(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一次ミラーと、前記一次ミラーを含む支持ベースと、二次ミラーと、複数のメカニカルアームを含み前記二次ミラーの支持部を支える機械構造と、取得した画像を捕捉する光電子測定手段を備える光学式宇宙観測システムであって、
前記光電子測定手段により配信されるデータに基づき、前記二次ミラーの位置決めを修正するためのデータを計算する計算手段と、
前記支持ベース上に位置する複数のアクチュエータを含むアクチュエータシステムと、
を有し、
前記アクチュエータが前記メカニカルアームの下端に接続され、
前記メカニカルアームの上端が前記二次ミラーの支持部の周辺において該支持部に接続され、
前記アクチュエータが、前記計算手段により計算されたデータに応じて前記支持ベースの上面に直角な並進運動の軌道上で前記メカニカルアームの下端を移動させることで前記二次ミラーの位置が調整され、
前記光学測定手段と前記計算手段と前記アクチュエータシステムが、光学システムの観測用構成を調整するために、前記二次ミラーの位置を修正するアクティブ制御の制御系を構成する
ことを特徴とする光学式宇宙観測システム。
【請求項２】
前記二次ミラーの位置の修正中は、前記メカニカルアームの長さが一定であることを特徴とする請求項１に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項３】
前記計算手段が、波面再生アルゴリズムを用いて前記二次ミラーの位置決めを修正するためのデータを計算することを特徴とする請求項２に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項４】
前記アクチュエータシステムと前記機械構造が、焦点面とのずれに起因する欠陥を有する画像を得るための機械的手段を構成することを特徴とする請求項３に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項５】
前記機械構造が、第一の構成において、前記支持部が前記支持ベース上にあり、第二の構成において、前記支持部が前記支持ベースから離れた位置にあるように、展開可能な構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項６】
前記光学式宇宙観測システムが宇宙船の内部に設置可能であり、前記機械構造は、前記光学式宇宙観測システムが前記宇宙船内に設置されるとき、前記第一の位置において構成され、前記光学式宇宙観測システムが観測モードにあるとき、前記第二の位置において構成されることを特徴とする請求項５に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項７】
前記アクチュエータシステムが、前記支持ベースの上面に対して直角な並進軸を伴うアクチュエータを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項８】
前記アクチュエータシステムが、前記支持部を６つの自由度で移動させるために、前記支持ベースの周辺にわたって分配される６つのアクチュエータを有することを特徴とする請求項７に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項９】
前記支持部を支える前記機械構造が、６つのメカニカルアームを有することを特徴とする請求項８に記載の光学式宇宙観測システム。
【請求項１０】
前記二次ミラーが前記支持部上で固定されていることを特徴とする請求項９に記載の光学式宇宙観測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は宇宙観測用の光学システム、とりわけ宇宙船に搭載され、宇宙に展開されることを目的としている光学観測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで、宇宙観測用の光学システムとは、宇宙からの地球観測用又は深宇宙観測用の、高解像度の画像取得を可能にする望遠鏡を意味することを意図している。これらの望遠鏡は、例えばカセグレン式、グレゴリー式、コルシュ式、リッチー−クレティアン式、あるいはニュートン式等である。宇宙望遠鏡の光学検出器は、非常に低い光度を持つ対象の画像を、一般に光学システムの安定化容量によって課される限界内での露出時間を必要とするだけで、記録できなければならない。これらの用途は、ますます大きなサイズ及びより高い性能を伴う宇宙観測システムの使用を必要とする。
【０００３】
