KR20220041930A - 소형 폼 팩터 4-반사경 기반 이미징 시스템 - Google Patents

소형 폼 팩터 4-반사경 기반 이미징 시스템 Download PDF

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KR20220041930A
KR20220041930A KR1020227008087A KR20227008087A KR20220041930A KR 20220041930 A KR20220041930 A KR 20220041930A KR 1020227008087 A KR1020227008087 A KR 1020227008087A KR 20227008087 A KR20227008087 A KR 20227008087A KR 20220041930 A KR20220041930 A KR 20220041930A
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Abstract

중심 개구 및 반경을 갖는 오목 주반사경－ 주반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가짐 －; 주반사경과 대면하며 비구면을 갖는 볼록 2차 반사경－ 주반사경의 정점으로부터 2차 반사경의 정점까지 광축이 연장됨 －; 주반사경 뒤에 배열되며, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 갖는 오목 3차 반사경; 주반사경의 중심 개구 내에 또는 주반사경 뒤에 배열되며, 구면, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 갖는 오목 4차 반사경; 및 하나 이상의 집합형 센서를 갖는 적어도 하나의 이미지 평면－ 이미지 평면은 주반사경의 반경보다 크지 않은 광축으로부터의 반경 방향 거리에 위치됨 －을 포함하는 전반사 광학 시스템이 기재된다.

Description

소형 폼 팩터 4-반사경 기반 이미징 시스템
우선권 출원의 인용에 의한 포함
본 출원은 2019년 8월 11일자로 출원된 미국 가출원 번호 제 62/885,296 호에 대한 우선권을 주장하며, 이 가출원의 전체 내용은 모든 목적을 위해 완전한 형태로 인용에 의해 본 명세서에 포함되며, 본 명세서의 일부를 형성한다.
기술 분야
본 개시는 개략적으로 광학 이미징 시스템(optical imaging system)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 위성 또는 비행체에 사용하기 위한 소형 폼 팩터 4-반사경 기반 광학 이미징 시스템에 관한 것이다.
광학 이미징 시스템은 행성 또는 항성의 이미징과 같은 많은 응용예에서 유용하다. 위성 이미징을 위한 공지의 광학 시스템 설계에는 전통적인 3 반사경 아나스티그마트(Three Mirror Anastigmat; TMA) 설계와 코르쉬(Korsch) 설계가 포함된다. 광학 이미징에 대한 기존 솔루션은 크기 및 대응하는 해상도 기능과 관련하여 단점이 있다. 따라서 광학 이미징의 개선이 바람직하다.
일 태양에서, 전반사 광학 시스템(all-reflective optical system)이 개시된다. 전반사 광학 시스템은, 중심 개구 및 반경을 갖는 오목 주반사경(concave primary mirror)－ 상기 주반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가짐 －; 상기 주반사경과 대면하며 비구면을 갖는 볼록 2차 반사경(convex secondary mirror)－ 상기 주반사경의 정점으로부터 상기 2차 반사경의 정점까지 광축이 연장됨 －; 상기 주반사경 뒤에 배열되며, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 갖는 오목 3차 반사경(concave tertiary mirror); 상기 주반사경의 중심 개구 내에 또는 상기 주반사경 뒤에 배열되며, 구면, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 갖는 오목 4차 반사경(concave quaternary mirror); 및 하나 이상의 집합형 센서(aggregated sensor)를 갖는 적어도 하나의 이미지 평면을 포함한다. 이미지 평면은 주반사경의 반경보다 크지 않은 광축으로부터의 거리에 위치된다.
일부 실시예에서, 광학 시스템은 주반사경 또는 2차 반사경 근처에 위치된 입사 동공(entrance purpil), 및 1) 4차 반사경 근처, 2) 3차 반사경과 4차 반사경 사이, 및 3) 4차 반사경과 이미지 평면 사이 중 하나에 위치된 사출 동공(exit purpil) 또는 리오 조리개(Lyot stop)를 추가로 포함할 수도 있다.
일부 실시예에서, 광학 시스템은 4차 반사경으로부터 이미지 평면으로 광선을 편향시키도록 배열된 하나 이상의 접이식 반사경(folding mirror)을 추가로 포함할 수도 있으며, 하나 이상의 접이식 반사경은 광선 경로를 접도록 구성될 수도 있다. 제 1 접이식 반사경의 사용에 기초하여, 사출 동공은 3차 반사경과 4차 반사경 사이, 또는 4차 반사경과 제 1 접이식 반사경 사이에 위치될 수도 있다. 접이식 반사경들 중 하나는 시스템의 광축에 대해 특정 각도로 기울어질 수도 있다. 이미지 평면의 전방에 위치된 접이식 반사경들 중 하나는 동일한 스펙트럼 범위(spectral range)에 걸쳐서 반사성 및 투과성 섹션으로 시야를 넓힐 수도 있으며, 각 섹션은 하나 이상의 센서 중 특정 센서에 대응할 수도 있다. 이미지 평면의 전방에 위치된 접이식 반사경들 중 하나는 동시 다색 이미징(simultaneous multi-color imaging)을 가능하게 할 수도 있는데, 그 접이식 반사경들 중 하나는 제 1 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 다른 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성일 수도 있으며, 제 2 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 다른 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성일 수도 있으며, 집합형 센서들 중 하나는 제 1 스펙트럼 범위에 전용될 수 있고 집합형 센서들 중 다른 하나는 제 2 스펙트럼 범위에 전용될 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 시스템의 유효 초점 거리에 대한 2차 반사경과 3차 반사경 사이의 거리의 비율로 정의되는 폼 팩터는 0.09 미만일 수도 있다. 주반사경과 2차 반사경의 정점들은 광축을 형성할 수 있으며, 이는 주반사경의 정점으로부터 2차 반사경의 정점까지 연장되는 기하학적 기준선일 수도 있다. 주반사경과 2차 반사경은 광축을 중심으로 대칭적이거나 주기적일 수도 있다. 주기적 반사경(periodic mirror)의 대각선은 이미지 평면의 대각선으로부터 0도 또는 45도의 각도를 가질 수도 있다. 3차 반사경의 광축은 기계적 축과 일치하지 않을 수도 있다.
일부 실시예에서, 2차 반사경의 반경은 유효 초점 거리의 1% 내지 3%의 범위일 수 있고, 3차 반사경의 반경은 유효 초점 거리의 2% 내지 3%의 범위일 수도 있다. 4차 반사경의 반경은 유효 초점 거리의 6% 내지 22%의 범위일 수도 있다.
일부 실시예에서, 접이식 반사경들은 동시 다색 이미징을 가능하게 할 수도 있는데, 각각의 접이식 반사경은 특정 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 다른 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성일 수도 있으며, 각각의 추가된 접이식 반사경 및 집합형 센서들 중 대응하는 하나는 상이한 스펙트럼 범위와 연관될 수도 있다.
일부 실시예에서, 광축을 따라 3차 반사경으로부터 이미지 평면까지의 거리는 유효 초점 거리의 3% 내지 9%의 범위일 수 있고, 광축을 따라 2차 반사경으로부터 3차 반사경까지의 거리는 유효 초점 거리의 4% 내지 9%의 범위일 수도 있다. 본 시스템은 500km 고도에서 1m보다 나은 이미징 해상도를 가질 수도 있다.
일부 실시예에서, 본 시스템은 1) 팬크로매틱(panchromatic) 및 RGB 및 근적외선(near-infrared), 2) 가시광선 및 적외선(근적외선, 단파장 적외선, 중파장 적외선 또는 장파장 적외선), 3) 가시광선 및 가시광선, 4) 적외선 및 적외선, 5) UV 및 가시광선, 6) UV 및 적외선 이미징을 포함하는 동시 다색 이미징을 지원하기에 적합할 수도 있다.
일부 실시예에서, 주반사경의 직경은 유효 초점 거리의 3% 내지 8%의 범위일 수도 있다. 주반사경으로부터의 초점 거리는 유효 초점 거리의 1% 내지 6%의 범위일 수도 있다. 유효 초점 거리는 300mm 내지 20,000mm의 범위일 수도 있다. 광학 시스템은 하나 이상의 반사경을 위한 지지 구조체를 더 포함할 수도 있다. 지지 구조체는 적층 제조될 수도 있다.
일부 실시예에서, 이미지 평면은 전하 결합 소자(charge coupled device; CCD)-in-CMOS 시간 지연 적분(time delay integration; TDI) 센서를 포함할 수도 있다. CCD-in-CMOS TDI 센서는 다중 스펙트럼 TDI, 후면 조사형 이미저(backside illumination imager)일 수도 있다. CCD-in-CMOS TDI 센서는 각각 4096 × 256 픽셀인 7개의 CCD 어레이를 포함할 수도 있다. CCD-in-CMOS TDI 센서는 각각 16384 × 96 픽셀인 4개의 팬크로매틱 CCD 어레이와 8192 × 48 픽셀의 8개의 다중 스펙트럼 CCD 어레이를 포함할 수도 있다.
일부 실시예에서, 주반사경은 원형 또는 비원형 형상을 가질 수 있고, 3차 반사경은 세그먼트식 비원형 형상을 가질 수 있으며, 4차 반사경은 원형 또는 비원형 형상을 갖는다. 주반사경의 비원형 형상은 변조 전달 함수(modulation transfer function; MTF) 및 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)을 향상시킬 수도 있다.
일부 실시예에서, 4차 반사경은 3차 반사경과 대면할 수 있으며 2차 반사경으로부터 3차 반사경으로의 광선과의 간섭을 회피하도록 위치될 수도 있다. 광학 시스템은 주반사경의 원추형 배플(baffle) 또는 원통형 튜브를 포함하는 반사경의 지지 구조체를 추가로 포함할 수도 있다. 4개의 반사경은 제로(0)-CTE 재료, 저 CTE 재료 또는 중간 정도의 CTE 재료로 구성될 수 있으며, 4개의 반사경과 지지 구조체는 하나의 재료로 제조될 수도 있다. 본 시스템은 스타링(starring), 스캐닝 또는 푸쉬브룸(pushbroom), 비디오, 스테레오, 양방향 반사율 분포 함수(bidirectional reflectance distribution function; BRDF), 하이 다이내믹 레인지(high dynamic range; HDR), 편광 및 저조도의 모드에서 이미징을 제공하기에 적합할 수도 있다.
일부 실시예에서, 본 시스템은 통신 위성을 포함하는 비-이미징 임무를 목적으로 하는 위성에 탑재되도록 설치되거나, 이미징 위성, 유사 이미징(quasi-imaging) 위성 또는 과학 임무 위성에 설치되기에 적합할 수도 있다. 본 시스템은 항공기, 드론, 무인항공기 및 기구에 탑재되기에 적합할 수도 있다. 4차 반사경과 적어도 하나의 이미지 평면 사이의 후초점 거리는 유효 초점 거리의 2% 내지 5%의 범위일 수도 있다.
다른 태양에서, 전반사 광학 시스템이 개시되는데, 전반사 광학 시스템은, 중심 개구 및 반경을 갖는 오목 주반사경－ 상기 주반사경은 포물면, 비포물면, 원추면 또는 비구면 중 하나를 가짐 －; 상기 주반사경과 대면하며 쌍곡면을 갖는 볼록 2차 반사경－ 상기 주반사경의 정점으로부터 상기 2차 반사경의 정점까지 광축이 연장됨 －; 상기 주반사경 뒤에 배열되며, 포물면, 비포물면, 원추면 및 비구면 중 하나를 갖는 오목 3차 반사경; 상기 주반사경의 중심 개구의 전방에 배열되며, 구면, 포물면, 비포물면, 원추면 또는 비구면 중 하나를 갖는 오목 4차 반사경; 및 하나 이상의 집합형 센서를 갖는 적어도 하나의 이미지 평면－ 상기 이미지 평면은 상기 주반사경의 반경보다 크지 않은 상기 광축으로부터의 거리에 위치됨 －을 포함한다.
도면의 요소들은 이들의 명확성을 향상시키고 본 명세서에 기술된 이러한 다양한 요소 및 실시예의 이해를 향상시키기 위해 반드시 일정한 축척대로 도시된 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예의 명확한 개관을 제공하기 위해 당업계에서 통상적이고 잘 이해되어 있는 것으로 알려진 요소들은 도시되지 않았으므로, 도면은 명확성과 간결성을 위해 형태가 일반화되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 이미징에 사용될 수 있는 광학 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 1c 및 도 1d는 이미징에 사용될 수 있는 광학 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 1e 및 도 1f는 주기적 반사경 및 이미지 평면 각각의 대각선을 나타내는 개략도이다.
도 1g 및 도 1h는 주기적 주반사경을 갖는 광학 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2a는 본 명세서에 기술된 다양한 광학 시스템을 포함할 수 있는 위성용 페이로드 시스템의 실시예의 개략도를 나타내는 블록도이다.
도 2b는 본 명세서에 기술된 다양한 광학 시스템과 함께 사용될 수 있는 이미지 평면 회로의 실시예의 개략도를 나타내는 블록도이다.
