KR102642068B1 - 별 추적기 상에 장착된 미러를 구비한 오토콜리메이터를 포함하는 관찰 기구 - Google Patents

별 추적기 상에 장착된 미러를 구비한 오토콜리메이터를 포함하는 관찰 기구 Download PDF

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Abstract

발명의 분야는 적어도 하나의 망원경, 망원경의 바디 (21, 22, 23) 상에 견고히 장착된 별 추적기 (20), 및 망원경의 시선을 검사하기 위한 디바이스를 포함하는 관찰 기구의 분야이며, 상기 디바이스는 광원 (30), 오토콜리메이션 셋업에서의 평면 미러 (31) 및 검출기 (32) 를 포함하고, 광원 및 검출기는 망원경의 초점 평면에 배치된다. 발명에 따른 관찰 기구에서, 평면 미러는 별 추적기에 견고히 고정되고 배향되어 광원으로부터 출력된 콜리메이트된 빔을 검출기를 향해 반사하고, 검출기 상에 포커싱된 광 스폿, 즉 콜리메이트된 빔의 반사로부터 야기되는 광 스폿의 형상 및 포지션은, 시선의 방향을 나타낸다.

Description

별 추적기 상에 장착된 미러를 구비한 오토콜리메이터를 포함하는 관찰 기구{OBSERVING INSTRUMENT INCLUDING AN AUTOCOLLIMATOR COMPRISING A MIRROR MOUNTED ON A STAR TRACKER}
발명의 분야는 위성 상에 장착되고 적어도 하나의 별 추적기를 포함하는 관찰 기구들의 분야이다. 별 추적기는 위성 상에 카메라의 필드에 존재하는 하나 이상의 별들을 인식하기 위한 수단에 커플링되고 위성 상에 장착된 카메라이다. 이러한 별들의 포지션은 매우 높은 정확도로 알려져 있으며, 이로부터, 카메라에 의해 생성된 이미지들을 분석하는 것에 의해 위성 상에 장착된 관찰 망원경의 배향을 매우 정확히 추론하는 것이 가능하다.
별 추적기들의 결점들 중 하나는 AOCS (attitude and orbital control system) 에 의해 사용된 별 추적기의 시선과 우주 망원경의 시선 사이에 편향이 있을 수도 있다는 것이다. 이러한 문제를 해결하는 많은 방법들이 있다. 첫 번째 해결 방안은 반드시 제한들을 갖는 열탄성적으로 안정한 구조들을 사용하여 이러한 편향을 감소시키는 것으로 이루어진다. 두 번째 해결 방안은 알려진 별들의 또는 그라운드 상의 알려진 위치들에서 오브젝트들의 이미지들을 취득하는 것에 의해 기구를 정기적으로 교정하는 것으로 이루어진다. 이러한 유형의 취득은 별 추적기들이 배치될 수도 있는 위치들에 대해 제약을 둔다.
이러한 어려움을 해결하는 하나의 가능한 방법은, 망원경 내부에 시선을 검사하기 위한 광학 시스템을 설치하는 것이다. 이러한 해결 방안의 복수의 변형들이 개발되었다.
이와 같이, 명칭이 "T
Figure 112018118921634-pat00001
lescope comportant un miroir actif et des moyens de surveillance interne dudit miroir actif" 인 특허 FR 3 011088 은, 내부 광원, 특정 검사 광학계 (optics) 및 검출 수단을 포함하는 변형가능한 망원경 미러를 검사하기 위한 디바이스를 기재한다.
명칭이 "Alignment device and method for optical system" 인 특허 US 8 085 400 은, 망원경의 파장과 상이한 파장에서 동작하는 정렬 수단을 기재한다. 망원경의 후방 미러는 이 파장에서 반사하는 특정 처리를 포함하여 정렬 소스로부터 출력된 광을 반사할 수 있다. 이 해결 방안은 광학적으로 복잡하다.
명칭이 "Procd de prise d’images" 인 특허 EP 2 388 646 은, 도 1 에 부분적으로 나타나 있는 검사 시스템을 기재한다. 망원경의 구조에 단단히 고정되는 소형 미러 (1) 가 망원경의 프라이머리 미러 (3) 상으로 관찰 방향에서 검사 빔 (2) 을 주입한다. 이러한 빔의 분석은, 광학계를 통과한 후, 시선의 편차가 결정되도록 한다. 이러한 검사 수단의 결점들 중 하나는 스티어링 미러 (1) 의 안정성에 완전히 의존한다는 것이다.