宇宙望遠鏡は、軌道に置かれるように定められた人工衛星に取り付けられることを目指している。現在、望遠鏡は地上で行なわれる光学的調整の大幅な変更なしで、人工衛星を宇宙へと送るための打上げ段階の振動と、次に熱弾性的な軌道上の応力に耐えることができるように設計される。これらの制約は新種の材料を使用する極度に丈夫な構造、超安定な接続、及び超精密な温度制御システムの設計に至らせる。そのような構造設計の結果は、大きな重量と高いコストである。
【０００４】
さらに、近い未来に、将来の観測システムにおける表面収集に対する強い要求は、それらの構造が展開可能になるであろうことを意味する。上述の望遠鏡は一次ミラー、一次ミラーから選ばれた距離だけ離れた二次ミラー、及びその上に二次ミラーの支持部を支える機械構造が位置する、一次ミラーを含む支持ベースを備える。展開可能な構造は、第一の構成において、二次ミラーが支持ベースに近いか又は支持ベースと接触する位置にあることができ、そして第二の構成において、一次ミラーから離され得る構造を意味すると理解される。このタイプの構造のおかげで、人工衛星を地上からその宇宙飛行任務の軌道に運ぶとき、衛星の占有スペースを低減でき、その結果としてより多くの衛星を打上げロケットの機上に積載できる。これらの構造に対して、しかしながら、飛行において光学的調整の実行を可能にするシステムが考慮されなければならない。
【０００５】
このために、二次ミラーの接続部分において六脚から成る、機械的調整及び修正用のシステムを有する望遠鏡が存在する。この六脚はアクチュエータのシステム、アクチュエータの制御システム、及び給電用配線を含む。そのような解決策は、後者の要素もまた展開可能にすることを含む。例として、例えば望遠鏡の二次ミラーであり得るプレートを制御するための、機械的システムを説明する米国特許第６，４７７，９１２号明細書が知られている。
【０００６】
修正用のアクティブ制御システムは、しばしば波面再生アルゴリズムを用いる。例として、位相ダイバーシティによる波面再生用のアルゴリズムを例えば用いる、光学システム用の制御の解決策を説明する米国特許第４，３０９，６０２号明細書について言及され得る。
【０００７】
図１は一次ミラー及び二次ミラー１０６を有する、現存する宇宙望遠鏡の単純化された図を表わす。一次ミラー（図示せず）は支持ベース１００上に位置し、二次ミラー１０６は、３対のメカニカルアーム１０１を備え、一次ミラーから二次ミラーを分離することを目的とする展開不能かつ固定された第一の機械構造１１０と、二次ミラー１０６をプレート１０７に接続する機械要素１０３から成る、第二の機械構造とによって支持される。二次ミラーの位置は、プレート１０７を移動させることにより、アクチュエータ１０２によって変更される。プレート１０７、二次ミラー１０６、アクチュエータ１０２、及び第二の機械構造は、二次ミラーの位置変更を可能にする六脚構造１２０を形成する。この六脚はまた給電、制御等のための電子システムを含む。この後者の解決策は、それが二次ミラーの位置及び方向の修正を可能にするが、光学システムの重心から離れた位置における質量の増加をもたらす。この構成はシステムの敏捷性を低減させ、望遠鏡の第一の固有モードの振動周波数を低下させる。さらに、二次ミラーにおけるこの質量の増加は、発射段階の間の加速度に耐え得るように、構造における剛性の増加を必要とし、その結果として構造の質量増加を必要とする。
【０００８】
ロボット工学の分野、特にロボットハンドの設計、又は代わりにフライト・シミュレータの設計に関する連結装置を記述している、ＩＮＲＩＡ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  ｄｅ  Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ  ｅｎ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｑｕｅ  ｅｔ  ｅｎ  Ａｕｔｏｍａｔｉｑｕｅ）の名前における、仏国特許出願公開第２６２８６７０号明細書が知られている。この連結装置は、高い位置決め精度を可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
より詳細には、本発明の目的は、上述の解決策の欠点を緩和すること、及びより優れた性能を提示し、宇宙用途における応力に耐える、より大きな規模の光学系のアクティブ制御用の手段を有する光学システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
より正確には、本発明は、少なくとも一次ミラーと、一次ミラーを含む支持ベースと、二次ミラーと、複数のメカニカルアームを含み二次ミラーの支持部を支える機械構造と、取得した画像を捕捉する光電子測定手段を備える。本発明による光学式宇宙観測システムは、