도 3 내지 도 5는 본 명세서에 기술된 다양한 광학 시스템과 함께 사용될 수 있는 반사경 및 이미징 평면에 대한 구성 레이아웃의 다양한 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 6 내지 도 9는 본 명세서에 기술된 다양한 광학 시스템과 함께 사용될 수 있는 반사경(하나 이상의 접이식 반사경을 포함함) 및 이미징 평면에 대한 구성 레이아웃의 다양한 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10 내지 도 13은 본 명세서에 기술된 다양한 광학 시스템과 함께 사용될 수 있는 반사경(하나 이상의 접이식 반사경) 및 2개의 이미징 평면에 대한 구성 레이아웃의 다양한 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 14a 내지 도 14d는 도 1의 광학 시스템을 포함하는 카메라 시스템의 실시예의 다양한 도면이다.
도 15a 내지 도 17b는 도 1a의 광학 시스템에 대한 성능 특성의 다양한 실시예를 나타내는 그래프이다.
도 18a 내지 도 20b는 도 1c의 광학 시스템에 대한 성능 특성의 다양한 실시예를 나타내는 그래프이다.
도 21a 및 도 21b는 도 1a 및 도 1c의 광학 시스템 각각에 대한 왜곡 성능을 나타내는 그래프이다.
다수의 실시예 및 응용예를 다루는 하기의 논의에서는 첨부 도면을 참조하는데, 첨부 도면은 논의의 일부를 형성하며, 첨부 도면에는 본 명세서에 기술된 실시예가 실행될 수도 있는 특정 실시예가 예시로서 도시되어 있다. 다른 실시예가 활용될 수도 있으며 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 변경이 이루어질 수도 있음을 이해해야 한다.
각각 서로 독립적으로 또는 다른 특징 또는 특징들과 조합하여 사용될 수 있는 다양한 발명적 특징들이 아래에서 설명된다. 그러나, 임의의 단일 발명적 특징은 위에서 논의된 문제 전부를 해결하지는 못하거나, 위에서 논의된 문제 중 하나만 해결할 수도 있다. 또한, 위에서 논의된 문제 중 하나 이상은 아래에서 설명되는 각 실시예의 특징에 의해 완전히 해결되지 않을 수도 있다.
본 명세서에는 위성 및 기타 항공 시스템에서 사용될 수 있는 소형, 고해상도 광학 이미징 시스템 및 방법의 실시예가 설명된다. 광학 시스템(100)이 도 1a에 도시되어 있는데, 이는 "마이크로" 또는 소형 폼 팩터(체적 엔벨로프)로 고해상도 이미징 성능을 제공하기 위해 사용될 수 있는 일 실시예이다. 광학 시스템은 기존의 고대역폭 기능을 갖춘 다른 임무에 "편승(piggyback)"할 수도 있다.
궤도 상에 있는 위성들의 위성군은 통합 지상 커버리지(coordinated ground coverage)를 위해 서로 협력하여 작동할 수도 있다. 그 위성군에 속한 위성들의 궤도는 동기화되어 있을 수도 있다. 예컨대, 궤도는 정지궤도일 수 있으며, 여기에서 위성은 지구의 평균 회전 주기와 동일하고 지구와 동일한 회전 방향의 궤도 주기를 가질 수도 있다. 또는 궤도는, 지구 주위의 근극궤도(nearly polar orbit)와 같이, 위성들이 동일한 지역 평균 태양시(local mean solar time)에 지구 표면의 임의의 소정 지점을 통과하거나 궤도가 매년 한 번씩의 완전한 회전을 통해 세차 운동을 하여 항상 태양과 동일한 관계를 유지하게 되는 태양 동기 궤도일 수도 있다. 동기식 시스템은 전용 플랫폼과 센서, 발사기 및 운영 스테이션이 필요하여 복잡성을 유발한다. 원격 감지의 경우, 이러한 동기화된 위성군의 대표적인 예에는 PLANETSCOPE(DOVE라고도 함), SKYSAT, BLACKSKY 및 CARBONITE의 프로그램이 포함된다.
본 명세서에 기술된 시스템은 동기 궤도뿐만 아니라 비동기 궤도의 시스템에서 사용될 수도 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 이미징 시스템은 지구 관측 카메라 시스템의 비동기식 위성군(Asynchronous Constellation of Earth observation Camera system; ACEC)과 함께 사용될 수 있다. 이것은 CUBESAT와 같은 많은 소형 위성들의 위성군, 그리고 Space NGSO 위성 시스템, One Web, 및 Amazon의 KUIPER 시스템과 같은 저궤도(Low-Earth Orbit; LEO) 광대역 데이터 중계 위성군의 경우에 특히 그렇다. 본 명세서에 기술된 임의의 광학 시스템 또는 그 특징은 최 영완의 "비동기식 거대 위성군을 위한 마이크로 카메라 시스템의 실현 가능성에 대한 연구(Study on the feasibility of micro camera systems for asynchronous, gigantic satellite constellation)"(국제광공학회 회보 11127, Earth Observing Systems XXIV, 111270Z(2019년 9월 9일, https://doi.org/10.1117/12.2529090에서 입수 가능함))에 설명된 마이크로 광학 및 카메라 시스템의 특징 및 기타 태양을 포함할 수도 있는데, 그 전체 내용은 인용에 의해 전체적으로 본 명세서에 포함된다.
비동기식 위성군은 임무가 계획되어 있지만 추가 페이로드를 호스팅할 수 있는 임의의 활용 가능한 플랫폼에 탑재된 카메라 시스템을 포함할 수도 있다. 그것은 동기식으로 작동되지 않을 것이며 단지 일련의 이미지들을 제공하는 것만을 유일한 목적으로 할 뿐 통합 지상 커버리지를 제공하지 않을 것이라는 점에서 명목상 위성군과 다를 수도 있다. 비동기식 위성군의 가장 큰 장점은 플랫폼을 개발하는 것, 특정 발사 시스템을 필요로 하는 것, 및 고정 비용이 많이 들 수 있는 전용 지상 관제 시스템을 운용하는 것을 위한 비용, 시간 및 노력을 방지하거나 최소화한다는 것이다. 비동기식 위성군 이미징을 위해 LEO 광대역 데이터 중계 위성을 활용하는 것의 장점은 광범위한 데이터 대역폭이다. CUBESAT, 또는 전용 이미징 또는 기타 임무가 있는 다른 플랫폼은 감소된 데이터 대역폭으로 어려움을 겪을 수도 있다. 데이터 대역폭 문제가 없으므로, LEO 데이터 중계 위성을 사용한 비동기식 위성군은 위성이 영화 또는 기타 콘텐츠를 스트리밍할 때 전용 채널에서 이미지 데이터를 스트리밍할 수 있으므로 사용자가 이미지 데이터를 선택적으로 수신, 기록 및 처리할 수 있다.
이를 위해서는, 치수상의 장점이 있고 임의의 활용 가능한 공간에 수용될 수 있는 훨씬 더 작거나 초소형인 카메라 시스템이 필요하다. 최근의 소형 카메라 개발은 치수상의 장점에만 초점을 맞추므로 그러한 개발은 설계가 쉽거나 개발이 단순하거나 또는 구축 비용이 저렴한 광학 설계에 의존한다. 그러나, 이러한 접근 방식은 합리적으로 보일 수 있지만 광학 해상도와 같은 성능 저하로 인해 심각한 임무에 이러한 카메라를 활용하는 데 제한 또는 제약이 있을 수도 있다.
본 명세서에 기술된 이미징 시스템의 광학 시스템(100) 및 다른 실시예는 위성군 운용에 사용될 수 있으며, 물리적 차원이 미소할 뿐만 아니라 성능이 향상될 수도 있다. 소형 폼 팩터의 4-반사경 망원경을 위한 시스템 및 방법이 기술되어 있다.
본 명세서에 기술된 실시예는 이미 계획된 위성 플랫폼에 2차 페이로드 또는 추가 시스템으로서 탑재될 수도 있다. 일부 실시예에서, 이미징 시스템은 항성 센서 또는 추적기 규모의 크기를 가질 수도 있다. 이미징 시스템은 경량일 수도 있다. 이미징 시스템은 전력 소비를 최소화할 수도 있다. 이미징 시스템 및 플랫폼에 대한 그것의 인터페이스는 단순하여 쉽게 설치 및 작동될 수도 있다. 이미징 시스템은 그것의 사양으로 설명될 수 있는 적절한 이미징이 가능할 수도 있다. 이미징 시스템은 적절한 MTF 값을 가질 수도 있다. 이미징 시스템은 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐서 작동하도록 설계될 수 있으며, 기준 세트로서 팬크로매틱, 적색, 녹색, 청색 및 근적외선이 있는 스펙트럼 범위에 걸쳐서 다수의 채널을 갖추고 있을 수도 있다. 이미징 시스템은 광시야(large field of view)가 가능할 수도 있다.
이러한 카메라 시스템의 경우, 중요한 요건은 왜곡 특성이다. 더 높은 해상도를 위해 더 긴 유효 초점 거리를 가진 작은 f-수 및 작은 개구의 카메라 시스템은 지상에서의 추가 처리를 위해 적절한 신호 대 잡음비(SNR)를 달성하기 위해 시간 지연 적분(TDI) 센서가 필요할 수도 있다. 광학 설계로 인한 왜곡은 카메라 시스템에 스미어(smear)를 유발할 수 있다. TDI 이미징에 대한 이미지 품질의 심각한 저하를 방지하려면, 시스템에 의해 유도되는 왜곡이 전체 시야(FOV)에 걸쳐서 최소화되어야 한다.
본 명세서에 기술된 광학 이미징 시스템은 반사성 또는 반사경 시스템을 기반으로 하며, 이는 작은 형태의 저렴한 시스템에서는 이례적일 수도 있다. CAN- 또는 NANO-SAT용의 일반적인 카메라는 디자인 단순성과 비용 절감을 위해 반사 굴절 설계(cata-dioptric design)를 기반으로 한다. 예는 PLANETSCOPE(DOVE라고도 함), SKYSAT, BLACKSKY 및 CARBONITE가 있다.
SKYSAT 카메라의 디자인은 두 개의 반사경(1차 및 2차)과 적은 수의 렌즈가 있는 리치-카세그레인식(Ritchey-Cassegrain) 망원경을 기반으로 한다. 이것은 간편한 제조, 원가 절감, 간단한 정렬/조립 로직으로 유명하다. 또한, 이것은 COTS 프레임 CMOS 센서를 활용했다. CARBONITE 카메라는 상용 기성품 천문 망원경의 한 예로서, 우주 환경에 맞게 수정되었으며 컬러 비디오 이미징을 위한 상용 CMOS 센서가 장착되어 있다. 상업용 망원경을 활용하는 것은 개발 또는 제조 노력을 줄일 수 있고 비용을 크게 절감할 수 있으며 운영 관리를 효율적으로 할 수 있다는 점에서 현명한 움직임인 것으로 보였다. 전 과정이 지구 관측 위성들의 위성군의 구현에 적합하게 개발되었다.
이러한 접근 방식과는 달리, 카메라에 대해 본 명세서에 기술된 광학 시스템 실시예는 4-반사경 시스템인 반사 설계에 기반한다. 본 명세서에 기술된 광학 시스템은 커버할 스펙트럼 범위에 제한이 없을 수도 있다. 본 시스템에는 다중 스펙트럼 이미징에 불가피할 수 있는 색수차가 없을 수도 있다. 본 시스템은 다중 반사경 시스템의 자유도로 인해 높은 설계 유연성을 가질 수도 있다. 본 시스템은 반사경 경량화에 의해 질량이 감소할 수도 있다. 본 시스템은 소형 폼 팩터를 가질 수도 있다.
도 1a는 광경로 라인을 나타내는 제 1 광학 시스템(100)의 광학 레이아웃(optical layout)의 개략적인 사시도이다. 도 1b는 명확성을 위해 광경로 라인이 도시되지 않은 광학 시스템(100)의 개략적인 사시도이다. 광경로 라인은 다중 스펙트럼 대역을 나타낼 수도 있다. 도 1c를 참조하면, 광경로 라인을 나타내는 제 2 광학 시스템(150)의 광학 레이아웃의 사시도가 도시되어 있다. 도 1d는 명확성을 위해 광경로 라인이 없는 광학 시스템(150)을 도시한다.
광학 시스템(100, 150)의 처음 2개의 반사경, 도 1a 및 도 1b의 주반사경(104) 및 2차 반사경(105)과, 도 1c 및 도 1d의 주반사경(154) 및 2차 반사경(155)은 그것이 유효 초점 거리 또는 해상도를 결정할 수 있도록 시스템의 배율을 담당한다. 본 명세서에 사용된 "유효 초점 거리(effective focal length)"는 통상적이고 관례적인 의미를 가지며, 광학 반사경의 주 평면으로부터 이미징 평면(118, 168)까지의 거리를 제한 없이 포함한다. 광학 시스템(100)의 입사 동공(124)(도 1a 및 도 1b에 도시됨) 및 광학 시스템(150)의 입사 동공(174)(도 1c 및 도 1d에 도시됨)은 각각의 시스템을 통한 광량을 제어하며, 각각의 주반사경에 위치될 수도 있다. 입사 동공은 광학 시스템의 전방(물체 쪽)을 통해 바라본 물리적 개구 조리개의 광학 이미지일 수도 있다. 광학 시스템의 후방을 통해 바라본 개구의 대응 이미지는 사출 동공이라고 한다.