명칭이 "Procd de mesure de la direction d’une ligne de vise d’un dispositif d’imagerie" 인 특허 출원 WO 2014/140129 은, 견고히 고정되는 2 개의 광학 헤드를 포함하는 검사 어셈블리를 포함하며, 제 1 광학 헤드는 메인 시선과 동일한 방향으로 배향되고 제 2 광학 헤드는 별 추적기이다. 이러한 검사 어셈블리는 제작과 관련하여 다소 복잡하다.
마지막으로, 명칭이 "Real-time measurement of line of sight drift in space cameras by a built-in electro-optical system" 인 Leizer 등에 의한 공보는, 검사 시스템을 제공하며, 이 시스템은 도 2 에 나타나 있다. 이것은 별 추적기 (6) 에 단단히 고정되는 콜리메이터 (5) 를 포함한다. 콜리메이터 (5) 로부터 출력된 레이저 빔 (7) 은, 프라이머리 미러 (9) 의 주변 상의 관찰 방향에서, 큐브-코너 역반사기 (cube-corner retroreflector)(8) 에 의해 주입된다. 큐브-코너 역반사기의 장점은 회전에서의 변동들에 완전히 둔감하다는 것이다. 망원경의 모든 광학계를 통과한 후, 레이저 빔은 그 초점 평면에 위치되는 망원경의 검출 수단에 의해 수신된다. 이미지 캡처들 사이에서, 레이저를 턴온하면, 다양한 이미지들이 생성될 수 있고, 이 이미지들에서 초점 평면에서의 리턴 스폿 (spot) 의 포지션이 시선에 대한 삼면체의 배향이 추정되도록 한다. 이 콜리메이터는 제작하기가 반드시 간단하지는 않다.
발명에 따른 검출 수단은 위에 언급된 결점들을 갖지 않는다. 이것은 단지 망원경의 초점 평면에 위치된 하나의 광원 및 별 추적기의 구조에 견고히 고정된 소형 오토콜리메이션 미러를 포함한다. 보다 정확히, 발명의 주제는 적어도 하나의 망원경, 망원경의 바디 상에 견고히 장착된 별 추적기, 및 망원경의 시선을 검사하기 위한 디바이스를 포함하는 관찰 기구이며, 상기 디바이스는 광원, 오토콜리메이션 셋업에서의 평면 미러 및 검출기를 포함하고, 광원 및 검출기는 망원경의 초점 평면에 배치되고, 평면 미러는 별 추적기에 견고히 고정되고 배향되어 광원으로부터 출력된 콜리메이트된 빔을 검출기를 향해 반사하고, 검출기 상에 포커싱된 광 스폿, 즉 콜리메이트된 빔의 반사로부터 야기되는 광 스폿의 형상 및 포지션은, 시선의 방향을 나타내는 것을 특징으로 한다.
유리하게, 관찰 기구는 변형가능한 미러를 포함하는 서보제어 (servocontrol) 시스템을 포함하고, 그 변형은 검출기 상에 포커싱된 광 스폿의 형상 및 포지션에 의존한다.
유리하게, 기구는 적어도 하나의 제 2 별 추적기를 포함하고, 제 2 별 추적기는 제 2 별 추적기에 견고히 고정되고 배향되어 광원으로부터 출력된 제 2 콜리메이트된 빔을 검출기를 향해 반사하는 제 2 평면 미러를 포함하며, 검출기 상에 포커싱된 제 2 광 스폿, 즉 제 2 콜리메이트된 빔의 반사로부터 야기되는 광 스폿의 형상 및 포지션은 시선의 방향을 나타낸다.
유리하게, 적어도 하나의 평면 미러는 코딩된-어퍼처 (coded-aperture) 마스크의 역할을 하는 마스크를 포함한다.
유리하게, 마스크는 빈사 디스크 또는 반사 링 또는 불투명한 중심의 X 형상 교차부를 포함하는 반사 디스크 또는 정사각형 영역이다.
유리하게, 마스크는 3 개의 상이한 각도로 배향된 3 개의 반사 그리드를 포함하는 Bahtinov 마스크이다.
