KR20160147743A - 우주선에서 사용하기 위한 망원경 및 망원경 어레이 - Google Patents

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Abstract

반사 굴절 망원경은 종래의 막스토프-카세그레인 광학 망원경의 수정된 버전이다. 본 발명에 따라, 주 미러 및 보조 스폿 미러의 반사 표면들은 각각 주 미러 및 보정 렌즈의 제 2 표면들 상에 있다. 본 발명에 따라, 추가로, 두 개의 이러한 망원경들은 쌍안 망원경 어레이를 형성하도록 서로 연결될 수 있다. 상기 어레이는 상이한 원격 감지/위성 적용에 맞추기 위해 주문 제작될 수 있다.

Description

우주선에서 사용하기 위한 망원경 및 망원경 어레이{TELESCOPE AND TELESCOPE ARRAY FOR USE IN SPACECRAFT}
본 발명은 망원경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기 스펙트럼의 가시 부분 및 근 적외선 부분에서 작동할 수 있는 광학 망원경에 관한 것이다. 가장 직접적인 의미에서, 본 발명은 (위성과 같은) 우주선 및 다른 원격 감지 적용에 사용하기에 적절한 광학 망원경 및 광학 망원경 어레이에 관한 것이다.
대학들은 천문학, 기후학, 및 지구 과학에서의 연구를 위해 나노위성(nanosatellite)을 사용한다. 그리고, 상업적 및 정부 목적 둘다를 위한 나노위성의 사용이 고려되고 있다. 예를 들면, 나노위성 네트워크는 파이프라인의 전체 길이를 모니터링하기 위해 사용될 수 있어 인가되지 않은 트럭 크기의 차량을 파이프라인 근처로 운행하는 사람을 감지함으로써 오일 또는 가솔린 절도를 방지한다. 대안적으로, 나노위성은 예를 들면 출입국 관리(마약을 운반할 수 있는 항공기 모니터링, 게릴라들의 움직임 모니터링) 또는 (대규모로 확장된 보호된 숲의 국제 화재와 같은) 환경 재해의 방지를 위해 사용될 수 있다.
나노위성과 같은 우주선에서 사용하기 위해 의도된 광학 망원경은 요구하는 규제를 충족하여야 한다. 이 광학 망원경은 소형이고, 경량이며, 안정감이 있어야 하고, 기계적으로 튼튼하여야 한다. 광학 망원경은 또한 용이하게 주문 제작되어야 한다; 일부 나노위성 적용은 넓은 시야를 요구하는 반면, 다른 적용은 높은 해상도 이미지를 요구할 것이며, 또 다른 적용은 분광 데이터 또는 편광분석 데이터(polarimetry data)를 습득하는 능력을 요구할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 우주선 및 나노위성과 같은 원격 감지 적용에 사용하기 위한 광학 망원경 및 광학 망원경 어레이를 제공하는 것으로, 이 망원경 및 어레이는 소형이고, 안정감이 있고, 기계적으로 튼튼하고, 용이하게 주문 제작되어야 한다.
막스토프-카세그레인(Maksutov-Cassegrain) 타입의 종래의 반사굴절식 광학 망원경은 우수한 기계적 특징을 가지며, 이 망원경은 소형이고 경량이며 안정감이 있고 기계적으로 튼튼하다. 그러나, 400 내지 1000 nm(나노위성 적용에 대해 요구되는, 가시선 내지 근 적외선)의 파장에서 사용될 때, 망원경은 수용할 수 없는 수준의 비점수차, 코마, 색상 구면 수차를 갖는다. 그리고 종래의 막스토프-카세그레인 망원경을 상이한 나노위성 적용들의 요건에 맞추기 위한 주문 제작이 매우 어렵다.
본 발명은 두 개의 실현으로부터 진행한다. 이들 중 첫 번째는 종래의 막스토프-카세그레인 망원경 설계가 주 미러(primary mirror) 및 보조 스폿 미러를 위한 제 2 표면 반사(종래의 제 1 표면 반사 대신)를 적용하기 위해 수정되는 경우, 크기, 중량, 안정감, 및 강성 특성이 관련되는 한 유리한 특징을 여전히 보유하면서 원래 설계의 광학 수차가 수용할 수 있는 한계 내에 있을 수 있는 실현이다.