주반사경(104, 154)은 반사경 구조체를 지지하기 위해 반경 방향으로 연장되는 빔(103)을 갖는 구조적 지지체(102)에 의해 지지될 수도 있다. 구조체(102) 및 빔(103)은 접합 및 열적 환경 변화에 의해 유도될 수 있는 주반사경 표면 상의 왜곡을 최소화할 수도 있다. 또한, 이것은 발사 중에 카메라가 겪을 수 있는 무작위 진동과 충격으로부터 주반사경을 보호할 수도 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 임의의 광학 시스템에 대한 다양한 반사경 및 지지 구조체는 알루미늄, 세라믹, 설계된 복합 재료(deigned composite material), 다른 적합한 재료, 또는 이들의 조합으로 형성될 수도 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 구조체 및/또는 하나 이상의 반사경은 적층 제조 기술로도 알려진 3D 프린팅 기술로 제조될 수 있다. 예컨대, 반사경과 지지 구조체는 모두 하나의 모놀리스 부품으로서 적층 제조될 수도 있다.
도 1a 및 도 1b의 3차 반사경(113)과 도 1c 및 도 1d의 3차 반사경(163)은 시야(FOV)를 넓히는 데 기여하고, 대응하는 잔존 광학 수차(residual optical aberration)를 보정한다. 3차 반사경(113, 163)은 제조의 용이성을 위해 광축을 포함하지 않을 수 있으며, 2개 이상의 3차 반사경이 하나의 베이스 부품으로 제조될 수도 있다. 도 1a 및 도 1b의 4차 반사경(114)과 도 1c 및 도 1d의 4차 반사경(164)은 왜곡을 최소화하고 후초점 거리를 제어할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "후초점 거리(back focal length)"는 통상적이고 관례적인 의미를 가지며, 광학 반사경의 마지막 표면과 그 이미지 평면 사이의 거리를 제한 없이 포함한다. 광학 시스템(100, 150)의 시야는 광선이 각각의 4차 반사경 및 각각의 주반사경의 중심 개구와 간섭하지 않도록 설계된다. 4차 반사경(114, 164)은 각각의 광을 광경로를 따라 이미징 평면(118, 168)으로 반사시킨다.
도 1d는 제 2 광학 시스템(150)을 도시하지만 명확성을 위해 광경로 라인을 나타내지는 않는다. 도 1b의 개구 또는 중앙 구멍(110) 및 도 1d의 개구 또는 중앙 구멍(160)의 직경은 주반사경의 사용 영역을 최대화하기 위해 최소화되고, 일부 실시예에서는 대응하는 2차 반사경(105, 155)보다 크지 않다. 도 1b의 중심 구멍(110) 및 도 1d의 중심 구멍(160)의 직경은 중심 구멍(110, 160)을 통과하는 광선과 간섭하지 않을 정도로 충분히 크게 설계될 수도 있다.
주반사경(104, 154) 및/또는 2차 반사경(105, 155)은 각각의 광축에 대해 대칭이거나 주기적일 수도 있다. 도 1e 및 도 1f는 주기적 반사경 및 이미지 평면 각각에 대한 대각선을 나타내는 개략도이다. 주기적 반사경의 대각선은 이미지 평면의 대각선으로부터 0도 또는 45도의 각도를 가질 수도 있다. 3차 반사경의 광축은 기계적 축과 일치하지 않을 수도 있다.
도 1g 및 도 1h는 각각 주기적 주반사경(174, 194)을 갖는 광학 시스템(170, 190)의 예시적인 실시예를 도시한다. 광학 시스템(170, 190)은 각각 2차 반사경(175, 195), 3차 반사경(173, 193), 4차 반사경(184, 198) 및 이미징 평면(189, 199)을 더 포함한다. 광학 시스템(170, 190)은 광학 시스템(100 또는 150)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있다.
광학 시스템(100, 150)은 본 명세서에 기술된 광학 시스템의 다른 실시예와 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 예컨대, 광학 시스템(100, 150)은 광학 시스템(210, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1430, 1460)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 예컨대, 본 명세서에 기술된 임의의 광학 시스템에 대해, 주반사경은 오목할 수 있으며 중심 개구를 가질 수도 있다.
주반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면을 가질 수도 있다. 본 명세서에 사용된 "포물면(parabolic surface)"은 통상적이고 관례적인 의미를 가지며, 광 에너지를 수집하는 데 사용되며 원형 포물면, 즉 축을 중심으로 회전하는 포물선에 의해 생성된 표면의 일부인 형상을 가질 수도 있는 반사면을 제한 없이 포함한다. 본 명세서에 사용된 "비포물형 원추면(non-parabolic conical surface)"은 통상적이고 관례적인 의미를 가지며, 그 축을 중심으로 회전된 곡선을 제한 없이 포함하는데, 여기에서 그 곡선은 포물선 이외의 평면과 원추의 표면과의 교점에 의해 얻어진다. 예컨대, "비포물형 원추면"은 쌍곡선, 타원형 또는 원형일 수도 있다. 본 명세서에 사용된 "비구면(aspherical surface)"은 통상적이고 관례적인 의미를 가지며, 구형이 아닌 표면을 제한 없이 포함한다. 일부 실시예에서, 구면 수차를 감소시키기 위해 구면이 약간 변형될 수도 있다.
2차 반사경은 볼록할 수 있으며, 주반사경과 대면할 수도 있다. 2차 반사경은 비구면을 가질 수도 있다. 3차 반사경은 오목할 수 있으며, 주반사경 뒤에 배열될 수도 있다. "뒤에"란 단어는 입사광을 2차 반사경으로 반사시키는 주반사경의 측과 반대쪽에 있는 주반사경의 측을 나타낼 수도 있다. 3차 반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면을 가질 수도 있다. 4차 반사경은 오목할 수 있으며, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이, 주반사경의 중심 개구 내에, 주반사경 앞에, 또는 주반사경 뒤에 배열될 수도 있다. 4차 반사경은 구면, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가질 수도 있다.
하나 이상의 집합형 센서를 갖는 적어도 하나의 이미지 평면이 있을 수 있으며, 여기에서 이미지 평면은 광축으로부터 특정 거리에 위치된다. 광축은 주반사경과 2차 반사경의 정점들 사이에서 연장되는 기하학적 기준선으로 정의될 수도 있다. 주어진 반사경의 정점은 주축(principal axis)이 반사경과 만나는 반사경 표면 상의 지점일 수도 있다.
광학 시스템(100)은 더 큰 주반사경(104)을 가질 수 있고 따라서 광학 시스템(150)의 주반사경(154)에 비해 더 높은 해상도를 가질 수도 있다. 광학 시스템(100)의 해상도는 500km 고도에서 1m보다 더 우수할 수도 있다. 광학 시스템(150)은 500km 고도에서 2m보다 우수한 해상도를 가질 수도 있다. 광학 시스템(150)은 광학 시스템(100)보다 더 넓은 시야(FOV)를 가질 수도 있다. 광학 시스템(100)은 광학 시스템(150)에 비해 더 좁은 시야(FOV)를 가질 수도 있다. 광학 시스템(100)은 200mm(W) × 200mm(H) × 250mm(L)의 체적 치수를 가질 수도 있다. 광학 시스템(150)은 100mm(W) × 100mm(H) × 150mm(L)의 체적 치수를 가질 수도 있다. 광학 시스템(150)은 광학 시스템(100)보다 무게가 더 가벼울 수도 있다. 광학 시스템(100, 150)은 둘 다 고해상도 이미징을 위한 적절한 MTF를 가질 수도 있다.
두 광학 시스템(100, 150)은 유사한 반사경 유형 및 광경로를 가질 수도 있다. 그러나 각자의 목적과 임무는 다를 수도 있다. 광학 시스템(100)의 목적은 지구의 표면을 매핑하고 지리 공간 데이터를 획득하는 것일 수도 있다. 광학 시스템(150)의 목적은 원격 감지 및 환경 모니터링을 위한 것일 수도 있다.
일부 실시예에서, 광학 시스템(100, 150)은 궤도 시스템 및/또는 이미징 시스템에 대한 다양한 파라미터를 얻을 수도 있다. 광학 시스템(100, 150)으로 얻을 수 있는 예시적인 파라미터가 표 1에 기술되어 있다. 예컨대, 설계 궤도는 500km로 설정될 수 있고, 스펙트럼 대역은 팬크로매틱 대역 등을 제외하고 대형 위성 및 과학 위성 이미징과 호환되도록 설계될 수도 있다. 팬크로매틱 대역(PAN band)은 적색 경계(red-edge)까지 포함하도록 설계될 수 있어서, 대역의 변조 전달 함수(MTF)를 향상시킬 수 있으며, 이는 작은 개구 크기로 인해 불가피할 수도 있다.
Figure pct00001
표 1
도 2a는 위성 내의 광학 시스템(210)에 대한 예시적인 페이로드 시스템(200) 구성의 블록도이다. 광학 시스템(210)은 개략적인 형태로 도시되어 있다. 광학 시스템(210)은 중심 개구(212)를 갖는 오목 주반사경(204)을 포함한다. 주반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가질 수도 있다. 더 작은 볼록 2차 반사경(205)은 주반사경(204)과 대면하고, 비구면을 갖는다. 2차 반사경은 비구면을 가질 수도 있다. 오목 3차 반사경(213)은 주반사경(204) 뒤에 배열된다. 3차 반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가질 수도 있다. 오목 4차 반사경(214)은 주반사경(204)의 중심 개구(212) 약간 뒤에 배열되며, 여기에서 4차 반사경은 구면, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가질 수 있다. 주반사경(204), 3차 반사경(213) 및 4차 반사경(214)은 각각 양의 배율 또는 초점 거리를 가지며, 2차 반사경은 음의 배율을 갖는다. "뒤에"는 위에서 설명한 대로 정의될 수도 있다. "뒤에"는 또한, 도 2a에서 우측으로 향한 방향을 지칭할 수 있으며, 따라서 주반사경(204)의 "뒤에"는 도면에서 방향 설정되어 있는 바와 같이 주반사경(204)의 우측에를 의미할 수 있다.
빛을 전기 신호로 변환하는 최대 'n'개의 집합형 센서를 갖는 이미지 센서(216)는 주반사경(204) 뒤에 위치된다. 특정 실시예에서, 이미지 센서(216)는 인터페이스(218)를 통해 위성의 제어 및 처리 전자 기기 부분(220)에 디지털 데이터의 32개 서브-LVDS(저 전압 차동 신호) 채널의 출력 포맷을 전달할 수도 있다. 다른 실시예에서, 다른 출력 포맷이 사용된다. 센서(216)는 적외선, 가시광선 및 기타 배열형 센서(arrayed sensor)에 사용되는 판독 집적 회로(readout integrated circuit; ROIC)를 포함한다. ROIC에서 지원하는 기능은 이미지 신호의 처리 및 성형을 포함하며, 단위 셀 전치 증폭기(unit cell preamplifier)를 포함할 수도 있다. 인터페이스(218)는 또한, 제어 및 처리 전자 기기(220)로부터의 제어 신호를 포함하고, 여기에서 제어 신호는 일부 실시예에서 직렬 주변 장치 인터페이스(serial peripheral interface; SPI) 및 클록 신호를 포함할 수도 있다.
특정 실시예에서, 데이터 포맷팅 및 분배 서브시스템(224)은 인터페이스(218)를 통해 데이터를 수신하고, 이어서, 머신 러닝에 의한 데이터 처리 서브시스템(226) 및 저장될 데이터 저장 및 아카이빙(archiving) 서브시스템(230)으로 데이터를 더 전송한다. 데이터 저장 및 아카이빙 서브시스템(230)으로부터의 저장된 데이터는 다양한 유형의 처리를 위해 데이터 처리 서브시스템(226)으로 직접 전송될 수 있다. 데이터 처리 서브시스템(226)으로부터의 처리된 데이터의 출력은 저장을 위해 데이터 저장 및 아카이빙 서브시스템(230)으로 직접 전송될 수 있다. 데이터 처리 서브시스템(226)으로부터의 처리된 데이터 및 데이터 저장 및 아카이빙 서브시스템(230)으로부터의 데이터의 출력은 데이터 포맷팅, 암호화 및 전송 서브시스템(228)으로 전송될 수 있다. 이미지 데이터와 같은 데이터 포맷팅, 암호화 및 전송 서브시스템(228)의 출력은 그 후 추가 분배를 위해 위성 버스(satellite BUS)로 전송되며, 추가 분배는 지구국, 중계 위성, 또는 데이터를 수신하는 다른 엔티티(entity)로의 전송을 포함할 수도 있다. 데이터 처리 서브시스템(226)은 하나 이상의 프로세서, 및 프로그램 명령용 메모리 및 데이터용 메모리 및/또는 캐시와 같은 하나 이상의 메모리를 포함할 수도 있다.
페이로드 제어 전자 기기 서브시스템(222)은 위성 버스로부터 원격 명령을 수신하고, 위성 버스에 하우스키핑 데이터(housekeeping data)를 제공한다. 페이로드 제어 전자 기기 서브시스템(222)은 이미지 센서(216) 및/또는 열 제어, 온도 데이터 및 광 포커싱 서브시스템(234)을 포함하는 페이로드 시스템(200)의 부분들에 명령을 제공한다. 열 제어, 온도 데이터 및 광 포커싱 서브시스템(234)은 열 제어 및 광 포커싱과 같은 제어 신호를 인터페이스(232)를 통해 광학 시스템(210)에 제공하고, 광학 시스템(210)으로부터 온도 데이터를 다시 수신한다.
