、処理工程、又は材料に限定されず、当業者によって認識されるその均等範囲に拡張される。やはり理解されるべきことには、ここで使用される用語は、単に特定の実施形態を説明する目的で使用されており、限定の意図はない。

本明細書の全体を通じての“一実施形態”又は“或る実施形態”への言及は、その実施形態に関連して記載される特定の機構、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。故に、本明細書の全体の様々な箇所で“一実施形態において”又は“或る実施形態において”という言い回しが現れることは、必ずしも全てが同じ実施形態に言及しているわけではない。

ここで使用されるとき、複数の品目、構造要素、組成要素、及び／又は材料が、便宜上、共通のリストにて提示され得る。しかしながら、それらのリストは、そのリストの各メンバーが別個の独特のメンバーとして個々に特定されているかのように解釈されるべきである。故に、そのようなリストの何れの個々メンバーも、反することの示唆がない限り、単に共通のグループにて提示されていることに基づいて、同じリスト内のその他のメンバーの事実上の等価物として解釈されるべきでない。さらに、ここでは、本発明の様々な実施形態及び例が、その様々な構成要素に関する代替とともに言及されることがある。理解されるように、それらの実施形態、例、及び代替は、互いに事実上の等価物と見なされるべきでなく、本発明の別個の自立した表現と見なされるべきである。

また、記載された機構、構造、又は特性は、１つ以上の実施形態において好適に組み合わされ得る。明細書においては、本発明の実施形態の十分な理解を提供するため、例えば長さ、幅、形状の例など、数多くの具体的詳細事項が提供されている。しかしながら、当業者が認識するように、本発明は、これらの具体的詳細事項のうちの１つ以上を用いずに実施されてもよいし、あるいは、他の方法、構成要素、材料などを用いて実施されてもよい。また、周知の構造、材料、又は処理については、本発明の態様を不明瞭にすることがないよう、詳細に示したり説明したりしていない。

以上の例は、１つ以上の特定の用途において本発明の原理を例示したものであり、当業者には明らかなように、発明能力の発揮なしで、本発明の原理及び概念を逸脱することなく、実装の形態、用法、及び細部における数多くの変更が為され得る。従って、以下に記載される請求項によるものを除いて、本発明を限定する意図はない。

Claims (22)