光電子測定手段により配信されるデータに基づき、二次ミラーの位置決めを修正するためのデータを計算する計算手段と、
支持ベース上に位置する複数のアクチュエータを含むアクチュエータシステムと、
を有し、
アクチュエータがメカニカルアームの下端に接続され、
メカニカルアームの上端が二次ミラーの支持部の周辺において該支持部に接続され、
アクチュエータが、計算手段により計算されたデータに応じて支持ベースの上面に直角な並進運動の軌道上で前記メカニカルアームの下端を移動させることで前記二次ミラーの位置が調整され、
光学測定手段と計算手段と前記アクチュエータシステムが、光学システムの観測用構成を調整するために、二次ミラーの位置を修正するアクティブ制御の制御系を構成する
ことを特徴とする。
【００１１】
修正の間、メカニカルアームの長さは一定であり、二次ミラーはその支持部において固定されている。
【００１２】
本発明は、望遠鏡の光学系用のアクティブ制御システムの電子的及び機械的手段に専用の部分が、支持ベース上に位置するために有利である。従ってその質量は主としてベースにわたって分配され、重心はそれゆえ低くなる。
【００１３】
第一の実施形態において、二次ミラーの支持部を支える機械構造は、第一の構成において、そのミラーの支持部が直接的に支持ベース上にあり、第二の構成において、そのミラーの支持部が支持ベースから離れた位置にあるように、展開可能な構造である。
【００１４】
望遠鏡の構造が、二次ミラーにおいてアクチュエータのシステムをもはや持たないため、機械構造がより少ない寸法的安定性の制約で設計され得るという理由で、この解決策は二次ミラーの展開可能な構成を伴う望遠鏡の構造の使用を容易にする。これは望遠鏡の調整が軌道上で行なわれるためである。有利なことに、二次ミラーを支える構造はより小さい質量を有するため、この光学システムはより優れた敏捷性をまた示す。
【００１５】
宇宙望遠鏡の寸法もまた大きくすることができ、従ってより高度な性能の光学システムを設計することを可能にする。
【００１６】
有利なことに、宇宙望遠鏡は宇宙船の内部に設置でき、機械構造は、システムが前記宇宙船内に設置されるとき、前記第一の位置において構成され、そしてシステムが観測モードにあるとき、前記第二の位置において構成される。展開可能な構造は光学システムの占有スペースを低減させ、その結果として打上げロケット内で、より多くのシステムを運ぶことを可能にする。
【００１７】
第二の実施形態において、機械構造は展開できない構成である。二次ミラーを制御するための電子機器及び機械装置は、支持ベース上に位置し、二次ミラーの支持用の望遠鏡の上側部分は、支持ベースに容易に適合し得る。
【００１８】
双方の実施形態において、機械的構成が光学システムの設計及び開発を、二次ミラーにおけるアクティブ制御システムを伴う解決策よりも更にフレキシブルにするため、本発明は有利である。確かに、本解決策は展開可能、又は展開不能な二次ミラーを伴う構成を用いることを可能にする。支持ベースは、二次ミラー支持用の標準化された機械的ベースを構成する。
【００１９】
好適な実施形態において、アクチュエータのシステムは、支持ベースの上面に対して直角な並進軸を伴うアクチュエータを有する。アクチュエータのシステムは、二次ミラーの支持部を６つの自由度で移動させるために、支持ベースの周辺にわたって分配される６つのアクチュエータを有する。この実施形態に関して、ミラーの支持部を支える機械構造は、長さが約１ｍに等しい６つのメカニカルアームを望ましくは有する。
【００２０】
本発明による自動修正される宇宙望遠鏡の製作に関して、光学測定手段、計算手段、及びアクチュエータのシステムは、光学システムの観測用構成を調整するために、二次ミラーの位置決めを修正するアクティブ制御のチェーンを構成する。
【００２１】
望ましくは、計算手段は波面再生アルゴリズムを用いて、二次ミラーの位置決めを修正するためのデータを計算し、アクチュエータのシステム及び、二次ミラーの支持部を支える機械構造は、測定された画像に対して欠陥を導入することを目指す機械的手段を構成する。機上のアクティブ制御システムは、望遠鏡の画像測定に基づく所与の位置において提供される、位置決めの修正を決定する。本発明は、構造に結合された気象システムの使用を回避する。これは望遠鏡に関するコスト及び質量の点で、システムの単純化をもたらす。
【００２２】
本発明は、制限されずに与えられる以下の記述を読むことにより、そして添付図のおかげでより良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】二次ミラーの制御用の六脚を二次ミラーの所に有する、自動修正される宇宙望遠鏡用の既存の解決策の単純化された図を表わす。