전력 변환, 분배 및 원격 측정 서브시스템(236)은 위성 버스로부터 원격 명령을 수신하고, 위성 버스에 원격 측정 데이터를 제공한다. 전력 변환, 분배 및 원격 측정 서브시스템(236)은 또한, 예컨대 위성의 태양 전지판 또는 배터리 등으로부터 전력을 수신할 수도 있다.
CUBESAT와 같은 소형 위성용 이미징 시스템의 중요한 문제는 절대 교정(absolute calibration) 및 센서 간 교정(inter-sensor calibration)을 포함한 교정이다. 상업용 CUBESAT로부터의 대부분의 이미지는 예컨대 표준 방사율 또는 반사율 척도에서 표준 방식으로 교정되지 않는다. 따라서, 그 이미지 데이터를 MODIS 또는 LANDSAT와 같은 대형 상업용 위성 또는 과학 위성 이미징과 비교하는 것은 곤란할 수도 있다. 센서 간 교정조차도 불확실한데, 이는 주로 상용 센서의 성능이 일시적으로 불안정하거나 일관되지 않기 때문일 수도 있다.
이와 대조적으로, 광학 시스템(210) 내의 센서(216)의 집합형 센서와 같은 본 명세서에 기술된 광학 시스템을 위한 센서는 우주 용도에 맞게 개발 및 제작될 수 있으며, 이들의 일관성 및 안정성이 검증될 수 있다. 중요하게도, 본 명세서에 기술된 광학 시스템(210) 및 모든 광학 시스템은 시스템들로부터의 모든 이미지 데이터가 서로 및 또한 기준 시스템과 호환되도록 표준 프로세스에 따라 서로에 대해 교정될 수도 있다.
도 2b를 참조하면, 이미지 센서(216)를 위한 센서 회로의 예시적인 실시예가 도시된다. 이미지 센서(216)는 판독 집적 회로(ROIC)(272) 및 전하 결합 소자(CCD) 어레이(270)를 포함할 수도 있다. CCD 어레이(270)의 표면(도면의 방향에서 상단 표면)에 입사하는 광자는 전자 기기에 의해 판독될 수 있으며 그 소자에 드리워지는 광 패턴의 디지털 사본으로 변환될 수 있는 전하를 생성한다. 특정 실시예에서, 비록 5 마이크로미터(㎛)의 픽셀 크기가 바람직하지만, IMEC International로부터의 상보형 금속 산화 반도체 내 전하 결합 소자(CCD-in-CMOS) 시간 지연 적분 (TDI) 센서가 광학 시스템(210)에 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 다중 대역 CCD 어레이(270) 당 4096개 열 및 256개 스테이지의 포맷을 사용하여, 후면 조사형 센서는 TDI CCD 어레이를 5.4㎛의 피치로 CMOS 드라이버 및 판독 픽셀과 결합한다. 온칩 제어 및 시퀀서 회로가 포함될 수도 있다. 특정 실시예에서, 130MHz 클록(262)은 제어를 위한 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)와 함께 이미지 센서에 대한 입력일 수도 있다. 이미저는 SPI를 통해 접속될 수 있으며, 온칩 위상 고정 루프(on-chip PLL)를 통합하여 ROIC(272)의 일부로서 32개 서브-LVDS(저 전압 차동 신호) 채널의 출력 포맷을 전달할 수도 있다. 7-대역 버전의 회로에는 각각 4096 × 256 픽셀의 CCD 어레이 7개가 포함될 수 있다.
다른 실시예에서, 다른 센서 회로가 이미지 센서(216)에 사용될 수 있으며, 이는 다양한 크기의 어레이(270) 및 데이터 출력을 위한 다른 ROIC(272)를 가질 수도 있다. 예컨대, 이미지 센서(216)는 각각 16384 × 96 픽셀인 4개의 팬크로매틱 CCD 어레이 및 8192 × 48 픽셀의 8개의 다중 스펙트럼 CCD 어레이를 포함할 수도 있다.
빛에 노출되는 면적을 최대화하기 위해, 후면 조사 기술이 사용될 수 있다. 이는 센서 웨이퍼를 캐리어 웨이퍼에 접합하고 이것을 후면으로부터 얇게 만드는 것으로 구성된다. 이것은 금속 라인의 방해 없이 CCD 게이트를 빛에 직접 노출시킨다. 따라서, 유효 충전율은 100%에 도달한다. 후면 조사형 CMOS 이미저는 고유광 감도가 매우 높으며 (근) 자외선 및 청색광을 감지하는 데 매우 효율적이다. 선택된 스펙트럼 영역, 예컨대 UV 영역의 70% 이상 또는 가시광선 영역의 90% 이상에서 높은 양자 효율에 도달하기 위해 여러 반사 방지 코팅(antireflective coating; ARC)이 이용 가능하다.
TDI 센서를 사용하면, 이미지 품질은 플랫폼 움직임에 민감한데, 이는 이미지 스미어 MTF(image smear MTF)로 나타낼 수 있다. 광학 시스템(210)의 이미지 스미어 MTF는 0.2 픽셀의 스미어링(smearing), 128의 TDI 단계 수 및 4의 클록킹 위상(clocking phase)의 경우 0.974일 수도 있다. 이는 22 마이크로라디안/초(mrad/sec) 또는 4.54 각초/초(arcsec/sec)일 수도 있는 플랫폼의 자세 안정성 요건을 요구할 수도 있다. 자세 안정성 요건이 1 픽셀의 스미어링으로 완화되면, 스미어 MTF는 0.75가 되고 안정성은 23 arcsec/sec가 될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 전반사 광학 시스템(300)의 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 광학 시스템(300)의 광학 설계는 전통적인 3 반사경 아나스티그마트(TMA) 또는 3 반사경 코르쉬 설계와 다를 수도 있다. 코르쉬 설계는 주반사경에 대한 타원면, 2차 반사경에 대한 쌍곡면, 3차 반사경에 대한 타원면을 가질 수도 있다.
광학 시스템(300)은 중심 개구(310)를 갖는 오목 주반사경(304)을 포함하고, 주반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가질 수도 있다. 더 작은 볼록 2차 반사경(305)은 주반사경(304)과 대면하고 비구면을 갖는다. 오목 3차 반사경(313)은 주반사경(304) 뒤에 배열되며, 3차 반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가질 수도 있다. 오목 4차 반사경(314)은 주반사경(304)의 중심 개구(310) 앞에 배열되고, 4차 반사경은 구면, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가질 수도 있다. 주반사경(304), 3차 반사경(313) 및 4차 반사경(314)은 각각 양의 배율 또는 초점 거리를 갖고, 2차 반사경(305)은 음의 배율을 갖는다.
빛을 전기 신호로 변환하는 하나 이상의 집합형 센서를 갖는 이미지 평면(316)은 주반사경(304) 뒤에 위치된다. 특정 실시예에서, 이미지 평면(316)은 "광축"을 정의할 수 있는 주반사경 및 2차 반사경의 정점들을 통과하는 선 주위의 기계적 대칭에 의해 정의되는 광축으로부터의 특정 거리에 위치된다. 이 특정 거리는 주반사경의 (광축으로부터의) 물리적인 반경 이내이다. 따라서, 이미지 평면은 주반사경의 광축으로부터의 반경에 의해 정의되는 원통형 엔벨로프(envelope)를 초과하지 않을 것이다. 주반사경의 반경은 반사경의 주축으로부터 반사경의 최외곽 에지까지 수직으로 연장될 수도 있다. 주축은 반사경의 표면에 정확히 수직인 반사경의 중심을 통과하는 기하학적 기준선일 수도 있다.
광학 시스템(300)은 광축을 중심으로 대칭인 2차 반사경(305)를 사용한다. 3차 반사경(313)은 세그먼트식 비원형 형상을 가질 수 있다. 4차 반사경(314)은 원형 또는 비원형 형상을 가질 수 있다. 주반사경(304)은 원형 또는 비원형 형상을 가질 수 있으며, 후자는 변조 전달 함수(MTF) 및 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위한 것이다. 원형 형상은 광축에 대해 주기적일 수 있는 비원형 형상에 내접한다.
정사각형과 그 내접원의 예의 경우, 내접원은 전통적인 광학 시스템 설계를 위한 주반사경의 형상일 수도 있다. 내접원의 반지름이 "r"인 경우, 그러면 정사각형의 면적은 4/pi배만큼 클 것이다. 이것은 일반적으로 큰 체적이 할당된 대형 카메라의 경우 문제가 되지 않는다. 그러나 통상적으로 직육면체인 소형 위성의 경우, 정사각형 형상의 주반사경은 4/pi배만큼 더 큰 면적을 가지며 MTF 및 SNR을 높일 수도 있다.
코르쉬 및 기타 4-반사경 광학 설계는 모두 주반사경 및/또는 3차 반사경에 포물면을 사용하지 않다. 포물면을 갖는 광학 시스템(300)의 주반사경 및/또는 3차 반사경에 의해, 광학 시스템(300)은 예산 상의 제약이 있는 임무에 대해 독특하고 저렴한 솔루션을 제공할 수 있다. 포물면의 경우, 일반적인 테스트 설정이 제조를 위해 사용될 수 있거나, 또는 스티칭 측정(stitching measurement)이 가능하다. 또한, 상용 제품 라인은 특히 반사경이 300mm보다 작은 경우 포물형 반사경 제조에 사용될 수 있다. 대조적으로, 비포물형 원추면 또는 비구면은, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 또는 널링 광학 소자(nulling optics)를 포함하여, 전용 테스트 도구가 필요할 수도 있다.
포물면의 경우, 일반적인 테스트 설정이 제조를 위해 사용될 수 있거나, 또는 스티칭 측정이 가능하다. 또한, 상용 제품 라인은 특히 반사경이 300mm보다 작은 경우 포물형 반사경 제조에 사용될 수 있다.
광축을 형성하는 주반사경 및 2차 반사경(304, 305)은 이 축에 대해 대칭이거나 주기적이다. 주반사경과 2차 반사경은 서로 대면한다. 3차 반사경(313)은 주반사경(304)의 후면과 대면하며, 세그먼트식 반사경(segmented mirror)일 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "세그먼트식 반사경"은 통상적이고 관례적인 의미를 포함하며, 하나의 대형 곡면 반사경의 세그먼트로서 작용하도록 설계된 소형 반사경들의 어레이를 제한 없이 포함한다. 3차 반사경(313)의 광축은 기계적 축과 일치하지 않을 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "기계적 축(mechanical axis)"은 통상적이고 관례적인 의미를 가지며, 반사경의 중심 또는 에지에서의 법선 벡터를 제한 없이 포함할 수도 있다. 특정 실시예에서, 3차 반사경(313)은 더 큰 반사경의 세그먼트이다. 이러한 실시예에서, 3차 반사경(313)에 대한 광축은 더 큰 반사경의 광축을 지칭할 수 있고 기계적 축은 세그먼트식 반사경의 축을 지칭할 수도 있다. 4차 반사경(314)은 3차 반사경(313)과 대면하며, 2차 반사경(305)으로부터 3차 반사경(313)으로 향하는 광선과의 간섭을 피하도록 위치된다.
반사경들의 계량 및 지지 구조체는, 도 14a 내지 도 14d와 관련하여 도시되고 기술된 것과 같은, 주반사경(304)의 원통형 튜브 또는 원추형 배플일 수도 있다. 원통형 엔벨로프는 주반사경과 2차 반사경 사이의 광축에 대해 이미징 평면이 위치되는 특정 거리를 제한하기 위해 원통형 구조체와 동일 범위 내에 있을 수도 있다. 예컨대, 이미징 평면의 위치는 원통형 구조체의 반경에 의해 반경방향으로 제한될 수도 있다.
광선은 최초로 주반사경(304), 그 다음 2차 반사경(305), 세 번째로 3차 반사경(313), 그리고 마지막으로 4차 반사경(314)에 충돌하고 그에 의해 반사되어 이미지 평면(316)에 도달하게 된다. 이미지 평면(316)은 일정 순서에 따라 집합될 수 있는 하나 이상의 센서를 포함한다. 광학 시스템(300)의 입사 동공은 주반사경 또는 2차 반사경(304, 305) 근처에 위치될 수 있다. 주반사경(304)의 정점 주위에 중간 초점이 형성되고, 주반사경(304)과 2차 반사경(305) 사이, 또는 주반사경(304)과 3차 반사경(313) 사이에 위치된다. 사출 동공 또는 리오 조리개는 4차 반사경(314) 근처, 3차 반사경(313)과 4차 반사경(314) 사이, 또는 4차 반사경(314)과 이미지 평면(316) 사이에 위치될 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "리오 조리개(Lyot stop)"는 통상적이고 관례적인 의미를 가지며, 광학 시스템의 다른 조리개 및 배플의 회절에 의해 야기될 수 있는 광반(flare)의 양을 감소시키는 광학 조리개를 제한 없이 포함한다. 리오 조리개는 시스템의 입사 동공의 이미지에 위치될 수 있으며 동공 이미지보다 약간 작은 직경을 가질 수도 있다.
