KR102052757B1 - 이미징 시스템용 광학 모니터링 디바이스 - Google Patents

이미징 시스템용 광학 모니터링 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 초점면 (Pf), 광학 축 (z) 및 입사동 (entry pupil) 을 갖는 광학 이미징 시스템 (101) 용 광학 모니터링 디바이스에 관한 것이고, 상기 시스템은 상기 초점면 (Pf) 에 실질적으로 배치된 적어도 하나의 이미지 검출기 (D) 상에 실질적으로 무한점에서의 장면의 이미지를 형성하고,
상기 광학 모니터링 디바이스는,
- 상기 검출기 (D) 의 주변 및 실질적으로 상기 초점면 (Pf) 에 배치된 적어도 하나의 사실상 포인트-형 방출 소스 (S), 및
- 평면을 갖는 반사 엘리먼트 (10) 를 포함하고,
- 상기 장면에서 나오는 광선들의 전파 방향을 고려할 때, 그리고 상기 광학 이미징 시스템 (101) 에 의해 생성되고 상기 엘리먼트 (10) 에 의해 반사된 상기 소스 (S) 의 모니터링 이미지 (11) 가 잠재적인 광학적 결함들이 식별되게 하는 상기 이미지 모니터링 이미지 (11) 를 분석하기 위한 수단에 연결된 검출 엘리먼트 (D, C) 상에서 상기 초점면 (Pf) 에 실질적으로 배치되도록 하는 포지션 및 기울기에 따라, 상기 엘리먼트 (10) 는 상기 광학 이미징 시스템 (101) 의 상류에 배치되고,
- 상기 엘리먼트 (10) 는 상기 장면에서 나오고 상기 입사동을 관통하는 광선들의 통과를 가능하게 하도록 환형 형상을 갖는다.

Description

이미징 시스템용 광학 모니터링 디바이스{OPTICAL MONITORING DEVICE FOR AN IMAGING SYSTEM}
본 발명은 광학 이미징 시스템들, 및 특히 고-분해능 광학 이미징 시스템들에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 이들 광학 이미징 시스템들용 광학 모니터링 디바이스에 관한 것이다.
만족스러운 방식으로 동작하기 위해, 광학 이미징 시스템은 예를 들어 파면 품질 및 조준 (boresight) 의 안정성에 관련하여 우수한 광학 품질들을 나타내야 한다.
이미징 시스템이 우수한 파면 품질을 나타내는 경우, 장면에서의 일 포인트는 이미지 평면에서 이미징 시스템의 본질적인 분해능 (회절 한계) 에 의해 기본적으로 제한된 디멘전들을 갖는 광 세기 분포를 나타내는 이미지 도트를 형성한다. 이미징 시스템을 구성하는 광학 표면들의 임의의 결함 또는 부정확한 포지셔닝은 파면 결함을 초래하고, 이 결함은 이미지 도트의 디멘전들에서의 증가 및 시스템의 분해능에서의 감소를 초래한다.
일반적으로 말하면, 초기에 정확하게 조정된 시스템은 그 동작 과정 동안 그 파면의 품질에서 시프트를 나타낼 수도 있다.
고-분해능 망원경들과 같은 기구들과 같은, 지구를 관측하기 위해 위성들에 탑재되어 배치된 이미징 시스템들에 있어서, 기록된 이미지들의 품질을 보장하기 위해 파면에서의 변화들의 모니터링이 필요하다.
파면을 측정하는 하나의 방법은 파면의 변화를 따르기 위해 교정 이미지들을 자주 획득하는 것이다.
이들 교정 이미지들은, 예를 들어 특정 외부 장면들: 전용된 지면 사이트들, 항성 (star) 들의 특정 사진들을 취함으로써 획득될 수도 있다.
다른 알려진 솔루션은, 교정을 위해 내부 타겟을 향해 배향되는 이동성 헤더 미러를 포함하는 자동-교정 시스템을 기구에 구비하는 것이다.
이들 솔루션들은, 고속, 예를 들어 20분 마다일 수도 있는 위성의 특정 프로그래밍을 필요로 하고, 각 측정은 이동성 컴포넌트들의 잠재적인 변위 및 위성의 통상의 프로그래밍 동작들의 인터럽션을 필요로 하는 결점을 갖는다.
따라서, 교정 이미지들의 포착은 심각한 동작 제약들을 초래한다.
또한, 만족스러운 방식으로 동작하기 위해, 광학 이미징 시스템은 우수한 조준 안정성을 나타내야 한다. 이 안정성은, 관측된 장면들의 로컬리제이션 (localization) 을 정확하게 재생하기 위해 노출 시간 (integration time) 동안 그리고 장기간에 걸쳐 "이미지들의 블러링 (blurring)" 을 방지하기 위해 노출 시간 스케일 동안 고려되어야 한다.
이들 조준의 불안정들 모두가 더 클수록 IFOV (Instantaneous Field of View 에 대한 약어) 가 더 작아진다. 탑재형 (onboard) 기구들에 있어서, 최대 불안정성들은 진동이 근원이다; 이들은 플랫폼의 미코-진동 안정성 성능을 결정한다. 다른 불안정성들은 열탄성이 근원이다; 이들은 이미징 시스템의 열탄성 안정성 성능을 결정한다.