제 2 실현은 이 같이 수정된 설계와 같은 두 개의 망원경으로 구성된 쌍안 어레이를 사용함으로써, 주문 제작이 용이하고 저렴하게 달성될 수 있다. 이는 서로에 대한 망원경의 배향을 변경하고 렌즈 상의 코팅을 변경하고, 사용되는 필터를 변경함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들면 망원경은 서로 평행하여 망원경의 시야가 일치하여 위성으로부터의 의도된 거리가 동일하게 되는 경우, 고-해상도 이미지가 얻어질 수 있다. 대안적으로, 대면적의 이미지가 바람직한 경우, 망원경들이 완전히 격리되어(disinclined) 의도된 거리에서 시야가 겹쳐지지 않는다. 분광 및 편광분석 데이터의 습득은 렌즈 상의 적절한 코팅 및 적절한 필터를 사용함으로써 달성될 수 있으며, 이미지를 습득하기 위해 하나의 망원경을 구성하는 반면, 원하는 논(non)-이미지 데이터를 습득하기 위해 다른 망원경을 구성함으로써 이미지 데이터(image data) 및 분광(spectroscopy), 편광분석 데이터를 습득하는 것이 가능하다.
본 발명은 아래의 예시적이고 비제한적인 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 종래의 반사 굴절의 막스토프-카세그레인 광학 망원경의 작동을 개략적으로 나타내고,
도 2는 본 발명에 따른 반사굴절식 광학 망원경(catadioptric optical telescope)의 작동을 개략적으로 도시하고,
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 망원경의 개략도이고,
도 4는 본 발명에 따른 쌍안 망원경 어레이(binocular telescope array)의 개략도이고,
도 5a는 본 발명에 따른 쌍안 망원경 어레이의 예시적인 제 1 실시예의 작동의 개략도이고, 그리고
도 5b는 본 발명에 따른 쌍안 망원경 어레이의 예시적인 제 1 실시예의 작동의 개략도이다.
모든 도면에서, 각각의 요소는 항상 동일한 도면 부호에 의해 확인되며, 대응하는 요소는 프라임(prime) 표시된 도면 부호를 사용하여 확인된다. 도면들은 스케일대로 도시되지 않았으며, 크기는 명료성을 위해 확대되거나 감소되었다.
도 1은 종래의 반사 굴절 막스토프-카세그레인 광학 망원경이 400 nm 내지 1000 nm의 파장 범위에서 작동하는 방법을 나타내는 개략도이다. 유입 광선(2, 4, 6, 및 8)은 광학 유리로 제조되고 유입 광선을 반경 방향 외측으로 분산하는 망원경의 구형 메니스커스(meniscus) 보정 렌즈(10)를 통하여 망원경의 입구 단부(200)로 유입한다. 유입 광선은 이어서 주 미러(12)(그 중심에 통공(16)을 가짐)의 구형 반사 표면에 충돌하고 보정 렌즈(10)를 향하여 다시 반사되며, 여기서 유입 광선은 보조 "스폿(spot)" 미러(14)에 입사된다. 보조 스폿 미러(14)로부터 반사 후, 광선(2, 4, 6, 및 8)은 주 미러(12)의 중심에 배치되는 원형 통공(16)을 향하여 지향된다.
미러들(12 및 14) 각각은 미러의 제 1 표면상에 배치된 반사형 재료의 층에 의해 형성된다. (광선이 제 1 표면(광선이 충돌하는)으로부터 반사되기 때문에 용어 "제 1 표면(first surface)"이 사용된다.) 결과적으로, 광선(2, 4, 6 및 8)이 보조 스폿 미러(14)로부터 반사될 때까지, 상기 광선에 의해 형성된 이미지는 수차를 겪는데, 수차는 뒤틀림, 비점수차, 코마 및 색의 구면 수차를 포함한다. 보정 렌즈(18)는 이러한 수차를 보정하기 위해 보정하도록 사용되고, 이어서 광선(2, 4, 6, 및 18)이 필드 플래트너 렌즈(field flattener lens; 20)를 통과하여 망원경의 출구 단부(210)에서 (CMOS 센서와 같은) 센서(22)에 입사된다.