【図２】一次ミラー及び二次ミラーを有する望遠鏡の、六脚に関する機械構造及びアクチュエータ・システムの好適な実施形態の単純化された図を表わす。明確化のために、望遠鏡のその他の要素は表わされていない。二次ミラーは、複数のアクチュエータが同じ構成を有する第一の位置に置かれる。
【図３】第二の位置にある二次ミラーを伴う、同じ機械構造及びアクチュエータ・システムの単純化された構造を表わす。複数のアクチュエータは異なる構成で位置するように制御される。図におけるアクチュエータの変位値の範囲の表現もまた、単純化された表示である。
【図４】同じ機械構造の単純化された図を表わす。この機械構造は展開可能であり、二次ミラーが支持ベース上に直接置かれている位置におけるシステムを例証している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の目的は、宇宙望遠鏡タイプの光学システムの質量軽減、及び光学システム、特に展開可能であり得る二次ミラーを持つ、光学システムに対する敏捷性の改善を可能にすることである。しかしながら本発明は、展開可能な機械構造を伴う光学システムに限定されない。事実、本発明の１つの利点は光学システムの設計の柔軟性と、その上に二次ミラーを持つ構造が支持されている、標準の機械要素及び制御要素を形成する支持ベースである。
【００２５】
このために、図２及び３によって記述されるような本発明は、一次ミラー及び二次ミラー４を有する高解像度の宇宙望遠鏡の機械構造に関する。
【実施例】
【００２６】
図２は、二次ミラーの初期位置調整を伴う宇宙望遠鏡の機械構造の、単純化された図を表わす。ミラーの位置決めを制御する各アクチュエータは、同じ静止位置にある。一次ミラーは明確化のため表示されていないが、それは、支持ベース１の上面に位置する。二次ミラー４の支持部３は支持ベース１上の機械構造２により支えられ、前記支持ベース１は、その支持ベース１の上面に直角な並進運動を実行するアクチュエータのシステム５を用いて、二次ミラー４の位置決めの制御を可能にする。アクチュエータのシステム５は、支持ベースの周辺に分配された６つのアクチュエータを有する。その運動は機械構造の各アーム２１〜２６の下端において行なわれる。
【００２７】
衛星が軌道上にある時の宇宙光学システムの作動段階の間、前記作動段階は観測段階と、二次ミラーの位置決めを変更することにより、観測を修正する段階とを含み、メカニカルアーム２１〜２６の長さは一定である。二次ミラーは、画像の焦点面が光電子測定手段の画像検出手段の検出面に相当するように、一次ミラーから十分離れていなければならない。作動の構成におけるメカニカルアームの長さは、およそ１ｍであることが望ましい。機械構造２が展開可能である場合、前記アームの長さは、光学システムを運転状態にする段階の間に可変であり得る。この段階は一般に衛星が打上げロケットから分離され、軌道へ投入された後に生じる。衛星が展開可能な二次ミラー構造を持たない場合、アームの長さは作動段階に関わりなく同一である。機械構造２を展開する実施形態の選定は、本発明の範囲を制限しない。
【００２８】
支持ベース１はまた望遠鏡の光学系のアクティブ制御用システムも含む。図は明確化のために電子計算手段及び制御手段を表示していない。光学測定手段、計算手段、及びアクチュエータのシステム５は、宇宙望遠鏡の観測用構成を調整するため、ミラー４の位置決め修正用のアクティブ制御チェーンを構成する。光電子測定手段は、一般に例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ＝電荷結合デバイス）タイプの、高解像度電子センサーを備える。これらのセンサーは望遠鏡の焦点面に位置する。計算手段は画像処理作業を行ない、それに基づいて二次ミラー４の位置決め修正用のデータが計算される。
【００２９】
別の実施形態において、光学システムは電子機器及び二次ミラー制御用の手段を含み、一方で計算手段は地上に位置する。光学システムを搭載している衛星は、そのとき修正データを受信するため、地上との通信手段を同様に有する。
【００３０】
二次ミラーの位置決め修正を計算するための画像処理機能は、望ましくは波面再生アルゴリズムに基づく。限定されない例として、位相ダイバーシティ・アルゴリズムが言及され得る。先行技術において引用されている書類は、波面解析による計算の方法を記述している。位相再生は、数値反転法を用いることにより、画像内に含まれる機器の光学収差についての情報を読み取ることにある。計算を行なうための、複数の方法及びハードウェア構成が存在する。
【００３１】