본 발명의 목적은 전술된 결점들을 극복하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 초점면 (Pf), 광학 축 (z) 및 입사동 (entry pupil) 을 갖는 광학 이미징 시스템용 광학 모니터링 디바이스가 제공되고, 이 시스템은 초점면 (Pf) 에 실질적으로 배치된 적어도 하나의 이미지 검출기 상에 실질적으로 무한점 (infinity) 에서의 장면의 이미지를 형성하고,
이 디바이스는,
- 검출기의 주변 및 실질적으로 초점면에 배치된 적어도 하나의 사실상 포인트-형 방출 소스, 및
- 평면을 갖는 반사 엘리먼트를 포함하고,
- 장면에서 나오는 광선들의 전파 방향을 고려할 때, 그리고 광학 시스템에 의해 생성되고 엘리먼트에 의해 반사된 소스의 모니터링 이미지가 잠재적인 광학적 결함들이 식별되게 하는 모니터링 이미지를 분석하기 위한 수단에 연결된 검출 엘리먼트 상에서 초점면에 실질적으로 배치되도록 하는 포지션 및 기울기에 따라, 엘리먼트는 이미징 시스템의 상류에 배치되고,
- 엘리먼트는 장면에서 나오고 입사동을 관통하는 광선들의 통과를 가능하게 하도록 환형 형상을 갖는다.
바람직한 실시형태에 따르면, 광학 모니터링 디바이스의 검출 엘리먼트는 이미지 거출기 주변에 배치된 센서를 포함한다.
다른 실시형태에 따르면, 검출 엘리먼트는 이미지 검출기를 포함한다.
유리하게는, 광학 시스템은 적어도 제 1 비구면 콜렉터 미러 및 제 2 미러를 포함하는 망원경을 포함한다.
바람직한 실시형태에 따르면, 광학 시스템은 "TMA (Three Mirror Anastigmat)" 유형의 망원경을 포함한다.
일 변형에 따르면, 엘리먼트는 제 2 미러 둘레에 배치된다.
다른 변형에 따르면, 엘리먼트는 상기 입사동의 유용한 직경에서의 감소의 효과를 최소화하도록 제 1 미러에 가까운 거리에 배치된다.
일 실시형태에 따르면, 디바이스의 소스는 광학 축에 수직한 제 1 평면에 배치된 제 1 광 섬유 및 제 1 평면에 평행하고 제 1 평면에 대하여 오프셋된 제 2 평면에 배치된 제 2 광 섬유를 포함하고, 제 1 및 제 2 평면은 초점면에 이웃하여 배치되고, 2 개의 디포커싱된 모니터링 이미지들은 이미징 시스템의 광학 수차 (optical aberration) 의 사인이 결정되는 것을 가능하게 한다.
유리하게는, 센서는 위상-다이버시티 센서이다.
유리하게는, 센서는 이미징 시스템이 소정의 광학 품질을 나타내는 경우 모니터링 이미지의 교정을 위한 제 1 측정 및 이미징 시스템의 동작 주기 후에 수행된 모니터링 이미지의 적어도 제 2 측정을 수행하고, 분석 수단은 모니터링 이미지의 제 1 측정과 제 2 측정 간의 비교에 의해 광학적 결함을 식별하도록 설계된다.
유리하게는, 디바이스는 이미징 시스템의 디포커싱을 식별하도록 설계된다.
유리하게는, 디바이스는 이미징 시스템의 조준의 오정렬을 식별하도록 설계된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술된 바와 같은 광학 모니터링 디바이스를 포함하는 광학 이미징 시스템이 또한 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술된 바와 같은 광학 모니터링 디바이스를 포함하는 액티브 광학 이미징 시스템이 또한, 제공된다.
유리하게는, 이미징 시스템은 활성화되고, 결함을 적어도 부분적으로 보정하도록 하는 방식으로 광학 이미징 시스템의 변경에 영향을 줄 수 있는 액츄에이터를 제어하도록 설계된 제어 수단을 더 포함한다.
유리하게는, 결함은 디포커싱을 포함하고, 액츄에이터는 디포커싱을 보정하도록 하는 방식으로 광학 엘리먼트의 변위를 제어하도록 설계된다.
유리하게는, 결함은 조준의 오정렬을 포함하고, 오정렬을 보정하기 위해 조준을 각지게 (angularly) 변경하도록 하는 방식으로 회전 이동하는 미러 유형의 액츄에이터를 제어하도록 설계된 제어 수단을 더 포함한다.
본 발명의 다른 피처들, 목적들 및 이점들은 이어지는 상세한 설명 및 비제한적 예들의 방식으로 제시된 첨부된 도면들에 관하여 판독 시에 더 명백해질 것이다.
도 1 은 오토콜리메이션 (auto-collimation) 의 원리를 개략적으로 예시한다.
도 2 는 평면 미러가 광학 축에 대하여 기울어지는 광학 구성을 개략적으로 예시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 디바이스를 개략적으로 예시한다.
도 4 는 반사 엘리먼트가 오토콜리메이션 모드에 있는 본 발명에 따른 디바이스의 특정 경우를 개략적으로 예시한다.