도 2는 본 발명에 따른 망원경의 작동을 개략적으로 도시한다. 여기서, 광선(2, 4, 6, 및 8)은 망원경의 입구 단부(200')에서 구형 메니스커스 보정 렌즈(10')에 의해 반경 방향 외측으로 분산되고 주 미러(12')에 입사한다. 주 미러(12')는 만진 타입(Mangin type)이고, 그 중심에 원형 통공(16')을 갖는 오목 메니스커스 렌즈(negative meniscus lens)이다. 여기서, 주 미러(12')의 제 2 표면으로부터 반사되고, 주 미러(12')는 광학 유리로 제조되고 광선(2, 4, 6, 및 8)은 주 미러의 제 1 표면을 통과하고 광선이 주 미러의 제 2 표면에 도달할 때만 반사된다. 주 미러(12')는 이에 따라 미러로서 뿐만 아니라 삼중 렌즈(광선이 주 미러(12')에 유입될 때 한번, 그리고 광선이 주 미러로부터 나올 때 한번, 즉, 광선이 두 번 굴절하기 때문이다)로서 작용한다.
주 미러(12')의 제 2 표면으로부터 굴절 후, 광선(2, 4, 6, 및 8)은 보정 렌즈(10')의 제 2 표면상에 배치되는 보조 스폿 미러(14')에 입사한다. 주 미러(12')의 경우에서와 같이, 보정 렌즈(10')가 구형 메니스커스 렌즈이기 때문에 보조 스폿 미러(14')는 또한 렌즈로서 기능한다.
도 1 및 도 2를 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 망원경은 보정 렌즈(10 또는 10')와 주 미러(12 또는 12') 사이에 배치된 보정 렌즈를 요구하지 않는다. 망원경은 단지 필드 플래트너 렌즈(20') 만을 요구하며, 필드 플래트너 렌즈는 망원경의 출구 단부(210')에서 CMOS 센서(22)의 앞에 배치된다.
도 3은 본 발명에 따른 망원경의 예시적인 실시예의 크기를 개략적으로 예시하는 도면이다. 이러한 예시적인 실시예에서,
원통형 배플(cylindrical baffle)(30)은 보정 렌즈(10')의 전방에 배치되고;
다른 원통형 배플(32)은 주 미러(12')의 전방에 배치되고;
원통형 배플(34)은 보정 렌즈(10')의 후방에 배치되고;
필터(24)는 필드 플래트너 렌즈(20')와 감지기(22) 사이에 개재된다.
30, 32 및 34와 같은 배플은 막스토프-카세그레인 광학 망원경에서 종래에 사용되며, 배플들은 알루미늄으로 제조되고 배플들은 미광을 차단한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 필터(24)는 감지기(22)에 의해 캡쳐될 데이터에 따라 선택된다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예에서 사용된 유리는 N-BK7이며, 이는 굴절률 n=1.5168을 갖는다. 이러한 예시적인 실시예의 초점 길이는 1500 mm이고 이의 속도는 f/10이다. 700 km의 의도된 관측 거리에서(즉, 700 km 궤도에 있는 마이크로위성과 지구에서의 사이의 거리), 예시적인 실시예는 직경이 20 km인 시야를 갖는다.
본 발명에 따라, 쌍안 어레이의 반사굴절식 광학 망원경이 제조된다. 유리하게는, 각각의 망원경은 본 발명에 따라 망원경의 위에서 논의된 예시적인 실시예이다. 아래에서 명백한 바와 같이, 이는 어레이가 특별한 적용을 위해 용이하고 저렴하게 주문 제작되는 것을 허용한다.