광학 시스템(300)은 소형 폼 팩터를 갖는다. 폼 팩터는 1) 2차 반사경(305)과 3차 반사경(313) 사이의 거리 대 2) 광학 시스템(300)의 유효 초점 거리의 비율로 정의된다. 광학 시스템(300)은 0.2 미만의 폼 팩터, 및 일부 실시예에서는 0.09의 폼 팩터를 갖는다. 폼 팩터는 약 0.09에서 0.2까지, 약 0.04에서 0.25 미만까지일 수도 있다. 폼 팩터는 0.25 미만일 수도 있다. 폼 팩터는 하기의 값 또는 대략 하기의 값을 가질 수도 있다: 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 또는 0.25. 폼 팩터는 0.04 미만, 0.05 미만, 0.06 미만, 0.07 미만, 0.08 미만, 0.09 미만, .010 미만, 0.11 미만, 0.12 미만, 0.13 미만, 0.14 미만, 0.15 미만, 0.16 미만, 0.17 미만, 0.18 미만, 0.19 미만, 0.20 미만, 0.21 미만, 0.22 미만, 0.23 미만, 0.24 미만, 또는 0.25 미만일 수도 있다.
소형 폼 팩터에 추가하여, 광학 시스템(300)은 3차 반사경(313)으로부터 이미지 평면(316)까지 훨씬 더 짧은 물리적 거리를 갖는다는 점에서 종래 기술에 비해 장점이 있다. 종래 기술은 3차 반사경과 이미지 평면 사이의 거리가 상당히 길어서, 제한된 치수에 맞추기 위해 하나 이상의 접이식 반사경을 요구한다. 이러한 구성은 광학 정렬의 어려움, 작동 중 열적 불안정성을 초래할 수 있으며, 이는 결국 성능 저하로 이어질 수도 있다. 광학 시스템(300)은 소형 폼 팩터 및 3차 반사경(313)과 이미지 평면(316) 사이의 짧은 거리 때문에 불필요한 접이식 반사경을 제거하고, 정렬 및 조립 및 작동 안정성을 단순화한다.
광학 시스템은 제로(0)-열팽창 계수(CTE) 재료(예컨대 Zerodur, 용융 실리카(Fused Silica), Suprasil, Astrostiall 등), 저 CTE 재료(예컨대 BOROFLOAT, Pyrex 등과 같은 붕규산 유리), 및 중간 정도의 CTE 재료(예컨대 NBK7과 같은 크라운 유리)로 된 반사경을 갖도록 설계될 수 있다.
CTE 매칭을 위해, 광학 시스템에 대해 반사경과 구조체 재료들의 특정 조합이 사용된다. 초인바(Super-invar), 인바(invar), 또는 설계된 복합 재료가 제로(0)-CTE 반사경 재료에 사용될 수 있다. 인바, 코바(Kovar), 세라믹, 또는 설계된 복합 재료가 저 CTE 반사경 재료에 사용될 수 있다. 티타늄, 세라믹 또는 설계된 복합 재료가 중간 정도의 CTE 반사경 재료에 사용될 수 있다.
모놀리스 구조체는 궁극적인 솔루션으로 광학 시스템에 사용될 수 있다. 반사경과 구조체는 알루미늄, 세라믹, 설계된 복합 재료를 포함한 하나의 재료로 제조될 수 있는데, 이 목록에 한정되지 않는다.
도 4를 참조하면, 전반사 광학 시스템(400)의 다른 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 광학 시스템(400)은 주반사경(404), 2차 반사경(405), 3차 반사경(413), 4차 반사경(414) 및 이미지 평면(416)을 포함한다. 주반사경(404), 2차 반사경(405), 3차 반사경(413), 4차 반사경(414) 및 이미지 평면(416)은 각각 광학 시스템(300)의 주반사경(304), 2차 반사경(305), 3차 반사경(313), 4차 반사경(314) 및 이미지 평면(316)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
그러나, 광학 시스템(400)에서, 4차 반사경(414)은 주반사경(404) 뒤에 위치되지만 주반사경(404)의 개구(410)에 가깝다. 3차 반사경(413)은 광학 시스템(300)에서보다 광학 시스템(400)에서 더욱 주반사경(404) 뒤에 위치된다. 특정 실시예에서, 3차 반사경(413)은 주반사경(404)의 직경의 20% 내지 60%, 30% 내지 50%, 또는 35% 내지 45%의 범위인 주반사경(404) 뒤의 거리에 위치될 수도 있다. 도 3의 광학 시스템(300)의 주반사경(404)은 질량 중심이 주반사경(304)에 더욱 가깝고 시스템의 크로스토크 관성 모멘트(crosstalk moment of inertia; MOI)가 감소될 수 있도록 3차 반사경(313)과 일체로 제작될 수 있다. 도 4의 광학 시스템(400)은 유효 초점 거리 및 시야와 관련하여 광학 시스템(300)과 상이하다. 광학 시스템(400)의 구성의 장점은 4차 반사경(414)을 주반사경(404)에 더 가깝게 배치하면 4차 반사경(414)에 리오 조리개를 설정하는 것이 더 쉬울 수 있고 주반사경의 중앙 구멍 또는 개구(410)의 크기가 최소화될 수 있는 것이다.
도 5를 참조하면, 전반사 광학 시스템(500)의 다른 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 광학 시스템(500)은 주반사경(504), 2차 반사경(505), 3차 반사경(513), 4차 반사경(514) 및 이미지 평면(516)을 포함한다. 주반사경(504), 2차 반사경(505), 3차 반사경(513), 4차 반사경(514) 및 이미지 평면(516)은 각각 광학 시스템(300)의 주반사경(304), 2차 반사경(305), 3차 반사경(313), 4차 반사경(314) 및 이미지 평면(316)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
그러나, 광학 시스템(500)에서, 4차 반사경(514)은 광학 시스템(400)의 4차 반사경(414)와 주반사경(404) 사이의 거리(도 4 참조)보다 긴 거리만큼 주반사경(504) 뒤에 위치된다. 또한, 광학 시스템(500)에서, 3차 반사경(513)은 광학 시스템(400)의 각각의 대응하는 반사경들의 거리보다 긴 거리만큼 주반사경(504) 뒤에 위치된다. 특정 실시예에서, 3차 반사경(513)은 주반사경(504)의 직경의 45% 내지 55%의 범위인 거리만큼 주반사경(504) 뒤에 위치될 수도 있다. 광학 시스템(500)은 예컨대 특정 실시예에서 4 마이크로미터 미만의 픽셀 크기를 갖는 훨씬 더 작은 픽셀 센서를 위해 설계될 수도 있다. 광학 시스템(500)은 유효 초점 거리 및 시야와 관련하여 광학 시스템(300)과 상이할 수도 있다. 일부 실시예에서, 광학 시스템(500)은 광학 시스템(300)에 비해 더 짧은 유효 초점 거리 및 더 넓은 시야를 가질 수 있으며, 이는 시스템(500)이 더 작은 픽셀 크기를 갖는 센서를 포함하는 것을 허용할 수도 있다. 이것은 주반사경(604)의 개구(610)에 상대적으로 더 가까울 수도 있다. 3차 반사경(613)은 광학 시스템(400)에서와 같이 주반사경(604) 뒤에 유사하게 위치된다. 추가된 접이식 반사경(615)은 4차 반사경(614)으로부터 광선을 수신하고, 접이식 반사경(615) 위에 위치된 이미지 평면(616)으로 광선을 반사시킨다. 특정 실시예에서, 이미지 평면(616)은 광축 위에 광축에 평행하게 위치된다.
광학 시스템의 일부 실시예는 접이식 반사경(615)을 사용하여 4차 반사경(614)과 이미지 평면(616) 사이에 더 긴 시스템 광경로 길이를 가질 수도 있다. 이미지 평면(616)이 3차 반사경(613) 뒤에 있으면, 시스템 광경로 길이는 2차 반사경(605)과 이미지 평면(616) 사이의 거리이다. 접이식 반사경(615)을 사용하는 경우, 시스템 광경로 길이는 2차 반사경(605)과 3차 반사경(613) 사이의 거리이다. 이미지 평면(616)은 초점 거리 및 시야의 요건을 만족하도록 위치될 수도 있다. 광학 시스템(600)의 구성은 컴팩트한 디자인을 제공할 수도 있다. 또 다른 장점은 시스템(600)이 센서 냉각기 및 그 냉각기를 위한 방열판의 보다 용이한 설치를 허용할 수 있다는 것이다. 또한, 광학 시스템(600)에서, 이미지 평면용 센서는 주반사경 지지 구조체에 더 가깝게 위치될 수 있고 그 센서는 더 안정적인 방식으로 유지될 수 있다.
도 7을 참조하면, 접이식 반사경(715)을 갖는 전반사 광학 시스템(700)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 광학 시스템(700)은 광학 시스템(600)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 광학 시스템(700)은 주반사경(704), 2차 반사경(705), 3차 반사경(713), 4차 반사경(714) 및 이미지 평면(716)을 포함하는데, 이들은 각각 광학 시스템(600)의 주반사경(604), 2차 반사경(605), 3차 반사경(613), 4차 반사경(614) 및 이미지 평면(616)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 4차 반사경(714)은 광학 시스템(600)에서와 같이 주반사경(704) 뒤에 있지만, 주반사경(704)의 개구(710)에 가깝다. 3차 반사경(713)은 광학 시스템(600)에서와 같이 주반사경(704) 뒤에 유사하게 위치된다. 접이식 반사경(715)은 4차 반사경(714)으로부터 광선을 수신하고, 접이식 반사경(715) 아래에 위치된 이미지 평면(716)으로 광선을 반사시킨다. 특정 실시예에서, 이미지 평면(716)은 광축 아래에 광축에 평행하게 위치된다. 광학 시스템(700)의 구성의 장점은 접이식 반사경(715)을 포함한 반사경들의 구성이 보다 컴팩트한 디자인으로 이어진다는 것이다. 또 다른 장점은 광학 시스템(700)이 이미지 평면용 센서를 더 큰 패키지에 사용할 수 있다는 것이다. CMOS 센서 또는 ROIC가 있는 센서는 판독 노이즈, 크로스토크, 및 블루밍(blooming)을 최소화하는 데 도움이 될 수 있는 더 많은 회로 또는 구성요소를 수용할 수 있도록 더 큰 패키지를 갖는 경향이 있다.
도 8을 참조하면, 접이식 반사경(815)을 갖는 전반사 광학 시스템(800)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 광학 시스템(800)은 광학 시스템(700)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 광학 시스템(800)은 주반사경(804), 2차 반사경(805), 3차 반사경(813), 4차 반사경(814) 및 이미지 평면(816)을 포함하는데, 이들은 각각 광학 시스템(700)의 주반사경(704), 2차 반사경(705), 3차 반사경(713), 4차 반사경(714) 및 이미지 평면(716)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 그러나, 이미지 평면(816)은 이미지 평면(716)이 자신의 광축에 가까운 것보다 광축에 더 가깝다. 4차 반사경(814)은 주반사경(804) 뒤에 있지만, 광학 시스템(700)의 각각의 대응하는 구성요소보다 더 주반사경(804) 뒤에 있다. 3차 반사경(813)은 광학 시스템(700)에서보다 더 주반사경(804) 뒤에 위치된다. 접이식 반사경(815)은 4차 반사경(814)으로부터 광선을 수신하고, 접이식 반사경(815) 아래에 위치된 이미지 평면(816)으로 광선을 반사시킨다. 특정 실시예에서, 이미지 평면(816)은 광축 아래에 광축에 평행하게 위치된다. 광학 시스템(800)은 일반적으로 상업용 또는 MIL-STD(미국방성 내구성 테스트)인 더 작은 픽셀 센서용으로 설계되었다. 광학 시스템(800)의 장점은 상업용 또는 MIL-STD 센서를 포함하는 최신 센서를 활용할 수 있다는 것이다.
도 9를 참조하면, 접이식 반사경(915)을 갖는 전반사 광학 시스템(900)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 광학 시스템(900)은 광학 시스템(800)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있다. 광학 시스템(900)은 주반사경(904), 2차 반사경(905), 3차 반사경(913), 4차 반사경(914) 및 이미지 평면(916)을 포함하는데, 이들은 각각 광학 시스템(800)의 주반사경(804), 2차 반사경(805), 3차 반사경(813), 4차 반사경(814) 및 이미지 평면(816)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
그러나, 광학 시스템(900)에서, 이미지 평면(916)은 이미지 평면(816)이 자신의 광축에 가까운 것보다 광축에 더 가깝다. 4차 반사경(914)은 광학 시스템(800)의 경우와 유사한 거리에 주반사경(904) 뒤에 있다. 3차 반사경(913)은 광학 시스템(800)의 경우와 유사한 거리에 주반사경(904) 뒤에 위치된다. 접이식 반사경(915)은 4차 반사경(914)으로부터 광선을 수신하고, 접이식 반사경(915) 위에 위치된 이미지 평면(916)으로 광선을 반사시킨다. 특정 실시예에서, 이미지 평면(916)은 광축 위에 광축에 평행하게 위치된다. 광학 시스템(900)의 장점은 이미지 평면의 센서가 진동에 대해 더 안정적일 수 있으며 라디에이터가 있는 냉각기가 다른 광학 시스템 구성보다 더 쉬운 방식으로 설치될 수 있다는 것이다.