도 5 는 본 발명의 일 변형 실시형태에 따른 본 발명에 따른 디바이스를 예시한다.
도 6 은 종래 기술에 따른 코르쉬 (Korsch) 유형의 망원경으로 구성된 탑재형 이미징 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 7 은 제 1 실시형태에 따른 본 발명에 따른 디바이스를 예시한다.
도 8 은 제 2 실시형태에 따른 본 발명에 따른 디바이스를 예시한다.
도 9 는 환형동 (annular pupil) 에 대응하는 이미지 및 풀 동공에 대응하는 이미지 간의 의존성을 예시한다.
도 10 은 본 발명에 따른 디바이스를 포함하고 복수의 선형 어레이들을 포함하는 이미징 시스템의 초점면의 배열의 일 예를 예시한다.
도 11 은 이미징 시스템의 제 2 미러의 변위를 제어하도록 설계된 액츄에이터 및 제어 수단을 포함하는 액티브 이미징 시스템을 도시한다.
도 12 는 이미징 시스템의 조준을 각지게 변경하도록 설계된 회전 이동하는 미러 및 제어 수단을 포함하는 액티브 이미징 시스템을 도시한다.
본 발명을 설명하기 전에, 오토콜리메이션의 개념이 우선적으로 상기된다.
도 1 은 초점면 (Pf) 및 초점 길이 (f) 를 갖는 컨버징 광학 시스템 (L) 에 대하여 오토콜리메이션 모드에 있는 미러 (M) 를 설명한다. 이 구성에서, 광학 시스템 (L) 에 의해 형성된 초점면 (Pf) 에 배치되고 미러 (M) 에 의해 반사된 방출 포인트 (S) 의 이미지는, 또한 초점면에 있고 포인트 (O) 에 대칭적인 S' 에 배치되며, 이 포인트 (O) 는 광학 축이 초점면을 커팅하는 포인트이다.
도 2 는 미러 (M) 가 오토콜리메이션 포지션에 대하여 기울어진 경우를 예시한다. S 의 이미지 S' 는 여전히 초점면에 있지만, 미러 (M) 의 기울기의 함수인 0 으로부터의 일 거리에 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 디바이스 (1) 를 개략적으로 예시한다. 디바이스 (1) 는 이미징 시스템 (101) 의 광학 모니터링을 수행한다. 종래에, 이미징 시스템 (101) 은 광학축 (z) 및 하나의 입사동 (entry pupil) 을 갖는다.
이미징 시스템 (101) 은 "무한 포커스" 모드로서 알려진 동작 모드에 따라 그 초점면 (Pf) 의 실질적으로 무한점 (infinity) 에서 장면의 이미지를 형성하도록 설계된다.
관측되는 장면의 이미지를 검출하기 위해서 적어도 하나의 이미지 검출기 (D) 가 초점면 (Pf) 에 배치된다. 이미지 검출기 (D) 는, 예를 들어 픽셀들의 행렬 또는 선형 어레이이다. 바람직하게, 이미징 시스템은 매우 고분해능 시스템이다.
동작 시에, 이미지 검출기 (D) 는 장면의 포인트들 전부로부터 오는 광선들을 수광한다.
본 발명에 따른 광학 모니터링 디바이스는 이미지 검출기 (D) 주변에 그리고 초점면 (Pf) 에 배치된 사실상 포인트-형 발광 소스 (S) 를 포함한다.
소스 (S) 는 장면에서 나오는 광선들에 대해 반대 방향으로 광학 이미징 시스템을 통과하도록 방출된 광선들의 일부를 위해 검출기 (D) 에 충분히 가까이 있다.
본 발명에 따른 표면 모니터링 디바이스는 또한, 평면을 갖는 반사 엘리먼트 (10) 를 포함한다. 평면은 평균 광학 품질, 통상적으로 λ/20 (λ 는 사용된 광파의 파장) 이다.
엘리먼트 (10) 는 장면에서 나오는 광선들의 전파 방향을 고려하여 이미징 시스템 (101) 의 상류에 배치된다. 따라서, 초점면에 배치된 소스 (S) 로부터 오고 시스템 (101) 을 관통하는 광선들은 엘리먼트 (10) 에 의해 반사되는 평면파를 형성한다.
엘리먼트 (10) 는, 광학 시스템 (101) 에 의해 생성되고 엘리먼트 (10) 에 의해 반사된 소스 (S) 의 모니터링 이미지 (11) 가 모니터링 이미지 (11) 를 분석하기 위한 수단에 연결된 검출 엘리먼트 (C) 상의 초점면 (Pf) 에 배치되도록 하는 광학 축 (z) 에 대한 포지션 및 기울기에 따라 배치된다. 통상적으로, 기울기는 매우 작고, 이미징 시스템의 광조합 (optical combination) 및 또한 그 초점 길이에 의존한다.
따라서, 반사 엘리먼트 (10) 는, 이미징 시스템 (101) 과 결합하여, 모니터링 이미지 (11) 에 따라 검출 엘리먼트 (C) 상에서 소스 (S) 의 이미지를 형성한다.