예시적인 실시예에 따른 어레이는 전술된 바와 같이 두 개의 망원경으로 구성된다. 망원경(100 및 110)은 보정 렌즈(10') 및 주 미러(12)에서의 유리와 동일한 온도 계수(thermal coefficient)를 갖는 세라믹으로 제조된 하우징(120)(도 4)에 장착된다. 상기 하우징(120)은 보정 렌즈(10')가 배치되는 입구 단부(120A)와 CMOS 센서가 배치되는 출구 단부(120B)를 갖는다.
특별한 적용이 고화질 영상 이미지를 요구하는 경우, 하우징(120)은 평행하지 않은 망원경(100 및 110)들의 축선들로 구성될 수 있는 반면, 망원경(100 및 110)들은 700 km의 의도된 관측 거리에서 대략 20 km의 동일한 시야를 갖는다(도 5a). 상기 거리에서, 예시적인 실시예에 따른 어레이는 대략 3 m의 해상도를 갖는 이미지를 생성할 수 있다. 대안적으로, 더 넓은 시야를 갖는 것이 더 중요한 경우, 하우징(120')은 평행한 망원경(100 및 110)들의 축선으로 구성될 수 있는 반면, 어레이는 대략 40 km의 너비의 시야를 갖는다(도 5b).
예시적인 실시예에 따른 망원경은 400 nm 내지 1000 nm의 파장의, 전자기 스펙트럼의 가시 부분 및 근 적외선 부분에서 작동할 수 있다. 본 발명에 따른 망원경 및 망원경 어레이를 주문 제작하기 위하여, 다양한 렌즈 및 필터(24) 상의 코팅은 해당 전자기 스펙트럼의 부분(들)에서 망원경 및 어레이의 성능을 최적화하는 것에 대응하도록 선택된다. 유리하게는, BBAR 굴절 방지 코팅은 광을 전달하는 렌즈 표면들 상에 사용되고 보호형 은은 광을 반사하는 표면을들 위해 사용된다. 전형적인 필터(24)는 400 nm 내지 700 nm 및 700 nm 내지 1000 nm와 같은, 상이한 파장 대역에서 작동하는 정밀 대역-통과 필터이다. 더욱이, 본 발명에 따른 어레이는 망원경들 중 하나가 전자기 스펙트럼의 가시 부분에서 작동하도록 최적화되는 반면 다른 망원경은 분광 또는 편광분석 데이터를 수집하도록 근 적외선에서 작동하도록 최적화되는 방식으로 주문 제작될 수 있다. 대안적으로, 어레이는 망원경들 중 하나가 분광 데이터를 수집하도록 최적화되는 반면, 망원경은 편광분석 데이터를 수집하도록 최적화되는 방식으로 주문 제작될 수 있다. 이 같은 경우, 두 개의 망원경은 통상적으로 동일한 시야를 공유하여, 요구된 이미지 데이터가 습득된 적외선 데이터와 상관되고 전자기 스펙트럼의 일 부분으로부터 습득된 데이터는 다른 부분으로부터 습득된 데이터와 상관된다.

Claims (13)

  1. 수정된 막스토프-카세그레인(modified Maksutov-Cassegrain) 광학 구조물을 갖는 반사굴절식 광학 망원경(catadioptric optical telescope)으로서,
    a. 대략 원통형의 내부와 입구 단부와 출구 단부를 갖는 축방향으로 연장된 하우징;
    b. 상기 하우징의 입구 단부에 장착되는 보정 렌즈로서, 상기 보정 렌즈는 i. 제 1 표면 및 제 2 표면과, ii. 상기 제 2 표면 상에 배치되고 중심 배치된 반사 코팅을 포함하는, 보정 렌즈;
    c. 상기 하우징의 출구 단부에 장착되는 주 미러(primary mirror)로서, 상기 주 미러는 만진 미러(Mangin mirror)이고, i. 중심 통공과, ii. 제 1 표면 및 제 2 표면과, iii. 상기 제 2 표면상에 배치된 반사 코팅을 포함하는 주 미러;를 포함하며,
    d. 상기 보정 렌즈 및 상기 주 미러는 축방향으로 정렬되고 상기 하우징의 내부 내에서 서로 대면하는 제 1 표면들을 갖는,
    반사굴절식 광학 망원경.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 미러의 상기 중심 통공 내에 배치되며 상기 보정 렌즈 및 상기 주 미러에 대해 축방향으로 정렬된 필드 플래트너 렌즈(field flattener lens)를 더 포함하는,
    반사굴절식 광학 망원경.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필드 플래트너 렌즈에 대해 축방향으로 정렬되고 상기 필드 플래트너 렌즈의 후방에 배치되는 CMOS 센서를 더 포함하는,
    반사굴절식 광학 망원경.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 필드 플래트너 렌즈에 대해 축방향으로 정렬되고 상기 필드 플래트너 렌즈의 후방에 위치되는 필터를 더 포함하는,
    반사굴절식 광학 망원경.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징, 상기 보정 렌즈, 상기 주 미러, 및 상기 반사 코팅은, 대략 400 nm 내지 1000 nm의 파장을 갖는 방사선(radiation) 사용에 대해 상기 망원경을 최적화하도록 선택되는,
    반사굴절식 광학 망원경.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 세라믹으로 제조되고, 상기 렌즈는 유리로 제조되고, 상기 세라믹의 온도 계수(thermal coefficient)는 상기 유리의 온도 계수와 동일한,
    반사굴절식 광학 망원경.