유리하게, 적어도 하나의 평면 미러는 알려진 고유의 스펙트럼 시그니처를 갖는 스펙트럼 필터를 포함한다.
유리하게, 광원은 단색 포인트 소스이다.
유리하게, 광원은 다색 포인트 소스이다.
첨부된 도면들을 참조하여 주어지는 다음의 비제한적인 설명을 읽으면 발명이 더 잘 이해될 것이고 다른 이점들이 더 명백해질 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 관찰 기구를 검사하기 위한 제 1 디바이스를 나타낸다.
도 2 는 종래 기술에 따른 관찰 기구를 검사하기 위한 제 2 디바이스를 나타낸다.
도 3 은 발명에 따른 관찰 기구를 검사하기 위한 디바이스의 원리를 나타낸다.
도 4 는 발명에 따른 검사 미러가 망원경의 바디 상에 설치될 수도 있는 다양한 가능한 포지션들을 나타낸다.
도 5a 내지 도 5e 는 마스크들의 다양한 유형들을 포함하는 검사 미러들을 나타낸다.
비제한적인 예로서, 도 3 은 발명에 따른 검사 디바이스를 포함하는 관찰 기구의 간략화된 뷰를 나타낸다. 발명은 본질적으로 망원경, 별 추적기 및 망원경의 시선을 검사하기 위한 디바이스를 포함한다.
도 3 의 경우, 망원경의 광학계는 4 개의 미러 (10, 11, 12 및 13) 를 포함한다. 미러 (10) 는 망원경의 오목 프라이머리 미러이고, 미러 (11) 는 볼록 미러이며, 미러 (12) 는 제 2 오목 미러이다. 미러 (13) 는 소형 평면 스티어링 미러이다. 3 개의 미러 (10, 11 및 12) 에 의해 형성된 광학적 조합은, 그 초점 평면에서, 매우 높은 광학 품질의 이미지가 획득되도록 한다. 이러한 결과가 달성되도록 하는 당업자에게 알려진 다양한 가능한 광학 조합들이 있다. 이 초점 평면에 센서가 배치되며, 이 센서는 일반적으로 고 해상도 감광성 화소들의 매트릭스 어레이 또는 하나 이상의 스트립들이다.
별 추적기 (20) 는 통상적으로 카메라의 필드에 존재하는 하나 이상의 별들을 인식하기 위한 수단에 커플링되고 망원경의 구조 상에 장착된 카메라이다. 도 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 별 추적기(들) 은 구조 상의 다양한 위치들에 장착될 수도 있으며, 이것 (이것들) 을 검출 유닛들의 근방에 장착할 필요는 없다. 따라서, 추적기 (20A) 는 망원경의 정면 입구 프레임 (21) 상에 장착되고 추적기 (20B) 는 망원경의 공동 (cavity)(22) 상에 장착된다. 이 공동은 도 4 에 나타낸 바와 같이 튜브일 수도 있고, 또는 트러스 (truss) 일 수도 있다. 추적기 (20C) 는 프라이머리 미러의 구조 (23) 상에 장착된다. 망원경은 이러한 다양한 위치들에 장착된 하나 이상의 별 추적기들을 포함할 수도 있다. 별 추적기들은 기계적 브래킷들에 의해 구조 상에 장착된다.
망원경의 시선을 검사하기 위한 디바이스는 광원 (30), 오토콜리메이션 셋업에서의 평면 미러 (31) 및 검출기 (32) 를 포함한다.
소정의 망원경은 AIT 테스트들에 대해 이미 그 초점 평면에서 광원을 포함하며, AIT 는 "Assembly Integration and Test" 의 약어이다. 이 경우, 관찰 기구에 대해 이루어지는 수정들은 작다.
검출기는 망원경에 이미 존재하는 그라운드-관찰 검출기일 수도 있고, 또는 실제로 시선의 검사에 전용되는 특정 검출기일 수도 있다.
이것은 다음의 방식으로 동작한다. 광원은 망원경의 모든 광학계를 통과하고, 오토콜리메이션 셋업에 있는, 평면 미러 (31) 에 의해 반사되는 광 빔을 방출하며, 즉 미러는 실질적으로 빔에 수직이다. 반사된 빔은 망원경의 광학계를 두번째로 통과하고 검출기 (32) 상에 포커싱된다. 초점 스폿의 위치 및 형상은, 예를 들어 기계적 또는 열적 응력들에 의해 그 내부에서 야기된 변형들 및 시선의 방향을 나타낸다. 검사 시스템은 이미지 캡처들 사이에서 구현되어 이들을 방해하지 않는다.