모니터링 이미지 (11) 의 분석은 잠재적인 광학 결함들이 식별되게 할 수 있다. 이것은, 모니터링 이미지 (11) 를 형성하는 광선들이 광학 시스템 (101) 을 2 번 통과하고 모니터링 이미지가 이미지 검출기 (D) 상의 무한점에서 장면의 포인트의 광학 시스템 (101) 에 의한 이미지의 것들과 유사한 결함들을 보이기 때문이다. 광파 모니터링은 모니터링 이미지 (11) 의 도움, 시스템의 품질의 "위트니스 (witness)" 로 수행된다.
아래에 설명하는 바와 같이, 엘리먼트 (10) 의 여러 포지션들이 가능하다.
광학 시스템 (101) 의 동작을 방해하지 않기 위해서, 엘리먼트 (10) 는, 장면에서 나오고 광학 시스템 (101) 의 입사동을 관통하는 광선들의 통과를 허용하도록 환형의 형상을 갖는다. 다시 말하면, 엘리먼트 (10) 는, 이미지 검출기 (D) 상에 이미지를 형성하도록 장면에서 나오고 입사동으로 침투하는 광선들의 광 경로를 완전히 모호하게 하지 않고 바람직하게는 최소로 모호하게 하도록 환형 형상을 갖는다.
환형 형상은 작은 직경 또는 내경 (Dint), 및 큰 직경 또는 외경 (Dext) 으로 이루어진다.
이 시스템의 하나의 이점은, 미러 또는 셔터와 같은 이동성 컴포넌트의 변위 및 추가 없이, 그리고 위성에 탑재된 이미징 시스템에 대해 특정 오정렬 프로그램을 사용하지 않고 모니터링이 동작한다는 것이고, 이 모니터링은 이미징 시스템의 동작 컨디션들을 변경하지 않고 수행된다. 본 발명에 따른 디바이스는 자율적이다.
일 변형에 따르면, 검출 엘리먼트 (C) 가 이미지 검출기 (D) 주변에 배치된다.
이 변형에 따른 디바이스의 하나의 이점은, 광학 시스템 (101) 의 광학 품질이, 장면에서 나오는 광선들이 따르는 광 경로를 최소로, 바람직하게는 전혀 모호하게 하지 않으면서 모니터링 이미지를 생성하기 위해 구성되는 시스템, 소스 (S), 검출 엘리먼트 (C) 및 반사 엘리먼트 (10) 의 동작을 방해하지 않고, 모니터링된다는 사실로 이루어진다. 이 변형은 그 동작을 인터럽트하기 위해 시스템의 임의의 특정 프로그래밍을 필요로하지 않는다. 따라서, 측정은 매우 긴 포착 시간에 따라, 그리고 이에 따른 센서 (C) 의 광범위한 선택 및 높은 측정 정확도를 가능하게 하는 매우 낮은 신호/잡음 비를 갖고 수행될 수 있다.
도 4 에 예시된 일 특정 경우는 오토콜리메이션 모드로 배치된 환형 반사 엘리먼트 (10) 에 대응한다. 그러면 검출 엘리먼트 (C) 는 광학 축 (z) 에 대하여 S 에 대칭적으로 위치된다. 하나의 이점은 이미징 시스템 (101) 안에 통합된 디바이스 (1) 의 단순화된 조정으로 이루어진다.
도 5 에 예시된 다른 변형에 따르면, 검출 엘리먼트는 이미지 검출기 (D) 에 의해 형성된다. 이점은, 초점면에 배치된 추가의 엘리먼트가 존재하지 않는다는 사실에 있다. 모니터링은 이미지 포착 외에 또는 이미지 포착 동안 수행될 수도 있다. 첫 번째 경우, 소스 (S) 는 검출기 (D) 에 의한 포착 동안 디스에이블된다. 두 번째 경우, 모니터링 스폿이 포착된 이미지에 추가된다. 이 두 번째 경우는 특히, 조준의 오정렬의 식별로 이루어지는 광학 모니터링에 적합하다.
바람직한 변형에 따르면, 환형 형상은 연속적이다.
또한 도 5 에 예시된 다른 변형에 따르면, 환형 형상은 광학 축에 대하여 대칭적인 적어도 2 개의 파트들로 구성된다.
바람직한 변형에 따르면, 이미징 시스템은 적어도 제 1 비구면 콜렉터 미러 (M1) 및 제 2 미러 (M2) 를 포함하는 망원경이다. 바람직한 변형에 따르면, 망원경은 약어 TMA 를 사용하는 3 미러 아나스티그맷 (Three Mirror Anastigmat) 유형, 바람직하게는 코르쉬 유형의 TMA 망원경이다. 이들 망원경들에 있어서, 입사동은 제 1 미러 (M1) 에 배치된다.
다른 예에 따르면, 망원경은 카세그레인 (Cassegrain) 유형이다.
이들 망원경들은, 예를 들어 지구를 관측하기 위한 탑재형 위성들에서 운반된다.