도 10을 참조하면, 다중 이미지 평면 및 접이식 반사경(1015)을 갖는 전반사 광학 시스템(1000)의 실시예가 도시되어 있다. 광학 시스템(1000)은 광학 시스템(600)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있다. 광학 시스템(1000)은 주반사경(1004), 2차 반사경(1005), 3차 반사경(1013), 4차 반사경(1014) 및 제 1 이미지 평면(1016)을 포함하는데, 이들은 각각 광학 시스템(600)의 주반사경(604), 2차 반사경(605), 3차 반사경(613), 4차 반사경(614) 및 이미지 평면(616)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 제 1 이미지 평면(1016)은 이미지 평면(616)이 자신의 광축에 대해 있는 것과 유사한 광축에 대한 거리에 있다. 그러나, 광학 시스템(1000)은 제 1 이미지 평면(1016)과 유사한 제 2 이미지 평면(1016')을 갖는다. 제 1 이미지 평면(1016)은 제 1 스펙트럼 범위에 전용될 수 있고 제 2 이미지 평면(1016')은 제 2 스펙트럼 범위에 전용될 수 있다.
4차 반사경(1014)은 주반사경(1004) 뒤에 있고, 광학 시스템(600)의 각각의 대응하는 구성요소에서와 유사한 거리에서 주반사경(1004)의 개구(1010)에 가깝다. 3차 반사경(1013)은 광학 시스템(600)의 각각의 대응하는 구성요소에서와 유사한 거리로 주반사경(1004) 뒤에 위치된다. 접이식 반사경(1015)은 4차 반사경(1014)으로부터 광선을 수신하고, 접이식 반사경(1015) 위에 위치된 제 1 이미지 평면(1016)으로 특정 스펙트럼 범위 내의 광선의 일부를 반사시킨다. 접이식 반사경(1015)은 반사되는 범위와 다른 제 2 범위 내의 광선에 대해 투과성일 수도 있다. 광학 시스템(1000)은 접이식 반사경(1015)이 제 1 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 제 2 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성인 것에 의해 동시 다색 이미징을 가능케 한다. 특정 실시예에서, 제 1 이미지 평면(1016)은 광축 위에 광축에 평행하게 위치되고, 제 2 이미지 평면(1016')은 제 1 이미지 평면(1016)과 광축의 반대측에서 광축 아래에 광축에 수직으로 위치된다. 광학 시스템(1000)의 장점은 접이식 반사경과 다중 이미징 평면의 특성으로 인해 다색 이미징을 수행할 수 있다는 것이다.
도 11을 참조하면, 다중 이미지 평면 및 접이식 반사경(1115)을 갖는 전반사 광학 시스템(1100)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 광학 시스템(1100)은 광학 시스템(1000)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있다. 광학 시스템(1100)은 주반사경(1104), 2차 반사경(1105), 3차 반사경(1113), 4차 반사경(1114), 접이식 반사경(1115) 및 제 1 이미지 평면(1116)을 포함하는데, 이들은 각각 광학 시스템(1000)의 주반사경(1004), 2차 반사경(1005), 3차 반사경(1013), 4차 반사경(1014), 접이식 반사경(1015) 및 제 1 이미지 평면(1016)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 그러나, 광학 시스템(1100)에서, 제 1 이미지 평면(1116)은 제 1 이미지 평면(1016)이 자신의 광축에 대해 있는 것보다 더 먼 광축에 대한 거리에 위치된다. 광학 시스템(1100)은 제 1 이미지 평면(1116)과 유사한 제 2 이미지 평면(1116')을 갖는다. 제 1 이미지 평면(1116)은 제 1 스펙트럼 범위에 전용될 수 있고 제 2 이미지 평면(1116')은 제 2 스펙트럼 범위에 전용될 수 있다.
4차 반사경(1114)은 주반사경(1104) 뒤에 있고, 광학 시스템(1000)의 각각의 대응하는 구성요소에서의 거리와 유사한 거리에서 주반사경(1104)의 개구(1110)에 가깝다. 3차 반사경(1113)은 광학 시스템(1000)의 각각의 대응하는 구성요소에서와 유사한 거리로 주반사경(1104) 뒤에 위치된다. 접이식 반사경(1115)은 4차 반사경(1114)으로부터 광선을 수신하고, 그 중 일부를 접이식 반사경(1115) 아래에 위치된 제 1 이미지 평면(1116)으로 반사시킨다. 광학 시스템(1100)은 접이식 반사경(1115)이 제 1 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 제 2 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성이도록 함으로써 동시 다색 이미징을 가능케 한다. 특정 실시예에서, 제 1 이미지 평면(1116)은 광축 아래에 광축에 평행하게 위치되고, 제 2 이미지 평면(1116')은 광축 아래에 광축에 수직으로 위치된다. 장점은 광학 시스템(1100)이 이미지 평면용 센서를 더 큰 패키지에 사용할 수 있다는 것이다. CMOS 센서 또는 ROIC가 있는 센서는 판독 노이즈, 크로스토크 및 블루밍을 최소화하는 데 도움이 될 수 있는 더 많은 회로 또는 구성요소를 수용할 수 있도록 더 큰 패키지를 갖는 경향이 있다.
도 12를 참조하면, 다중 이미지 평면 및 접이식 반사경(1215)을 갖는 전반사 광학 시스템(1200)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 광학 시스템(1200)은 광학 시스템(1100)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있다. 광학 시스템(1200)은 주반사경(1204), 2차 반사경(1205), 3차 반사경(1213), 4차 반사경(1214), 접이식 반사경(1215) 및 제 1 이미지 평면(1216)을 포함하는데, 이들은 각각 광학 시스템(1100)의 주반사경(1104), 2차 반사경(1105), 3차 반사경(1113), 4차 반사경(1114), 접이식 반사경(1115) 및 제 1 이미지 평면(1116)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 그러나, 광학 시스템(1200)에서, 제 1 이미지 평면(1216)은 제 1 이미지 평면(1116)이 자신의 광축에 대해 있는 것보다 더 짧은 광축에 대한 거리에 위치된다. 광학 시스템(1200)은 제 1 이미지 평면(1216)과 유사한 제 2 이미지 평면(1216')을 갖는다. 제 1 이미지 평면(1216)은 제 1 스펙트럼 범위에 전용될 수 있고 제 2 이미지 평면(1216')은 제 2 스펙트럼 범위에 전용될 수 있다.
4차 반사경(1214)은 광학 시스템(1100)의 각각의 대응하는 구성요소에서보다 더 먼 거리에서 주반사경(1204) 뒤에 있다. 3차 반사경(1213)은 광학 시스템(1100)의 각각의 대응하는 구성요소에서보다 더 먼 거리에서 주반사경(1204) 뒤에 위치된다. 접이식 반사경(1215)은 4차 반사경(1214)으로부터 광선을 수신하고, 접이식 반사경(1215) 아래에 위치된 제 1 이미지 평면(1216)으로 광선을 반사시킨다. 광학 시스템(1200)은 접이식 반사경(1215)이 제 1 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 제 2 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성이도록 함으로써 동시 다색 이미징을 가능케 한다. 특정 실시예에서, 제 1 이미지 평면(1216)은 광축 아래에 광축에 평행하게 위치되고, 제 2 이미지 평면(1216')은 광축 아래에 광축에 수직으로 위치된다. 제 2 이미지 평면(1216')은 제 2 이미지 평면(1116')이 자신의 광축에 가까운 것보다 광축에 더 가깝게 위치된다. 광학 시스템(1200)은 이미지 평면에 대해 더 작은 픽셀 센서를 활용하도록 설계된다. 광학 시스템(1200)의 장점은 상업용 또는 MIL-STD 센서를 포함하는 최신 센서를 활용할 수 있다는 것이다.
도 13을 참조하면, 다중 이미지 평면 및 접이식 반사경(1315)을 갖는 전반사 광학 시스템(1300)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 광학 시스템(1300)은 광학 시스템(1000)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있다. 광학 시스템(1300)은 주반사경(1304), 2차 반사경(1305), 3차 반사경(1313), 4차 반사경(1314), 접이식 반사경(1315) 및 제 1 이미지 평면(1316)을 포함하는데, 이들은 각각 광학 시스템(1000)의 주반사경(1004), 2차 반사경(1005), 3차 반사경(1013), 4차 반사경(1014), 접이식 반사경(1015) 및 제 1 이미지 평면(1016)과 동일하거나 유사한 특징 및/또는 기능을 가질 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 그러나, 광학 시스템(1300)에서, 제 1 이미지 평면(1316)은 제 1 이미지 평면(1016)이 자신의 광축에 대해 있는 것보다 더 짧은 광축에 대한 거리에 위치된다. 광학 시스템(1300)은 제 1 이미지 평면(1316)과 유사한 제 2 이미지 평면(1316')을 갖는다. 제 1 이미지 평면(1316)은 제 1 스펙트럼 범위에 전용될 수 있고 제 2 이미지 평면(1316')은 제 2 스펙트럼 범위에 전용될 수 있다.
4차 반사경(1314)은 광학 시스템(1000)의 각각의 대응하는 구성요소에서보다 더 먼 거리에서 주반사경(1304) 뒤에 있다. 3차 반사경(1313)은 광학 시스템(1000)의 각각의 대응하는 구성요소에서보다 더 먼 거리에서 주반사경(1304) 뒤에 위치된다. 접이식 반사경(1315)은 4차 반사경(1314)으로부터 광선을 수신하고, 접이식 반사경(1315) 위에 위치된 제 1 이미지 평면(1316)으로 광선을 반사시킨다. 광학 시스템(1300)은 접이식 반사경(1315)이 제 1 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 제 2 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성이도록 함으로써 동시 다색 이미징을 가능케 한다. 특정 실시예에서, 제 1 이미지 평면(1316)은 광축 위에 광축에 평행하게 위치되고, 제 2 이미지 평면(1316')은 광축 아래에 광축에 수직으로 위치된다. 제 2 이미지 평면(1316')은 제 2 이미지 평면(1016')이 자신의 광축에 가까운 것보다 광축에 더 가깝게 위치된다. 광학 시스템(1300)의 장점은 센서용 라디에이터가 있는 냉각기가 다른 광학 시스템 구성보다 더 쉬운 방식으로 설치될 수 있다는 것이다.
도 14a를 참조하면, 광학 시스템을 갖는 카메라 시스템(1400)의 단면 사시도가 도시되어 있다. 상자(1410)는 카메라를 둘러싸는 것으로 도시되어 있고, 위성 버스에 대한 기계적 인터페이스일 수 있다. 원추형 구조로 도시된 계량 구조체(1418)는 주반사경(1404)과 2차 반사경(1405) 사이의 거리를 유지한다. 계량 구조체(1418)는 온도가 1℃ 정도 변할 때 1 마이크로미터 내에서 이 거리를 유지할 수도 있다. 도 14d에서 원통형 튜브로 가장 잘 도시된 지지 구조체(1408)는 주반사경(1404)을 지지한다. 특정 실시예에서, 원통형 구조체(1408)의 반경은 주반사경(1404)과 2차 반사경(1405) 사이에서 연장되는 광축의 부분으로부터의 반경에 의해 정의될 수 있다. 원통형 구조체(1408)의 만곡된 측벽의 내면은 위에서 설명된 이미지 평면(316)에 대한 광축으로부터의 특정 거리의 경계일 수 있다.
특정 실시예에서, 카메라의 치수는 200mm × 200mm × 250mm이다. 광학 시스템의 초점 거리에 따라, 치수는 500km에서 5m의 해상도용으로 설계된 75mm × 75mm × 100mm부터, 500km에서 0.25m의 해상도용으로 설계된 750mm × 750mm × 1000mm 크기까지 다양하다. 카메라 시스템의 전체 체적 엔벨로프는 0.01m3 미만, 0.008m3 미만, 0.006m3 미만, 0.004m3 미만, 0.003m3 미만, 0.001m3 미만, 또는 .0005m3 내지 0.01m3일 수도 있다.
폼 팩터는 광학 시스템의 초점 거리에 대한 2차 반사경과 3차 반사경 사이의 거리의 비율로 정의된다. 2차 반사경과 3차 반사경 사이의 거리는 광경로를 따라 측정될 수도 있다. 특정 실시예에서, 광학 시스템은 전술한 값, 예컨대 0.2 미만, 0.15 미만, 또는 0.1 미만의 값을 갖는 폼 팩터로 구현될 수 있다. 종래 기술의 경우, 폼 팩터는 0.25 초과인 것으로 알려져 있다. 본 명세서에 기술된 광학 시스템의 비교적 소형 폼 팩터를 사용하여, 광학 시스템은 500km 고도에서 1m, 0.5m 또는 0.25m보다 우수한 이미징 해상도를 제공할 수 있다. 광학 시스템은 또한, 타원 궤도에서 0.1m보다 우수한 해상도를 이미징할 수 있다. 다른 실시예에서, 폼 팩터는 0.04와 0.09 사이의 범위일 수 있다. 초점 거리, 각 초점 거리에 대한 2차 반사경과 3차 반사경 사이의 거리 및 해당 시스템의 대응하는 폼 팩터의 예들이 표 2에 제공되어 있다.