광원 (30) 은 포인트 소스일 수도 있다. 이 경우, 도 3 에서 알 수도 있는 바와 같이 섬유 전달 광원 (fibre-delivered light source) 일 수도 있다. 광원은 또한 확장된 소스일 수도 있다. 이 경우, 그 형상은 리턴 스폿의 포지션 및 형상의 식별을 간단히 하도록 선택된다. 예를 들어, 확장된 소스는 알려진 특권 배향을 가질 수도 있다.
이러한 소스는 예를 들어 레이저 다이오드가 사용되는 경우 단색일 수도 있다. 또한 이것은 다색일 수도 있다. 스펙트럼이 넓은 소스의 장점은 다른 미러들과 상이한 좁은 스펙트럼 대역에서 반사하는 처리를 각각 포함하는 다양한 미러들을 사용하는 것이 가능하다는 것이다. 따라서, 다양한 리턴 빔들은 다양한 미러들의 스펙트럼 시그니처들을 지니며 이들을 구별하는 것이 가능하다.
또한 이러한 소스의 파장을 변화시켜, 다시 한번 하나의 특정 콜리메이팅 미러에 대응하게 하는 것이 가능하다.
평면 반사기는 안정한 브래킷으로 별 추적기에 견고히 고정된다. 이것은 AIT 페이즈들 동안, 그라운드 상에, 광학적 테스트 벤치에 대한 조정 동안, 원하는 방향으로 배향된 후 안착되도록 하는 조정가능한 메커니즘을 포함할 수도 있다. 이러한 미러들이 이른바 "팁-틸트(tip-tilt)" 미러들이다.
광학적으로, 반사기는 직경이 작은 평면 미러이다. 그 치수는 예를 들어, 사이즈가 수 센티미터인, 망원경의 메인 미러보다 작은 크기이다. 오토콜리메이션 셋업의 장점들 중 하나는 시선에서의 에러들이 두 배가 된다는 것이며, 이것은 검사 시스템의 정확도를 증가시킨다.
마스크는 광원에 의해 방출된 스펙트럼의 일부 또는 스펙트럼에 맞춰진 반사 처리를 포함할 수도 있다.
이것은 코딩된-어퍼처 마스크의 역할을 하는 마스크를 포함할 수도 있다. 비제한적인 예로서, 도 5a 내지 도 5e 는 30A 내지 30E 로 지칭된 5 가지 유형의 마스크를 나타낸다. 마스크들의 사용은 2 가지 장점들을 갖는다. 첫 번째 장점은 그 형상이 평면 미러의 배향 방향을 단순화할 수도 있다는 것이다. 두 번째 장점은, 각각의 미러가 상이한 마스크를 지니거나 상이하게 배향된 마스크를 지니는 경우, 이들을 구별하는 것이 더 용이하다는 것이다.
제 1 마스크 (30A) 가 가장 단순하다. 이것은 반사 디스크 (disc) 의 문제이다. 이것은 초점 평면에서, 방사형 대칭이고 치수가 디스크의 치수에 반비례하는, 이른바 에어리 스폿 (Airy spot) 을 산출한다.
제 2 마스크 (30B) 는 반사 링이다. 이 마스크는 초점 평면에서, 방사형 대칭이고 특징들이 반사 링 내부 및 외부에서 광선들에 의존하는 동심원 광 링들로 구성된, 에어리 스폿을 산출한다.
제 3 마스크 (30C) 는 불투명한 중심 X-형상 교차부를 포함하는 반사 디스크이다. 이 마스크의 장점은 초점 평면에서의 그 이미지가 4 개의 팔을 가진 별과 유사하고, 그 팔의 배향은 교차부의 배향을 나타낸다.
