[논문]과학기술위성3호 주탑재체 MIRIS의 광학계 시험설계

육인수; 진호; 이성호; 박영식; 이대희; 남욱원; 박장현; 한원용; 이종웅

doi:10.5303/pkas.2007.22.4.201

과학기술위성3호 주탑재체 MIRIS의 광학계 시험설계
PRELIMINARY OPTICAL DESIGN OF MIRIS, MAIN PAYLOAD OF STSAT-3 원문보기

천문학논총 = Publications of the Korean Astronomical Society, v.22 no.4, 2007년, pp.201 - 209

육인수 (한국천문연구원) , 진호 (한국천문연구원) , 이성호 (한국천문연구원) , 박영식 (한국천문연구원) , 이대희 (한국천문연구원) , 남욱원 (한국천문연구원) , 박장현 (한국천문연구원) , 한원용 (한국천문연구원) , 이종웅 (청주대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

We have preliminarily designed two infrared optical systems of the multi-purpose infrared camera system (MIRIS) which is the main payload of STSAT-3. Each optical system consists of a Cassegrain telescope, a field lens and a 1:1 re-imaging lens system that is essential for providing a cold stop. The Cassegrain telescope is identical for both of two infrared cameras, but the field correction lens and re-imaging lens system are different from each other because of different bands of wavelength. The effective aperture size is 100mm in diameter and the focal ratio is f/5. The total length of the optical system is 300mm and the position of the cold stop is 25mm from the detector focal plane. The RMS spot size is smaller than $40{\mu}m$ over the whole detector plane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 과학기술부 과학기술위성 개발사업 "과학기술 위성 3호 주탑재체 다목적 적외선 영상시스템 개발” 의 일환으로 수행되었다.
본 논문은 MIRIS를 구성하는 우주관즉 적외선 카메라 시스템과 지구관측 적외선 카메라 시스템의 광학계에 대한 시험 설계와 분석에 대하여 논한다.
2005). 지구관측 카메라 시스템 개발의 주요 목적은 국산 센서의 우주 인증이며 아울러 3 - 5 iim 파장 대역의 지구 적외선 영상을 제공하는 것이다. 한편 MIRIS의 지구관즉 카메라와 부탑재체인 COMIS (Compact Imaging Spectrometer)와의 관측 연계도 검토 중이다.

제안 방법

이는 지구관측 카메라와 COMIS가 지구를 관측할 때, 지구에서 방출되는 복사가우주관측 카메라 시스템으로 입사하는 것을 최소화하여 우주관 측 카메라 시스템의 온도를 최대한 낮추기 위함이다. 또한 위성 운용 시 우주관측 카메라와 지구관측 카메라가 태양을 직접 보지 않도록 함으로써 센서를 보호하고 시스템 온도가 상승하지 않도록 하였다.
우주관측 카메라 시스템은 77 K로 냉각되는 듀어 내부에 cold stop과 4개의 조각 필터로 구성된 필터 어레이를 설치하여 열잡음을 최소화 하였다. 지구관측 카메라 시스템은 센서가 듀어에 장착된 상태로 제공되므로 cold stop을 듀어 내부에 둘 수 없기 때문에 듀어 앞단에 warm stop을 설치하여 열잡음을 최소화하였다.
01 도 보다 훨씬 커야 하는데, 이 경우 cold stop이 재영사 렌즈 시스템 뒤에 위치하도록 광학계를 설계하는 것이 매우 어려워진다. 이에 따라 성상의 크기가 0.01 도 이내가 되도록 1초미만의 노출로 관측한 영상을 합성하는 방법을 택하고, 광학계의 RMS 스팟 크기가 0.01 도의 75%정도인 0.075도 보다 작도록 우주관 측 카메라의 광학계를 설계하였다.
수행할 예정이다. 첫째는 우리 은하면을 중심으로 360도 X 5도에 이르는 넓은 영역에 걸쳐 철 이온 방출광 (1.644 呻)과 수소원자에서 방출되는 Pa alpha 방출광 (1.875 um)을 탐사하여 원소의 분포와 은하의 진화를 규명하고 초신성 잔해를 발견하는 것이다. 둘째는 I (0.
카세그레인 망원경으로 집광을 하고, 입사광이 재 영사 렌즈 시스템에 의해 차폐 (vignetting) 되지 않도록 시야 렌즈를 사용하여 시야를 압축하였다. 재영사 렌즈 시스템은 카세그레인 망원경에서 발생하는 상만곡 등의 수차를 보정하고 센서 앞 25mm 위치에 cold stop을 생성하여 천체의 빛만 센서에 검출되도록 한다.
1:1 재영사 렌즈 시스템으로 구성된다. 특히 재 영사 렌즈 시스템이 만드는 stop의 위치가 렌즈 시스템의 후면에 놓이고 동시에 초점면으로부터 25 mm 떨어진 곳에 존재하도록 광학계를 설계하였다.