Figure pct00002
표 2
도 14b를 참조하면, 카메라용 광학 시스템(1430)의 실시예가 도시되어 있다. 원추 형상의 구조로 표시된 계량 구조체(1448)는 온도가 1℃ 변할 때 주반사경(1434)과 2차 반사경(1435) 사이의 거리를 ±1 마이크로미터 이내에서 설계대로 유지한다.
계량 구조체의 열 제어를 위해, 온도 센서 및 히터(와이어 또는 패치 유형)가 계량 구조체 상에 설치될 수 있다. 페이로드 제어 전자 기기는 온도 센서로부터 데이터를 읽고 히터를 제어하여 계량 구조체(1448)를 지정된 범위 내로 유지하여 카메라 시스템의 초점이 집합형 센서에 있도록 한다.
링 구조체(1440)는 주반사경(1434)을 위한 지지 구조체이며, 조립 중에 유도될 수 있는 구조적 왜곡을 최소화하기 위해 주반사경을 운동학적으로(kinematically) 지지한다. 또한, 링 구조체(1440)는 위성 버스에 대한 인터페이스일 수 있으며, 이는 도 14a에 도시된 인클로저(1410)와 같은 상자형 인클로저의 필요성을 제거할 수 있다.
도 14c를 참조하면, 카메라용 광학 시스템(1460)의 부분 단면 사시도가 도시되어 있다. 원추형으로 도시된 계량 구조체(1478)는 주반사경(1464)과 2차 반사경(1465) 사이의 거리를 유지하는데, 이는 일부 실시예에서 계량 구조체(1478)의 온도가 1℃만큼 변할 때 ±1 마이크로미터 이내로 유지될 수 있다. 주반사경(1464)을 위한, 링 형상 구조로 도시된 지지 구조체(1470)는 조립 중에 유도될 수 있는 구조적 왜곡을 최소화하기 위해 주반사경 운동학적 장착 구조체(1472)를 지지한다. 또한, 지지 구조체(1470)는 위성 버스에 대한 인터페이스일 수도 있다. 특정 실시예에서, 지지 구조체(1470)의 반경은 주반사경(1464)의 광축으로부터의 물리적 반경에 의해 정의될 수 있다. 링 구조체(1470)의 내면은 위에서 설명된 이미지 평면(316)에 대한 광축으로부터의 특정 거리의 경계일 수도 있다. 광학 시스템의 초점 거리의 약 7%인 주반사경(1464)의 직경은 카메라 시스템의 폭과 높이를 결정한다. 카메라 시스템의 길이는 2차 반사경(1465)과 3차 반사경 사이의 거리에 의해 결정되며, 이는 광학 시스템의 초점 거리의 약 4~9%이다.
도 14d는 주반사경(1404)의 반경과 동일한 반경(1486)을 갖는 원통형 하우징(1408)을 나타내는 광학 시스템(1480)의 부분 단면 사시도이다. 이미징 평면은 반경(1486) 이하인 광축으로부터의 반경 방향 거리에 위치될 수도 있다. 따라서, 하우징(1408)은 공간 절약을 위해 주반사경과 동일하거나 거의 동일한 반경을 가질 수도 있다. 광축은 주반사경과 2차 반사경의 정점들 사이에서 연장된다.
성능
광학 시스템(100) 및 광학 시스템(150)의 성능을 분석하여 설계 변조 전달 함수(MTF), 공차 MTF 및 왜곡을 평가했다. MTF와 왜곡은 시스템의 광학 성능을 평가하는 방법이지만, 이들은 결과 이미지의 품질이 어떠할 것인지도 나타낸다. 팬크로매틱 대역의 MTF는 다른 대형 카메라 시스템보다 낮으며, 이는 상대적으로 작은 개구 크기로 인해 피할 수 없다. MTF 값이 낮음에도 불구하고, 이미지 품질은 지상에서의 후처리를 통해 향상될 수 있으며 안티 에일리어싱(anti-aliasing) 효과가 작아 장점이 있다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 그래프는 광학 시스템(100)에 대한 팬크로매틱 대역의 광학 설계 MTF 및 공차 MTF를 각각 나타낸다. MTF 값이 추정되는 나이퀴스트(Nyquist) 주파수는 팬크로매틱 대역의 경우 100mm/사이클이고 다중 스펙트럼 대역의 경우 25mm/사이클이다. 공차 설정(tolerancing)을 위해, 각 구성요소의 감도는 조립 및 정렬의 논리를 고려하여 조사된다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 그래프는 광학 시스템(100)에 대한 근적외선(NIR) 대역의 광학 설계 MTF 및 공차 MTF를 각각 나타낸다. 도 17a 및 도 17b를 참조하면, 그래프는 광학 시스템(100)에 대한 청색 대역의 광학 설계 MTF 및 공차 MTF를 각각 나타낸다.
광학 시스템(100)의 추정된 MTF 값은 표 3에 요약되어 있다. 팬크로매틱 대역의 경우, 설계 MTF는 11%보다 높고 공차 값은 10%보다 약간 높다. 다중 스펙트럼 대역의 경우, 설계 값은 57%보다 높고 공차 값은 51%보다 크다. 공차를 설정하면, 다중 스펙트럼 대역에서 MTF 하락이 더 커지는데, 이는 다중 스펙트럼 대역은 반사되는 더 낮은 샘플링 주파수와 함께 광축에서 멀리 떨어져 있기 때문이다.
Figure pct00003
표 3
도 18a 및 도 18b를 참조하면, 그래프는 광학 시스템(150)에 대한 팬크로매틱 대역의 광학 설계 MTF 및 공차 MTF의 분석 결과를 각각 나타낸다. 광학 시스템(100)에 대한 것과 유사한 방식으로, 나이퀴스트 주파수는 팬크로매틱 대역에 대해 100mm/사이클이고 다중 스펙트럼 대역에 대해 25mm/사이클이다. 각 구성요소의 감도는 조립 및 정렬의 논리를 고려하여 조사되고 분석에 반영되었다.
도 19a 및 도 19b를 참조하면, 그래프는 광학 시스템(150)에 대한 NIR 대역의 광학 설계 MTF 및 공차 MTF를 각각 나타낸다. 도 20a 및 도 20b를 참조하면, 그래프는 광학 시스템(150)에 대한 청색 대역의 광학 설계 MTF 및 공차 MTF를 각각 나타낸다.
광학 시스템(150)의 추정된 MTF 값은 표 4에 요약되어 있다. 팬크로매틱 대역의 설계 MTF가 15%보다 높고 공차 값이 14%보다 크다. 다중 스펙트럼 대역의 경우, 결과가 광학 시스템(100)과 다르다. 넓은 시야(FOV)와 FOV에서의 위치로 인해, MTF 하락은 기묘하고 광학 시스템(100)의 경우보다 훨씬 까다롭다. 가장 낮은 다중 스펙트럼 MTF 값은 외부 필드와 놀랍게도 광축에 더 가깝게 위치된 근적외선 대역에서 40%를 약간 넘는다. 공차 값은 35% 이상으로 관리된다.
Figure pct00004
표 4
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 광학 시스템(100) 및 광학 시스템(150) 각각의 왜곡 성능이 도시되어 있다. 광학 시스템(150)의 왜곡 크기는 더 넓은 시야로 인해 광학 시스템(100)의 왜곡 크기(에지에서 0.02 마이크로미터임)보다 더 큰 0.08 마이크로미터이다. 그러나, 두 카메라 시스템의 왜곡 크기는 여전히 1/50픽셀보다 훨씬 낮으며 이는 TDI 이미징을 위한 충분한 여유를 초래하고 이미지 품질 저하 가능성이 훨씬 적음에 유의해야 한다.
광학 시스템(100)은 소형 폼 팩터에도 불구하고 표 5에 도시된 바와 같이 위성군 운용에서 다른 카메라 시스템보다 우수한 성능을 보인다. 광학 시스템(100)은 500km 고도에서 0.9m의 지상 표본 거리와 10.8km의 주사폭(swath-width)을 갖도록 설계되었으며, 이는 SKYSAT의 경우와 비슷하거나 더 우수하다. 또한, 광학 시스템(100)이 다른 원격 감지 임무와 호환 가능하도록 최적화되는 팬크로매틱 대역과 근적외선 대역을 비행 중에 동시에 운용할 수 있으며 표 5에 식별된 다른 카메라가 부족하다는 점을 강조해야 한다.
Figure pct00005
표 5
DOVE 카메라에 비해 광학 시스템(150)의 장점은 표 6에 표시된 바와 같이 해상도가 더 높고, 스펙트럼 대역이 다양하며 축방향으로 더 짧다는 것이다. 500km 고도에서, 광학 시스템(150)은 1.85미터의 지상 표본 거리를 가지며, 이는 DOVE 또는 PLANETSCOPE의 절반 해상도이다. 광학 시스템(150)에는 의미 있는 스펙트럼 정보를 추출하는 데 필수적인 맞춤형 스펙트럼 대역이 구비될 수 있다.
Figure pct00006
표 6
장점
광학 시스템은 4-반사경 전반사 광학 설계를 기반으로 하며, 색수차 및 왜곡이 없다. 색수차가 없어야 광학 시스템이 가시광선 스펙트럼 범위를 넘어 적외선 및 UV 스펙트럼 범위의 이미징을 지원할 수 있다. 왜곡이 없는 것은 광학 시스템이 궤도에서 TDI 이미징을 지원하고 후처리에서 정밀 메트릭을 지원하는 데 도움이 된다.
일부 종래 기술, 특히 더 저렴한 솔루션은 여전히 반사 굴절 설계의 렌즈와 반사경의 조합에 크게 의존하므로, 적용이 제한되거나 광학 설계를 처음부터 다른 스펙트럼 범위에 맞게 수정해야 한다. 나아가, 반사 굴절 설계는 특히 고유 수차 또는 잔존 수차로 인해 더 넓은 시야 이미징의 경우 TDI 이미징을 쉽게 수용하지 않는다.
폼 팩터는 종래 시스템의 더 크고 방대한 시스템에 비해 더 작다. 본 명세서에 기술된 광학 시스템은 종래 기술에 비해 훨씬 더 작은 폼 팩터를 갖는다. 이것은 CUBESAT, 소형 위성, 비행기, UAV, 드론, 기구 등 작은 비행 물체에 장착할 수 있을 정도로 매우 작다. 이것은 또한 2차 또는 3차 페이로드로서 비행 물체에 탑재될 수 있는데, 이는 다양한 임무 또는 임무를 위한 더 많은 기회를 제공하는 데 도움이 된다. 광학 시스템은 소형 경량이어서, 종래 기술에 비해 발사 비용을 절감하고 발사 기회를 높일 수 있다. 이 장점은 발사 비용이 추진 요인이 되는 위성군 운용과 관련하여 두드러진다. 광학 시스템은 더 낮은 비용으로 개발될 수 있으므로 종래 기술보다 더 저렴하다. 광학 시스템을 개발함에 있어서, 더 작은 개구 크기로 인해 더 작은 테스트 장비와 시설이 사용될 수 있다. 또한, 광학 시스템은 경량이어서 낮은 물류비로 운반될 수 있다.
광학 시스템의 개발 과정은 종래 기술에 비해 더 효율적으로 자동화될 수 있다. 훨씬 더 대형인 종래 기술을 개발하려면 항상 노동 자원이 필요하므로 예산 증가를 초래한다. 개구 크기가 작고 가벼운 광학 시스템의 경우, 저렴한 장비로도 되풀이하는 또는 반복적인 프로세스 또는 절차를 자동화할 수 있다. 프로세스에는 광학적 정렬, 광학적 측정(예컨대, 파면 오차, 변조 전달 함수, 초점 거리, 시야, 순간 시야, 왜곡, 신호 대 잡음비) 및 다양한 조건에서의 측정이 포함될 수 있다. 경제적인 장점 외에도, 광학 시스템은 반사경 간의 물리적 거리가 더 짧기 때문에 작동 안정성을 유지할 수 있다.
광학 시스템은 4-반사경 광학 설계를 기반으로 하며, 광학 설계의 자유도에 의해 뒷받침되는 설계 유연성을 제공한다. 광학 설계의 최소한의 수정으로, 이것은 스타링, 스캐닝 또는 푸쉬브룸, 비디오, 스테레오, BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function), HDR(High Dynamic Range), 편광 및 저조도의 모드에서 이미징을 제공하기에 적합할 수도 있다. 4-반사경 광학 설계를 기반으로 하는 광학 시스템은 주로 상이한 픽셀 크기로 인해 최소한의 설계 수정으로 팬크로매틱, 다중 스펙트럼, 초분광(hyperspectral), 적외선 및 UV 이미징을 지원할 수 있다. 광학 시스템은 광학 설계의 자유도를 가지며, 초고해상도, 하이 다이내믹 레인지, 편광, 및 기타 원격 감지 또는 과학 이미징을 지원할 수 있다.
광학 시스템은 페이로드 선택을 위해 소형 폼 팩터를 요구하는 행성 또는 심우주 임무를 지원할 수 있다. 광학 시스템은 합리적 가격과 발사 기회로 인해 다양한 임무를 수용할 수 있으며, 이들 임무는 AI 기반 이미징을 포함할 수 있다. 광학 시스템은 정밀 항성 센서와 항성 센서에 사용될 수 있다.