도 6 은 종래 기술에 따른 코르쉬 유형의 온보드 망원경을 개략적으로 예시한다. 무한점에 놓인 관측된 장면에서 나오는 2 개의 광선들 (21 및 22) 은 제 1 비구면 미러 (M1) 에 의해 수집되고 이 미러는 광선들을 제 2 미러 (M2) 상에 집광시킨다. 예를 들어, 미러 (M1) 의 디멘전은 1 m 내지 4 m 이다. 제 2 미러 (M2) 는 중간 초점면 상에 광선들을 포커싱한다. 후방 파트에서, 오프-축 미러 (M3) 는 이미지 검출기들 (D) 이 배치되는 이미지 초점면에 중간 초점면을 이미징한다. 전체 어셈블리의 초점 길이는 긴데, 통상적으로 15 m 내지 70 m 이다. 역-반사 (Back-reflecting) 미러들 (R) 은 광선들을 폴드백 한다. 거리 (M1M2) 는 통상적으로, 제 1 미러 (M1) 의 직경의 1 내지 3 배이다.
예시의 방식으로, 본 발명에 따른 디바이스의 2 개의 실시형태들은 전술된 바와 같은 망원경에 대해 이제 설명될 것이다.
도 7 에 예시된 제 1 바람직한 실시형태는 직경 (D(M2)) 의 제 2 미러 (M2) 둘레에 배치된 환형 반사 엘리먼트 (10) 를 포함한다. 바람직하게, 환형부는, 전체 크기를 최소화하도록 미러 (M2) 의 직경 (D(M2)) 과 실질적으로 동일한 작은 직경 (Dint) 을 갖는다. 일 변형으로서, 엘리먼트 (10) 는 미러 (M2) 에 단단히 고정된다. 바람직하게, 외경 (Dext) 은 망원경의 중앙 모호성 (central obscuring) 을 제한하면서 동시에 추구된 모니터링 디바이스의 정확도가 획득되게 하도록 최적화된다. 링의 폭이 작을수록 모니터링 스폿이 더욱 분해되지만, 검출 엘리먼트에 의해 수광된 세기는 낮아진다. 300mm 의 미러 (M2) 에 대한 설계 디멘전들의 일 예는 10mm 내지 20mm 의 환형부이고, 또는 통상적으로 각각 Dint + 5% 내지 Dint + 15% 정도의 외경 (Dext) 이다.
소스 (S) 에 의해 방출된 광선들이 따르는 광 경로는 S / M2 / M1 / 엘리먼트 (10) / M1 / M2 / S 이다.
반사 엘리먼트의 기울기는 광학 축 (z) 의 어느 한 측에서 센서 (C) 및 소스 (S) 의 상대적 포지션에 따라 가변적이다. 1°필드를 갖는 망원경에 있어서, 그것은 0°내지 1°에서 변할 수 있다.
엘리먼트 (10) 가 M2 둘레에 배치되는 제 1 실시형태의 하나의 이점은, 미러 (M2) 의 통합을 형성할 수 있다는 사실로 이루어진다. 다른 이점은, 엘리먼트 (10) 가 안정적이고 M1/M2 에 의해 형성된 캐비티 내부의 열 흐름에서의 변화들에 의해 거의 영향을 받지않는다는 사실에 있다.
도 8 에 예시된 제 2 바람직한 실시형태는 망원경의 입사동의 유용한 직경에서 감소의 영향을 최소화하기 위해 제 1 미러 (M1) 의 엘리먼트 (10) 부근에서 일 거리에 배치된, 반사 엘리먼트 (10) 를 포함한다.
소스 (S) 에서 나오는 광선들 (81, 82) 은 M2, 그 후 M1 상에서, 그 후 M1 의 상류에 배치된 엘리먼트 (10) 상에서 반사된다. 소스 (S) 에 의해 방출된 광선들이 따라는 광 경로는 S / M2 / M1 / 엘리먼트 (10) / M1 / M2 / S 이다. 본 실시형태에 따르면, 엘리먼트 (10) 는 M1 상에서 입사되고 장면에서 나오는 대부분의 주변 광선들 (83, 84) 을 블록킹한다. 관측된 장면에서 나오는 광선들은 다음의 광학 경로를 따른다: 무한점 / M1 / M2 / D. 환형 엘리먼트 (10) 의 기울기는 광학 축의 어느 한 측 상의 센서 (C) 및 소스 (S) 의 상대적 포지션에 의존한다. 예를 들어, 1 필드를 갖는 망원경에 있어서, 기울기는 1°이하이다.
바람직하게, 이 실시형태에서 환형 엘리먼트 (10) 는 미러 (M1) 의 직경 (D(M1)) 과 실질적으로 동일한 큰 직경 (Dext) 을 갖는다. 바람직하게, 환형부의 내경 (Dint) 은 망원경의 유용한 직경에 대한 충격을 감소시키기 위해 최소화된다. 또한, 링의 폭이 작을수록 모니터링 스폿이 더 분해되지만, 검출 엘리먼트에 의해 수광된 세기는 더 낮아진다. 3000mm 직경의 미러 (M1) 에 대한 설계 디멘전들의 일 예는 10 mm 내지 40 mm 두께의 링이다.