波面解析による修正の原理を想起されたい。この原理は二次ミラーの位置決めの欠陥を、画像に対するそれらの影響を介して評価することにある。光学システム設計時に決定されるシステムの光感度マトリックスに基づき、画像内で検出される収差に対する二次ミラーの芯ずれの影響が知られている。逆行列を焦点面からの距離が既知である画像に適用することにより、二次ミラーの芯ずれの評価を補充することが可能であり、それゆえ修正の評価を行なうことができる。
【００３２】
焦点面とのずれに起因する欠陥を有する画像を測定するために、これらの欠陥は追加の機械的手段、例えば画像検出器を移動させるための手段により、又は追加の光学プレートの導入により、あるいは二次ミラーを移動させることにより導入される。望ましくは、本発明は記録された画像に対して欠陥を導入する既知の位置に二次ミラーを移動させることにより、二次ミラーの位置決めを修正するためのデータを計算する。それにもかかわらず、画像に対して欠陥を導入する方法は、本発明の範囲及び趣旨を何ら制限しない。
【００３３】
位相ダイバーシティ法により、最適な観測位置に近付くために二次ミラーの位置決めは繰り返し調整され得る。画像測定及び二次ミラーの位置決め修正の方法は、打上げロケットの発射段階の後に行なわれるが、しかしその構造及び／又はその材料の経年変化現象に直面したとき、望遠鏡の最適性能を確実にするため、宇宙飛行任務においても複数回行なわれる。
【００３４】
図３は、測定手段において検出された画像が欠陥を有するような、ミラーが正しく位置合わせされていない構成における、光学システムの単純化された図を表わす。二次ミラーの位置決めは、支持ベース１上に置かれているアクチュエータ５１〜５６の並進運動により変更される。各アクチュエータは、メカニカルアームの下端を支持ベース１の上面に対して直角に移動させる。メカニカルアームの下端の変位値の範囲は、およそ数ｃｍである。機械構造２はメカニカルアーム２１〜２６を含み、メカニカルアームの各々はその端部の１つにおいて旋回接続又は回転接続を、そして他の端部において回転接続を備え、これらの回転接続は、一方でメカニカルアームを二次ミラーの支持部３に結合し、他方で前記メカニカルアームを支持ベースのアクチュエータに結合する。その接続は自在継手、回転軸受、軸受要素のような要素や、更にまたフレキシブルな要素、あるいはアーム自体の柔軟性を用いる、様々な方法で形成され得る。アームの長さは一定のままである。この機械構成はそれゆえ、二次ミラーの方向を６°の自由度だけ移動させることを可能にする。
【００３５】
二次ミラーの位置決めを修正するためのデータを計算する計算手段は、これらの修正をアクチュエータのシステム５の制御システムに伝送する。この制御システムは、二次ミラーを位置決めするための修正データを、アクチュエータ５１〜５６の各々のための制御データへと変換し、前記アクチュエータはメカニカルアームのベースの高さにおける位置変更を行なう。アクチュエータの制御法則の目的は、二次ミラーの位置決めに対する指示をアクチュエータ５１〜５６の高さの位置決めへと変換することである。
【００３６】
光学系を制御するための電子機器及び機械的手段は、支持ベース上に位置する。二次ミラー４を支持する二次構造２および３は、光学的調整が軌道上で行なわれるとすると、地上で調整される機械構成と比較して低い受動寸法的安定要求を特徴とする機械要素を用いて設計されることが望ましい。一旦軌道に乗ると、この構造は強い機械的応力を受けない。この後者の構造は又より敏捷で、前記構造の構成を変更するために要するエネルギーもまた少なく、そして変位はより正確である。総合的に、支持ベース上に位置するアクチュエータのシステムでは、光学システムは、精度と修正効率においてより良く機能する二次ミラーの位置決めの自動修正システムを有する。
【００３７】
図４は、二次ミラーの支持部が第一の位置において支持ベース１上に直接あるように、展開可能なミラーの支持部を支える機械構造を表わす。従って、宇宙望遠鏡は宇宙船内に設置され、機械構造はシステムが前記宇宙船内に設置されたとき、前記第一の位置において構成される。展開可能な構造は光学システムの占有スペースを減らし、それゆえ打上げロケットの内部でより多くのシステムを運ぶことを可能にする。
【００３８】
本発明は、特に光学系のアクティブ制御を伴う宇宙望遠鏡を対象としている。単に例として記述されている二次ミラーの制御用アルゴリズムは、位相ダイバーシティによる波面再生を伴うアルゴリズムに基づく。それにもかかわらず、本発明は当業者が添付の請求項から逸脱することなく想定し得る、全ての変形を含む。
【００３９】
本発明はまた、特に展開可能な二次ミラーを伴う望遠鏡に関するが、しかしそのタイプの構成には限定されない。
【図２】
0005617134.tif 000002
【図３】
0005617134.tif 000003
【図４】
0005617134.tif 000004
【図１】
0005617134.tif 000005