대상 데이터

망원경의 구경과 초점비는 우주관측 카메라와 같다. 관측 파장은 3 - 5 皿이며 위성의 고도가 700 km일 때 분해능은 42m이며 swath width는 13.4 km이다. 위성의 고도가 700 km 일 때 ground speed는 6.
시야 렌즈와 재영사 렌즈 시스템을 구성하는 렌즈의 재질은 BaF2와 LiF 이다. BaF2와 LiF는 JWST (James Webb Space Telescope)의 적외선 광학계에서 사용하는 재질로서 위성용 광학계에 사용된 사례가 있다.
지구관측 카메라 시스템은 우주관측 카메라 시스템과는 달리 필터어레이를 사용하지 않고 듀어 내부에 장착된 3 - 5 pm 파장만을 투과 시키는 밴드패스 필터를 사용한다. 우주관측 카메라 시스템과 같이 광학계 전체 길이는 300mm 이며 재 영사 렌즈 시스템의 길이는 26mm 이다. Warm stope 검출기 앞 25mm에 위치한다.
우주관측 카메라 시스템과 지구관측 카메라 시스템은 유효 구경이 100mm이고 초점비가 #5인 동일한 카세그레인 망원경을 사용한다. 우주관측 카메라 시스템의 경우 각분해능은 16.
지구관측 카메라 시스템은 국내 기업인 (주)i3 system 이 개발한 적외선 센서를 사용한다. 그런데 (주)i3 system이 센서를 듀어 내에 장착한 상태로 공급하기 때문에 듀어 내부에 임의의 cold stop을 추가하는 것이 불가능하다.
카세그레인 망원경의 길이는 171 mm 이며 1:1 재영사 렌즈의 길이는 25 mm 이다. 카세그레인 망원경의 주경의 크기는 100mm이고 부경의 크기가 37.

성능/효과

우주관측 카메라 시스템으로 적외선 우주 배경 복사를 관측할 때 센서의 화소에 해당하는 분해능이 18 arcsec 보다 크면 혼돈한계 (confusion limit)가 기기의 감도보다 커지기 때문에 노출시간을 길게 하여도 종합 감도는 향상되지 않는다. 따라서 우주관측 카메라 시스템의 분해능은 18 arcsec보다 작아야 한다.

후속연구

위성이 발사된 후 초기 3개월간의 시험기간을 거치고 나서 1년 동안 우주관측 카메라 시스템으로 우주를 관측할 예정이다. 이후의 시간은 MIRIS에 탑재된 지구관측 적외선 카메라 시스템으로 한반도 영역을 중심으로 촬영할 계획이다.
예정이다. 이후의 시간은 MIRIS에 탑재된 지구관측 적외선 카메라 시스템으로 한반도 영역을 중심으로 촬영할 계획이다. 위성은 하루에 14번 지구를 자전하는데, 그 중 9번은 우리은하의 방출광 탐사, 1번은 우주 배경 복사 관측, 나머지 4번은 관측 자료를 지상국에 전송하는데 사용된다.
5 um)을 만족한다. 향후 공차 해석과 열 해석 등으로 광학계를 최적화할 예정이다.

참고문헌 (9)

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육인수, 선광일, 유광선, 진호, 박장현, 남욱원, 이대희 오승한, 이진근, 한원용, 민경욱, J. Edelstein, E. Korpela, 2003, 과학기술위성 1호 원자외선 분광기 FIMS의 배플 설계, 천문학논총, 18, 87

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육인수, 이성호, 진호, 선광일, 박수종, 이대희, 남욱원, 문봉곤, 차상목, 한정열, 경재만, 김건희, 양진석, 2005, KASINICS의 광기계부 설계, 천문학논총, 20, 143

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이대희, 박수종, 육인수, 남욱원, 진호, 이성호, 한정열, 양형석, 김동락, 김건희, 박성제, 김병혁, 정한, 2005, 우주탑재용 적외선카메라 시험모델의 광학계 설계, 한국우주학회지, 22, 473
이대희, 이성호, 한원용, 박장현, 남욱원, 진호, 육인수, 박영식, 박성준, 이형목, 박수종, A.Cooray, 2007, 천문학논총, submitted
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Offner, A., 1975, Opt. Engineering, 4, 130

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