도 9 는 30m 의 초점 길이 (f) 를 갖는 동일한 컨버징 옵틱스들에 있어서, 환형동에 의해 형성된 이미지와 풀 동공 (full pupil) 에 의해 형성된 이미지 간의 의존성을 에시한다. 커버 (91) 는 직경 1.5m 의 풀 동공을 사용하여 획득된 회절 스폿 (911) 에 대응하고, 커브 (92) 는 링의 폭이 동공의 직경의 2% 와 동일한 환형동에 대응하는 회절 스폿 (912) 에 대응한다. 에어리 (Airy) 스폿 (912)(링) 의 반-높이에서의 폭은 에어리 스폿 (911)(풀 동공) 의 반-높이에서의 폭에 가깝다. 이 환형동들의 특성은 포커싱의 변화를 따르고 보정하기 위해서 스폿의 변형의 민감한 광학적 모니터링을 구현하기 위해 활용된다. 다른 예에 따르면, 이 특성은 조준의 변화를 따르고 보정하기 위해서 스폿의 변위의 모니터링을 구성한다. 변형으로써, 2 개의 변형의 유형들은 동시에 모니터링된다.
일반적으로 말해서, 환형 형상의 반사 엘리먼트 (10) 가 얇을수록, 에어리 스폿의 직경은 작아지고, 이 사실은 디바이스의 더 좋은 감도를 가능하게 한다. 그러나, 얇은 링은 더 낮은 세기의 광을 반사하고, 결과로서 검출기의 감도가 적응되어야 한다. 따라서, 링 (10) 의 내경 (Dint) 및 외경 (Dext) 의 디멘전들은 크기 제약들, 원하는 분해능 및 검출기의 감도 간의 절충에서 비롯된다.
작은 디멘전들을 갖는 모니터링 이미지 (11) 를 획득하기 위해서, 소스 (S) 는 포인트-형이거나 또는 사실상 그래야 한다. 유리하게는, 소스는 적어도 하나의 광 섬유를 포함하는데, 이 광 섬유는 매우 작고 방출 파장의 광범위한 선택을 가능하게 한다. 예로써, 광 섬유는 5㎛ 내지 100㎛ 의 방출 디멘전을 갖는다.
유리하게는, 시스템은 약간 아웃 포커스에 있는 서로 가까운, 다시 말하면 이웃하여 위치되지만 정확하게는 초점면 (Pf) 에 있지 않은 2 개의 광 섬유들을 포함하는데, 제 1 섬유는 광학 축에 수직한 제 1 평면에 배치되고 이 제 1 평면에 평행하고 이 제 1 평면에 대하여 오프셋된 제 2 평면의 제 2 섬유는 2 개의 아웃 포커스 모니터링 이미지들이 생성되는 것을 가능하게 하며, 그 조합된 분석은 이미징 시스템의 광학 수차 (optical aberration) 의 사인이 결정되게 한다.
일 변형에 따르면, 이미징 시스템은 파면 모니터링이 본 발명에 따른 디바이스로 동작되는 경우에 동작한다. 이 변형은 이미지 검출기 (D) 와 상이하고 이미지 검출기 주변에 배치된 검출 엘리먼트 (C) 를 필요로 한다. 소스는 광학 이미징 시스템 (101) 에서 미광의 레벨을 증가시키지 않아야 한다. 유리하게는, 이미징 시스템 (101) 은 가시광 범위에서의 파장들에 대해 동작하고, 소스 (S) 는 검출기 (D) 가 덜 민감한 상이한 파장들에서 방출하여, 시스템 (101) 안으로 도입된 미광 (stray light) 을 최소화시킨다.
다른 변형에 따르면, 이미징 시스템 (101) 에 의해 이루어진 관측은 파면의 모니터링이 본 발명에 따른 디바이스에 의해 동작되는 동안 인터럽트된다. 이 변형은 이미지 검출기들 (D) 중 하나에 대응하는 검출 엘리먼트와 호환 가능하다.
센서 (C) 는 모니터링 이미지 (11) 의 광 분포를 검출할 수 있어야 한다. 센서 (C) 는 행렬 검출기, 전원 (full-circle) 검출기, 선형 센서, 또는 위상 다이버시티 (phase-diversity) 센서일 수 있다. 센서의 유형은 모니터링되기를 원하는 결함의 유형에 의존한다.
모니터링 방법은, 이미징 시스템 (101) 이 만족스러운 것으로 판단되는 소정의 광학 품질을 나타내는 경우 수행된, 교정 측정으로서 지칭된, 모니터링 이미지 (11) 의 제 1 측정과 시스템의 동작 주기 후에 수행된 모니터링 시스템 (11) 의 적어도 제 2 측정 간의 비교에 기초한다. 일 변형으로써, 시스템은 제 2 측정이 수행되는 경우 동작한다. 다른 변형에 따르면, 시스템은 제 2 측정이 수행되는 경우 일시적으로 인터럽트된다.
본 발명에 따른 디바이스에 의해 검출 가능한 결함의 유형의 제 1 예는 디포커싱과 같은 파면 결함이다. 모니터링 이미지의 디멘전에서의 변형의 측정으로부터, 파면의 품질의 악화를 야기하는 결함의 존재가 추론된다. 예로써, 디포커싱 결함은 제 1 및 제 2 측정들로부터 검출될 수도 있다.