  7. 제 1 항에 있어서,
    a. 상기 보정 렌즈의 상기 제 1 표면에 인접하게 배치되는 원추형 배플(conical baffle);
    b. 상기 주 미러의 상기 제 1 표면에 인접하게 위치되는 원통형 배플(cylindrical baffle); 및
    c. 상기 보정 렌즈의 상기 제 2 표면에 인접하게 위치된 원통형 배플을 더 포함하는,
    반사굴절식 광학 망원경.
  8. 우주선에서 사용하기 위한 쌍안 망원경 어레이(binocular telescope array)로서,
    a. 수정된 막스토프-카세그레인 광학 구조물을 각각 갖는 두 개의 반사굴절식 광학 망원경을 포함하며,
    상기 두 개의 반사굴절식 광학 망원경은 각각,
    i. 대략 원통형의 내부와 입구 단부와 출구 단부를 갖는 축방향으로 연장된 하우징;
    ii. 상기 하우징의 입구 단부에 장착되는 보정 렌즈로서, 상기 보정 렌즈는 1. 제 1 표면 및 제 2 표면과, 상기 제 2 표면 상에 배치되고 중심 배치된 반사 코팅을 포함하는 보정 렌즈;
    iii. 상기 하우징의 입구 단부에 장착되는 주 미러로서, 상기 주 미러는 만진 미러(Mangin mirror)이고, 1. 중심 통공과, 2. 제 1 표면 및 제 2 표면과, 3. 상기 제 2 표면 상에 배치된 반사 코팅을 포함하는 주 미러;를 포함하며,
    iv. 각각의 망원경의 상기 보정 렌즈 및 상기 주 미러는 상기 망원경 내에서 축방향으로 정렬되고 상기 하우징의 내부 내에 서로 대면하는 제 1 표면들을 갖는,
    쌍안 망원경 어레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 두 개의 망원경은 하나의 의도된 관측 거리에서 동일한 시야를 갖도록 배향되는,
    쌍안 망원경 어레이.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 두 개의 망원경은 의도된 관측 거리에서 상이한 시야를 갖도록 배향되는,
    망원경 어레이.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 망원경들 중 하나는 이미지 데이터(image data)를 출력하도록 구성되고 상기 망원경들 중 다른 하나는 분광 데이터(spectroscopy data)를 출력하도록 구성되는,
    쌍안 망원경 어레이.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 망원경들 중 하나는 이미지 데이터를 출력하도록 구성되고 상기 망원경들 중 다른 하나는 편광분석 데이터(polarimetry data)를 출력하도록 구성되는,
    쌍안 망원경 어레이.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 망원경들은 전자기 스펙트럼의 여러 지점들을 관측하도록 구성되는,
    쌍안 망원경 어레이.
KR1020167028536A 2013-04-05 2015-03-23 우주선에서 사용하기 위한 망원경 및 망원경 어레이 KR102046217B1 (ko)

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