1. 広視野を連続的に撮像するためのコロナグラフ光学システムであって、
   太陽に向けて位置決め可能な入射開口を持つ前部光学系アセンブリであり、太陽を中心とする広視野についての光線を反射する複数のミラーを有する前部光学系アセンブリと、
   前記光線を少なくとも１つのセンサへと反射するように構成された後部光学系アセンブリと、
   前記光線を前記後部光学系アセンブリへと反射するように前記前部光学系アセンブリと前記後部光学系アセンブリとの間で光学的に支持された折り返しミラーであり、当該折り返しミラーは、太陽の視角よりも大きくされた視角を定めるアパーチャを持ち、当該折り返しミラーは、前記前部光学系アセンブリの前記入射開口が太陽に向けて連続的に位置決めされる間、前記前部光学系アセンブリによって反射された太陽の直接的な太陽像が前記アパーチャを通り抜けるように位置決め可能である、折り返しミラーと、
   を有するコロナグラフ光学システム。
2. 当該コロナグラフ光学システムは更に、前記前部光学系アセンブリ及び前記折り返しミラーに結合された熱制御サブシステムを有し、該熱制御サブシステムは、前記入射開口が太陽に向けて連続的に位置決めされることができるように熱を伝え去る、請求項１に記載のコロナグラフ光学システム。
3. 前記熱制御サブシステムは複数の熱伝達シュラウドを有し、各熱伝達シュラウドが、熱を伝達するために、前記折り返しミラー及び前記複数のミラーのうちの１つに放射結合される、請求項２に記載のコロナグラフ光学システム。
4. 前記前部光学系アセンブリは更に、前記複数のミラーと前記折り返しミラーとを収容する光学ベンチを有し、前記熱制御サブシステムは、各々が前記光学ベンチ及び前記複数の熱伝達シュラウドのうちの１つに熱的に結合される複数の熱伝達部材を有し、該複数の熱伝達部材は、少なくとも１つのコールドバイアスヒートパイプに熱的に結合される、請求項３に記載のコロナグラフ光学システム。
5. 前記熱制御サブシステムは、前記光学ベンチ及び前記少なくとも１つのコールドバイアスヒートパイプに熱的に結合される一次熱伝達部材を有する、請求項４に記載のコロナグラフ光学システム。
6. 前記熱制御サブシステムは、前記前部光学系アセンブリの温度を制御するために前記折り返しミラー及び前記複数のミラーの各々に熱的に結合される複数のヒータを有する、請求項５に記載のコロナグラフ光学システム。
7. 前記複数のミラー、前記折り返しミラー、及び前記光学ベンチは各々、炭化ケイ素、低膨張ガラス、及び低膨張複合材料のうちの少なくとも１つを有する低熱膨張材料からなる、請求項４に記載のコロナグラフ光学システム。
8. 各熱伝達シュラウドが、前記折り返しミラー及び前記複数のミラーの各々の表面領域の大部分に対して放射結合される、請求項４に記載のコロナグラフ光学システム。
9. 前記広視野は、約５度と約３０度との間である、請求項４に記載のコロナグラフ光学システム。
10. 前記後部光学系アセンブリは複数の反射ミラーを有し、前記前部光学系アセンブリ及び前記後部光学系アセンブリが全反射型の光路を支援する、請求項１に記載のコロナグラフ光学システム。
11. 当該コロナグラフ光学システムは、前記センサが所定の期間にわたって太陽の視線に連続的に向けられる定常状態位置を有する、請求項１に記載のコロナグラフ光学システム。
12. 前記センサは、長波赤外焦点面アレイ及び可視焦点面アレイのうちの少なくとも一方を有する、請求項１に記載のコロナグラフ光学システム。
13. ２つのスペクトル帯域で物体を撮像するために、光線を、前記長波赤外焦点面アレイへと、前記可視焦点面アレイへと、に分割するように動作するダイクロイックビームスプリッタ、を更に有する請求項１２に記載のコロナグラフ光学システム。
14. 広視野を連続的に撮像するためのコロナグラフ光学システムであって、
    太陽に向けて位置決め可能な入射開口を持つ前部光学系アセンブリであり、太陽を中心とする広視野についての光線を反射する複数のミラーを有する前部光学系アセンブリと、
    前記光線を少なくとも１つのセンサへと反射するように構成された後部光学系アセンブリと、
    前記前部光学系アセンブリと前記後部光学系アセンブリとの間に光学的に結合され、且つ前記光線を前記後部光学系アセンブリへと反射するように構成された折り返しミラーであり、当該折り返しミラーは、太陽の視角よりも大きくされた視角を定めるアパーチャを持ち、且つ太陽の直接的な太陽像が前記アパーチャを通り抜けるように位置決め可能である、折り返しミラーと、
    前記複数のミラー及び前記折り返しミラーに結合された熱制御システムであり、熱の伝達を支援するように前記複数のミラー及び前記折り返しミラーに熱的に結合される少なくとも１つの放熱器を有する熱制御システムと、
    を有するコロナグラフ光学システム。
15. 前記熱制御システムは複数の熱伝達シュラウドを有し、各熱伝達シュラウドが、熱を前記少なくとも１つの放熱器へと伝達するために、前記折り返しミラー及び前記複数のミラーのうちの１つに放射結合される、請求項１４に記載のコロナグラフ光学システム。
16. 前記熱制御システムは、複数のフレキシブル熱伝達部材と、前記複数のミラー及び前記折り返しミラーを支持する光学ベンチとを有し、各フレキシブル熱伝達部材が、１つの熱伝達シュラウドと、前記少なくとも１つの放熱器に結合されたコールドバイアスヒートパイプとの間に熱的に結合される、請求項１４に記載のコロナグラフ光学システム。
17. コロナグラフ光学システムを用いて太陽を中心とする広視野を連続的に撮像するための方法であって、
    コロナグラフ光学システムの前部光学系アセンブリの入射開口を太陽に向けて位置決めし、前記前部光学系アセンブリは、太陽を中心とする広視野についての光線を反射する複数のミラーを有し、
    前記コロナグラフ光学システム上への太陽負荷を除去するよう、折り返しミラーのアパーチャをほぼ太陽の直接的な太陽像に向けて位置決めし、前記折り返しミラーが、前記前部光学系アセンブリからの前記光線を後部光学系アセンブリへと反射し、且つ
    前記入射開口が太陽に向けて連続的に位置決めされることができるように、熱制御サブシステムにより前記複数のミラー及び前記折り返しミラーの温度を制御する、
    ことを有する方法。
18. 前記光線を少なくとも１つのセンサへと反射するように前記後部光学系アセンブリを位置決めする、ことを更に有する請求項１７に記載の方法。
19. 前記光線が前記折り返しミラーによって前記後部光学系アセンブリへと反射される前に、前記コロナグラフ光学システムから前記太陽負荷の全て又は大部分を除去する、ことを更に有する請求項１７に記載の方法。
20. 当該方法は更に、放熱器に熱的に結合された少なくとも１つのコールドバイアスヒートパイプを介して前記折り返しミラー及び前記複数のミラーの各々から熱を伝え去ることを有し、前記少なくとも１つのコールドバイアスヒートパイプは、熱伝達シュラウドに結合された熱伝達部材によって、前記折り返しミラー及び前記複数のミラーの各々に熱的に結合され、各熱伝達シュラウドが、前記折り返しミラー及び前記複数のミラーのうちの１つに放射結合される、請求項１７に記載の方法。
21. 前記折り返しミラーの前記アパーチャは、直接的な太陽像が前記アパーチャを通り抜けるように、太陽の視角よりも大きくされた視角を定める、請求項１７に記載の方法。
22. 前記光線を、長波赤外焦点面アレイへと、可視焦点面アレイへと、に分割することによって、２つのスペクトル帯域で同時に物体を撮像する、ことを更に有する請求項１７に記載の方法。

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