본 발명에 따른 디바이스에 의해 검출 가능한 결함의 유형의 제 2 예는 조준의 오정렬인데, 이는 초점면 (Pf) 에서 모니터링 이미지 (11) 의 포지션의 변위를 유도한다. 모니터링 이미지 (11) 의 변위의 측정으로부터, 정렬 결함의 존재가 추론된다. 예로써, 오정렬은 조준의 오정렬을 나타내는 이미징 시스템에 대응하는 제 2 측정 및 정렬된 이미징 시스템 (101) 에 대응하는 제 1 측정에 기초하여 검출될 수도 있다. 모니터링 이미지의 포지션의 변위의 측정은 검출 엘리먼트 (C) 와 같은 전원 검출기의 사용과 호환 가능하다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술된 바와 같은 광학 모니터링 디바이스를 포함하는 광학 이미징 시스템 (101) 이 또한, 제공된다. 광학 이미징 시스템 (101) 은, 예를 들어 위성에 탑재되어 운반된, 지구의 관측을 위한 고분해능 망원경 (20 내지 50 cm 의 그라운드 분해능) 이다. 본 발명에 따른 디바이스를 포함하는 이러한 시스템 (101) 의 초점면 (Pf) 의 배열의 일 예가 도 10 에 도시된다. 이미지 검출기 (D) 는 복수의 선형 또는 행렬 센서들 (D1, D2 등) 로 구성된다. 예를 들어, 13㎛ 피치의 6000 포인트들을 갖는 5 개의 선형 센서들로 구성된 망막 (retina) 은 대략 50mm 의 높이 (h) 에 대해 대략 500mm 의 길이 (L) 를 갖는다.
장면의 스캔 방향은 x-축을 따라 발생한다. 본 발명에 따른 디바이스 (1) 의 소스 (S) 및 검출 엘리먼트 (C) 는 도 10 에 도시된 바와 같이 초점면 (Pf) 의 광학 축 (z) 의 어느 한 측 상에 배치된다.
유리하게는, 도 11 에 도시된 이미징 시스템 (110) 이 활성화되고, 또한 하나 이상의 모니터링 이미지들의 분석에 의해 식별된 결함을 적어도 부분적으로 보정하도록 하는 방식으로 광학 이미징 시스템 (110) 의 변경에 영향을 줄 수 있는 액츄에이터 (112) 를 제어하도록 설계된 제어 수단 (111) 을 포함한다. 예로써, 도 11 은 전술된 바와 같은 제 1 미러 (M1) 및 제 2 미러 (M2) 를 포함하는 액티브 이미징 시스템 (110) 을 도시한다. 측정된 결함의 유형은 디포커싱을 포함하고, 액츄에이터 (112) 는 이 디포커싱을 보정하도록 하는 방식으로 광학 엘리먼트, 예를 들어 제 2 미러 (M2) 의 변위를 지시하도록 설계된다. 프로세스는, 모니터링 이미지가 미리결정된 디멘전 또는 그 밖에 이전에 기록된 교정 이미지와 유사한 디멘전에 도달할 때까지, 모니터링 이미지 (11) 의 측정을 액츄에이터의 각각의 변위에 대해 수행함으로써 루프에 따라 반복적인 방식으로 적용될 수 있다.
유리하게는, 도 12 에 도시된 이미징 시스템 (120) 이 활성화되고, 본 발명에 따른 디바이스에 의해 검출된 결함은 예를 들어 전원 검출기와 같은 검출 엘리먼트 (C) 를 사용하는, 조준의 오정렬을 포함한다. 조준의 변형은 검출기 (C) 에 의해 수광된 모니터링 이미지의 분산화 (decentring) 를 초래한다. 검출 엘리먼트와 커플링된 분석 수단은 변위의 방향 및 규모를 식별한다. 이미징 시스템 (120) 은, 오정렬을 보정하도록 조준을 각지게 변경하도록 하는 방식으로, 회전 이동하는 미러 (Mtt) 유형 (또는 사용 시에 용어에 따라 팁-틸트 미러) 의 액츄에이터를 제어하도록 설계된 제어 수단 (113) 을 더 포함한다. 이동성 미러 (Mtt) 는 바람직하게, 이미징 시스템의 출사동 (exit pupil) 상에 배치된다.
프로세스는, 모니터링 이미지가 센터링될 때가지 모니터링 이미지 (11) 의 센터링의 측정을 미러 (Mtt) 의 각각의 변위에 대해 수행함으로써 루프에 따라 반복적인 방식으로 적용될 수 있다. 폐루프 제어의 대역폭은, 보정하기를 원하는 간섭 효과의 주파수에 적응된다.
일 변형으로써, 루프들의 2 개의 유형들은 액티브 광학 이미징 시스템에서 구현되고, 결함은 디포커싱 및 조준의 오정렬을 포함한다. 일 실시형태에 따르면, 소스 (S) 및 센서 (C) 는 2 개의 루프들에 공통적이다.
다른 실시형태에 따르면, 시스템은 2 개의 특수 센서들 (C) 을 포함하는데, 하나는 파면의 모니터링을 위한 것이고 다른 하나는 조준의 모니터링을 위한 것이다.