제 4 마스크 (30D) 는 반사형 정사각형 영역이다. 이 마스크는 초점 평면에서, 교차부를 산출하며, 교차부의 에너지 분포는 2 개의 수직 축을 따라 싱크 (sinc) 함수이다
제 5 마스크 (30E) 는 3 개의 상이한 각도로 배향된 3 개의 반사 그리드를 포함하는 이른바 "Bahtinov" 마스크이다. 이 마스크는 초점 평면에서, 주어진 중심 지점에서 교차하는 3 개의 주요 발광 회절 라인들을 산출하며, 각각의 라인은 광의 피크들을 포함한다. 이 마스크는 포커싱 에러들에 매우 민감한 장점을 갖는다.
디바이스에 의해 획득된 이미지들의 분석은 그라운드 상에서 수행될 수도 있다. 이 경우, 검사 이미지들은 명목상 망원경에 의해 캡처되고 원격측정에 의해 송신된 이미지들과 연관된다. 획득된 이미지들은 또한 보드 상에 존재하는 측정 프로세서를 사용하여 관찰 기구로 보드 상에서 분석될 수도 있다.
관찰 기구는 변형 가능한 미러를 포함하는 서보제어 시스템을 포함할 수도 있고, 그 변형 또는 포지션은 검출기 상에 포커싱된 광 스폿의 형상 및 포지션에 의존한다. 이러한 미러는 망원경의 시야를 주어진 방향 또는 실제로 그 파면으로 서보제어하는 것을 가능하게 한다. 서보제어의 또 다른 장점은 완전히 정렬된 시선을 유지하면서 망원경의 구조에 대한 기계적 및/또는 열적 제작 제약들을 완화하는 것이 가능하다는 것이다.
이러한 망원경의 테스팅 페이즈들에 대해, 조정 페이즈들 동안, 검사 디바이스가 측정들을 방해하지 않도록, 평면 미러를 오컬팅 (occulting) 하기 위한 용이하게 장착가능하고 분해가능한 (demountable) 수단을 제공할 필요가 있다는 것이 입증될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 망원경, 상기 망원경의 바디 (21, 22, 23) 상에 견고히 장착된 별 추적기 (20), 및 상기 망원경의 시선을 검사하기 위한 디바이스를 포함하는 관찰 기구로서,
    상기 디바이스는 광원 (30), 오토콜리메이션 셋업 (autocollimation setup) 에서의 평면 미러 (31) 및 검출기 (32) 를 포함하고, 상기 광원 및 검출기는 상기 망원경의 초점 평면에 배치되고,
    상기 평면 미러는 상기 별 추적기에 견고히 고정되고 배향되어 상기 광원으로부터 출력된 콜리메이트된 빔을 상기 검출기를 향해 반사하고, 상기 검출기 상에 포커싱된 광 스폿, 즉 상기 콜리메이트된 빔의 반사로부터 야기되는 광 스폿의 형상 및 포지션은, 상기 시선의 방향을 나타내는 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관찰 기구는 변형가능한 미러를 포함하는 서보제어 (servocontrol) 시스템을 포함하고, 그 변형은 상기 검출기 상에 포커싱된 상기 광 스폿의 형상 및 포지션에 의존하는 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 관찰 기구는 적어도 하나의 제 2 별 추적기 (20A, 20B, 20C) 를 포함하고, 상기 제 2 별 추적기는 상기 제 2 별 추적기에 견고히 고정되고 배향되어 상기 광원으로부터 출력된 제 2 콜리메이트된 빔을 상기 검출기를 향해 반사하는 제 2 평면 미러를 포함하며, 상기 검출기 상에 포커싱된 제 2 광 스폿, 즉 상기 제 2 콜리메이트된 빔의 반사로부터 야기되는 광 스폿의 형상 및 포지션은 상기 시선의 방향을 나타내는 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 평면 미러는 코딩된-어퍼처 마스크의 역할을 하는 마스크 (30A, 30B, 30C, 30D, 30E) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크는 반사 디스크 (30A) 또는 반사 링 (30B) 인 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크는 불투명한 중심의 X 형상 교차부를 포함하는 반사 디스크 (30C) 인 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크는 정사각형 영역 (30D) 인 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크는 3 개의 상이한 각도로 배향된 3 개의 반사 그리드를 포함하는 Bahtinov 마스크 (30E) 인 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  9. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 평면 미러는 알려진 고유의 스펙트럼 시그니처를 갖는 스펙트럼 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 단색 포인트 소스인 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 다색 포인트 소스인 것을 특징으로 하는, 관찰 기구.
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