4-반사경 광학 설계를 기반으로 하는 광학 시스템은 동시 다중 색상 이미징을 지원할 수 있다. 이것은 예컨대 팬크로매틱 ＋ RGB ＋ 근적외선, 가시광선 ＋ 적외선(근적외선, 단파장 적외선, 중파장 적외선 또는 장파장 적외선), 가시광선 ＋ 가시광선, 적외선 ＋ 적외선, UV ＋ 가시광선, 또는 UV ＋ 적외선 이미징을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
소형 폼 팩터인 광학 시스템은 통신 위성(예컨대, SpaceX의 Starlink)과 같은 비 이미징 임무의 위성에 탑재될 수 있다. 광학 시스템은 다른 이미징 위성, SAR 임무와 같은 유사 이미징 위성, 또는 과학 임무 위성에도 설치될 수 있다. 이 기능성은 잠재적으로 광학 시스템의 동기식 또는 비동기식 위성군 운용으로 이어져서 이미징의 주기 해상도(temporal resolution)를 향상시키거나 이미징 기회를 증가시킨다. 종래 기술의 위성군 운용은 고가의 위성 및 카메라 시스템의 상당한 고정 비용, 전용 제어 스테이션의 24/7 운용, 및 비 자동화 이미지 수신 센터를 요구하는 경향이 있다. 광학 시스템은 동기식 또는 비동기식 위성군 운용을 가능하게 하여 제어 및 데이터 수신을 위한 리소스를 분산할 수 있어서 고정 비용을 크게 절감할 수 있다.
현재 예시적인 실시예로 고려되는 것이 예시되고 설명되었지만, 청구된 주제로부터 벗어남이 없이 다양한 다른 수정이 이루어질 수 있고 균등물이 대체될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본 명세서에 기술된 중심 개념을 벗어남이 없이 청구된 주제의 교시에 특정 상황을 적용하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 청구된 주제는 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 그러한 청구된 주제는 또한 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 수 있는 것으로 의도된다.
위에 개시된 실시예의 특정 특징 및 태양의 다양한 조합 또는 하위 조합이 만들어질 수 있고 여전히 하나 이상의 본 발명에 속하는 것으로 고려된다. 또한, 실시예와 관련된 임의의 특정 특징, 태양, 방법, 속성, 특성, 품질, 특질, 요소 등에 대한 본 명세서의 개시는 본 명세서에 기재된 다른 모든 실시예에서 사용될 수도 있다. 따라서, 개시된 실시예의 다양한 특징 및 태양은 개시된 발명의 다양한 모드를 형성하기 위해 서로 결합되거나 대체될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 본 발명의 범위는 위에서 설명된 특정 개시된 실시예에 의해 제한되어서는 안 되는 것으로 의도된다. 나아가, 본 발명은 다양한 수정 및 대안적 형태가 가능하지만, 그 특정 예가 도면에 도시되어 있고 본 명세서에 상세히 설명되어 있다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태 또는 방법으로 제한되어서는 안 되며, 반대로, 본 발명은 설명된 다양한 실시예 및 첨부된 청구범위의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 수정, 균등물 및 대안을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 모든 방법은 인용된 순서대로 실행될 필요는 없다.
본 명세서에 개시된 범위는 또한 임의의 및 모든 중복 부분, 하위 범위 및 이들의 조합을 포함한다. "~까지", "적어도", "보다 큰", "보다 작은", "사이에" 등과 같은 용어는 인용된 숫자를 포함한다. 본 명세서에 사용된 "대략", "약", "최대 약" 및 "실질적으로"와 같은 용어가 앞에 오는 숫자는 인용된 숫자를 포함하고, 또한, 희망 기능을 수행하거나 희망 결과를 달성하는 명시된 양 또는 특성에 가까운 양 또는 특성을 나타낸다. 예컨대, 용어 "대략", "약" 및 "실질적으로"는 명시된 양 또는 특성의 10% 미만, 5% 미만, 1% 미만, 0.1% 미만, 및 0.01% 미만의 양을 나타낼 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 "대략", "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어가 앞에 오는 본 명세서에 개시된 실시예의 특징은 여전히 희망 기능을 수행하거나 그 특징에 대해 희망 결과를 달성하는 어느 정도 가변성을 갖는 특징을 나타낸다.
본 명세서에서의 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자는 문맥 및/또는 용도에 적절한 대로 복수에서 단수로 및/또는 단수에서 복수로 전환할 수 있다. 명확성을 위해 다양한 단수형/복수형 치환이 본 명세서에 명시적으로 제시될 수도 있다.
일반적으로 본 명세서에 사용된 용어는 개략적으로 "개방형" 용어로 의도된다는 것을 당업자는 이해할 것이다(예컨대, "포함하는(including)"이란 용어는 "포함하지만 이에 제한되지 않는"으로 해석되어야 하고, "갖는(having)"이란 용어는 "최소한 가지고 있는"으로 해석되어야 하며, "포함한다(includes)"란 용어는 "포함하지만 이에 제한되지 않는다"로 해석되어야 하는 등이다). 특정 수의 도입된 실시예의 인용이 의도된 경우, 그러한 의도는 실시예에서 명시적으로 인용될 것이고, 그러한 인용이 없는 경우 그러한 의도가 존재하지 않는다는 것이 당업자에 의해 추가로 이해될 것이다. 예컨대, 이해를 돕기 위해, 본 개시는 실시예의 인용을 도입하기 위해 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 도입 문구의 사용을 포함할 수도 있다. 그러나, 그러한 문구의 사용은 부정관사 "a" 또는 "an"에 의한 실시예의 인용의 도입이, 심지어 동일한 실시예가 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"의 도입 문구 및 "a" 또는 "an"과 같은 부정관사를 포함하는 경우에도(예컨대, "a" 및/또는 "an"은 일반적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 함), 그러한 도입된 실시예 인용을 포함한 임의의 특정 실시예를 오직 하나의 그러한 인용을 포함한 실시예에 한정함을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 되며; 실시예 인용을 도입하기 위해 사용되는 정관사의 사용에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 특정 수의 도입된 실시예 인용이 명시적으로 인용되는 경우라도, 당업자는 그러한 인용이 일반적으로 적어도 인용된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다(예컨대, 단지 "2개의 인용"의 인용은, 다른 수식어 없이는, 일반적으로 적어도 2개의 인용 또는 2개 이상의 인용을 의미한다). 또한, "A, B 및 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 그 관례(예컨대, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 모두, A와 C 모두, B와 C 모두, 및/또는 A, B 및 C 모두를 갖는 시스템 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않을 것임)를 이해할 수 있는 의미에서 의도된다. "A, B 또는 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 그 관례(예컨대, "A, B 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 모두, A와 C 모두, B와 C 모두, 및/또는 A, B 및 C 모두를 갖는 시스템 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않을 것임)를 이해할 수 있는 의미에서 의도된다. 상세한 설명, 실시예 또는 도면에 있든 간에 둘 이상의 대안 용어를 제시하는 사실상 임의의 이접적 단어 및/또는 어구는 용어들 중 하나, 용어들 중 어느 하나, 또는 두 용어 모두를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것이 당업자에 의해 추가로 이해될 것이다. 예컨대, "A 또는 B"라는 어구는 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 주제가 특정 실시예 및 특정 예시적인 방법과 관련하여 본 명세서에서 설명되었지만, 본 주제의 범위가 이에 의해 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 그 대신에, 출원인은 본 명세서에 개시된 방법 및 재료에 대한 변형이 당업자에게 명백한 것으로서 개시된 주제의 범위 내에 속할 것으로 의도한다.

Claims (20)

  1. 전반사 광학 시스템(all-reflective optical system)에 있어서,
    중심 개구 및 반경을 갖는 오목 주반사경(concave primary mirror)－ 상기 주반사경은 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 가짐 －;
    상기 주반사경과 대면하며 비구면을 갖는 볼록 2차 반사경(convex secondary mirror)－ 상기 주반사경의 정점으로부터 상기 2차 반사경의 정점까지 광축이 연장됨 －;
    상기 주반사경 뒤에 배열되며, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 갖는 오목 3차 반사경(concave tertiary mirror);
    상기 주반사경의 중심 개구 내에 또는 상기 주반사경 뒤에 배열되며, 구면, 포물면, 비포물형 원추면 또는 비구면 중 하나를 갖는 오목 4차 반사경(concave quaternary mirror); 및
    하나 이상의 집합형 센서(aggregated sensor)를 갖는 적어도 하나의 이미지 평면－ 상기 이미지 평면은 상기 주반사경의 반경보다 크지 않은 상기 광축으로부터의 반경 방향 거리에 위치됨 －을 포함하는
    전반사 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주반사경 또는 상기 2차 반사경 근처에 위치된 입사 동공(entrance purpil), 및 1) 상기 4차 반사경 근처, 2) 상기 3차 반사경과 상기 4차 반사경 사이, 및 3) 상기 4차 반사경과 상기 이미지 평면 사이 중 하나에 위치된 사출 동공(exit purpil) 또는 리오 조리개(Lyot stop)를 추가로 포함하는
    전반사 광학 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 4차 반사경으로부터 상기 이미지 평면으로 광선을 편향시키도록 배열된 하나 이상의 접이식 반사경(folding mirror)을 추가로 포함하고, 상기 하나 이상의 접이식 반사경은 광선 경로를 접도록 구성되는
    전반사 광학 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 접이식 반사경의 사용에 기초하여, 상기 사출 동공은 상기 3차 반사경과 상기 4차 반사경 사이, 또는 상기 4차 반사경과 상기 제 1 접이식 반사경 사이에 위치되는
    전반사 광학 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 접이식 반사경들 중 하나는 상기 시스템의 광축에 대해 특정 각도로 기울어져 있는
    전반사 광학 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 이미지 평면의 전방에 위치된 상기 접이식 반사경들 중 하나는 동일한 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성 섹션 및 투과성 섹션으로 시야를 넓히고, 각 섹션은 상기 하나 이상의 센서 중 특정 센서에 대응하는
    전반사 광학 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 이미지 평면의 전방에 위치된 상기 접이식 반사경들 중 하나는 동시 다색 이미징(simultaneous multi-color imaging)을 가능케 하고, 상기 접이식 반사경들 중 상기 하나는 제 1 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 다른 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성이며, 제 2 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 다른 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성이며, 상기 집합형 센서들 중 하나는 상기 제 1 스펙트럼 범위에 전용되고 상기 집합형 센서들 중 다른 하나는 상기 제 2 스펙트럼 범위에 전용되는
    전반사 광학 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 접이식 반사경들은 동시 다색 이미징을 가능케 하고, 각각의 접이식 반사경은 특정 스펙트럼 범위에 걸쳐서 반사성이고 다른 스펙트럼 범위에 걸쳐서 투과성이며, 각각의 추가된 접이식 반사경 및 상기 집합형 센서들 중 대응하는 하나는 상이한 스펙트럼 범위와 연관되는
    전반사 광학 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 시스템은, 1) 팬크로매틱(panchromatic) 및 RGB 및 근적외선(near-infrared), 2) 가시광선 및 적외선(근적외선, 단파장 적외선, 중파장 적외선 또는 장파장 적외선), 3) 가시광선 및 가시광선, 4) 적외선 및 적외선, 5) UV 및 가시광선, 또는 6) UV 및 적외선 이미징을 포함하는 동시 다색 이미징을 지원하도록 구성되는
    전반사 광학 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 시스템의 유효 초점 거리에 대한 상기 2차 반사경과 상기 3차 반사경 사이의 거리의 비율로 정의되는 폼 팩터는 0.09 미만인
    전반사 광학 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시스템은 500km 고도에서 1m보다 우수한 이미징 해상도를 갖는
    전반사 광학 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 주반사경의 정점과 상기 2차 반사경의 정점이 광축을 형성하고, 상기 주반사경과 상기 2차 반사경은 상기 광축을 중심으로 대칭적이거나 또는 주기적인
    전반사 광학 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    주기적 반사경(periodic mirror)의 대각선은 상기 이미지 평면의 대각선으로부터 0도 또는 45도의 각도를 가지며, 청구항 12의 광학 시스템에 있어서, 상기 3차 반사경의 광축은 기계적 축과 일치하지 않는
    전반사 광학 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 반사경의 반경은 유효 초점 거리의 1% 내지 3%의 범위이고, 상기 3차 반사경의 반경은 유효 초점 거리의 2% 내지 3%의 범위인
    전반사 광학 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 4차 반사경의 반경은 유효 초점 거리의 6% 내지 22%의 범위인
    전반사 광학 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 광축을 따라 상기 3차 반사경으로부터 상기 이미지 평면까지의 거리는 유효 초점 거리의 3% 내지 9%의 범위이며, 상기 광축을 따라 상기 2차 반사경으로부터 상기 3차 반사경까지의 거리는 유효 초점 거리의 4% 내지 9%의 범위인
    전반사 광학 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 주반사경의 직경은 유효 초점 거리의 3% 내지 8%의 범위인
    전반사 광학 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 주반사경으로부터의 사출 동공 또는 리오 조리개 거리는 유효 초점 거리의 ±1%인
    전반사 광학 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    유효 초점 거리는 300mm 내지 20,000mm의 범위인
    전반사 광학 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 반사경을 위한 지지 구조체를 더 포함하고, 상기 지지 구조체는 적층 제조되는
    전반사 광학 시스템.
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