Claims (16)

  1. 초점면 (Pf), 광학 축 (z) 및 입사동 (entry pupil) 을 갖는 광학 이미징 시스템 (101) 용 광학 모니터링 디바이스로서,
    상기 광학 이미징 시스템은 상기 초점면 (Pf) 에 배치된 적어도 하나의 이미지 검출기 (D) 상에 무한점에서의 장면의 이미지를 형성하고,
    상기 광학 모니터링 디바이스는,
    - 상기 검출기 (D) 의 주변 및 상기 초점면 (Pf) 에 배치된 적어도 하나의 포인트-형 방출 소스 (S), 및
    - 평면을 갖는 반사 엘리먼트 (10) 를 포함하고,
    - 상기 장면에서 나오는 광선들의 전파 방향을 고려할 때, 그리고 상기 광학 이미징 시스템 (101) 에 의해 생성되고 상기 반사 엘리먼트 (10) 에 의해 반사된 상기 소스 (S) 의 모니터링 이미지 (11) 가 잠재적인 광학적 결함들이 식별되게 하는 상기 모니터링 이미지 (11) 를 분석하기 위한 수단에 연결된 검출 엘리먼트 (D, C) 상에서 상기 초점면 (Pf) 에 배치되도록 하는 포지션 및 기울기에 따라, 상기 반사 엘리먼트 (10) 는 상기 광학 이미징 시스템 (101) 의 상류에 배치되고,
    - 상기 반사 엘리먼트 (10) 는 상기 장면에서 나오고 상기 입사동을 관통하는 광선들의 통과를 가능하게 하도록 환형 형상을 갖는, 광학 모니터링 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 엘리먼트는 상기 이미지 검출기 (D) 주변에 배치된 센서 (C) 를 포함하는, 광학 모니터링 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 엘리먼트는 상기 이미지 검출기들 (D) 중 하나를 포함하는, 광학 모니터링 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 이미징 시스템 (101) 은 적어도 제 1 비구면 콜렉터 미러 (M1) 및 제 2 미러 (M2) 를 포함하는 망원경을 포함하는, 광학 모니터링 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 이미징 시스템 (101) 은 "TMA (Three Mirror Anastigmat)" 유형의 망원경을 포함하는, 광학 모니터링 디바이스.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사 엘리먼트 (10) 는 상기 제 2 미러 (M2) 둘레에 배치되는, 광학 모니터링 디바이스.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사 엘리먼트 (10) 는 상기 입사동의 유용한 직경에서의 감소의 효과를 최소화하도록 상기 제 1 미러 (M1) 에 가까운 거리에 배치되는, 광학 모니터링 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 (S) 는 상기 광학 축에 수직한 제 1 평면에 배치된 제 1 광 섬유 및 상기 제 1 평면에 평행하고 상기 제 1 평면에 대하여 오프셋된 제 2 평면에 배치된 제 2 광 섬유를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 평면은 상기 초점면 (Pf) 에 이웃하여 배치되고, 2 개의 디포커싱된 모니터링 이미지들은 상기 광학 이미징 시스템의 광학 수차 (optical aberration) 의 사인이 결정되는 것을 가능하게 하는, 광학 모니터링 디바이스.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 (C) 는 위상-다이버시티 센서인, 광학 모니터링 디바이스.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 (C) 는, 상기 광학 이미징 시스템 (101) 이 소정의 광학 품질을 나타내는 경우 상기 모니터링 이미지 (11) 의 교정을 위한 제 1 측정, 및 상기 광학 이미징 시스템 (101) 의 동작 주기 후에 수행된 상기 모니터링 이미지의 적어도 제 2 측정을 수행하고,
    상기 분석하기 위한 수단은 상기 모니터링 이미지의 상기 제 1 측정과 상기 제 2 측정 간의 비교에 의해 광학적 결함을 식별하도록 설계되는, 광학 모니터링 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 광학 이미징 시스템 (101) 의 디포커싱을 식별하도록 설계되는, 광학 모니터링 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 광학 이미징 시스템 (101) 의 조준의 오정렬을 식별하도록 설계되는, 광학 모니터링 디바이스.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 광학 모니터링 디바이스를 포함하는, 액티브 광학 이미징 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 결함을 적어도 부분적으로 보정하도록 하는 방식으로 상기 광학 이미징 시스템 (110) 의 변경에 영향을 줄 수 있는 액츄에이터 (112, Mtt) 를 제어하도록 설계된 제어 수단 (111,113) 을 더 포함하는, 액티브 광학 이미징 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 결함은 디포커싱을 포함하고,
    상기 액츄에이터 (112) 는 상기 디포커싱을 보정하도록 하는 방식으로 광학 엘리먼트 (M2) 의 변위를 제어하도록 설계되는, 액티브 광학 이미징 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 결함은 조준의 오정렬을 포함하고,
    상기 오정렬을 보정하기 위해 상기 조준을 각지게 (angularly) 변경하도록 하는 방식으로 회전 이동하는 미러 (Mtt) 유형의 액츄에이터를 제어하도록 설계된 제어 수단 (113) 을 더 포함하는, 액티브 광학 이미징 시스템.
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