Warum ermöglicht ein Spiegel, der wie ein Kartoffelchip gebogen ist, dass Weltraumteleskope kleiner sind und ein breiteres Sichtfeld haben?

Ich habe NASA-Artikel durchstöbert und bin auf Folgendes gestoßen: Raus mit dem Alten, rein mit dem Neuen: Teleskopspiegel bekommen eine neue Form

Diese aufstrebende Spiegeltechnologie, die als Freiformoptik bezeichnet wird und durch Fortschritte in der computergesteuerten Fertigung und beim Testen hervorgerufen wurde, hat einen grundlegenden Wandel in der optischen Technik ausgelöst Satelliten - eine zunehmend beliebte und kostengünstige Alternative zu traditionelleren Missionen, deren Bau und Start teurer sind.

Teleskope für Cubesats ?!

Der Artikel hatte diese Abbildung und ich versuche herauszufinden, wie dies in ein klares Bild ohne Verzerrungen umgewandelt wird und warum das Teleskop so viel kompakter sein kann.

Es war ein kurzer Artikel, der nicht einmal versuchte, dies zu erklären, und als ich nach anderen Artikeln zum Thema für Nicht-Experten suchte, fand ich zip. Vielleicht ist das sehr schwierig zu erklären, aber ich dachte, ich würde trotzdem fragen. Ich habe vor ein paar Wochen einem begeisterten Jugendlichen gesagt, dass es nicht möglich ist, ein Teleskop auf einen Würfel zu bringen, das für alles Nützliche gut ist. Hoppla...

space-telescope optics

— Kim Holder
quelle

Sie suchen gezielt einen Artikel für ein allgemeines Publikum? Ich denke, dieser Satz sollte herausgegriffen werden, oder manche denken, Sie möchten eine tiefere Erklärung.

Ein kurzer Blick auf Freiform-Brillen, zum Beispiel für Astigmatismus, könnte Ihre Frage für die Mitglieder dieses Boards vereinfachen.

@Spacer Nun, vielleicht ist das allgemeine Publikum ein starker Begriff. Was ich meine ist, dass ich nichts außer Artikeln für Leute auf dem Gebiet gefunden habe. Ich verstehe die Prinzipien der Linsenformung für Astigmatismus, kann aber von dort nicht erfahren, wie das von einem sattelförmigen Spiegel reflektierte Licht gesammelt und als unverzerrtes Bild gespeichert wird.

— Kim Holder

Auf einem Cubesat erhalten Sie eine Öffnung von 100 mm. Mit der klassischen Optik können Sie es vor dem Start "komprimieren", im Weltraum öffnen und die Rückseite des Instruments weiter von der Vorderseite wegdrücken. Bei einem vollkugelförmigen Design wie einem Spot-Maksutov-Cassegrain ist die Kollimation nicht so kritisch, daher würde die Kollimation den Start und die Bereitstellung überleben. Ausgebaut wäre es etwas mehr als 300 mm lang, nicht schlecht. Jetzt haben Sie eine Apertur von 100 mm über der Atmosphäre, die frei von Lichtverschmutzung ist und sehr lange Belichtungszeiten ermöglicht. Ich würde sagen, es wäre nützlich, Sie könnten damit recherchieren.

— Florin Andrei

Sehen Sie sich noch besser das Prinzip für das Hyperstar-Add-On für SCTs an. Sie erhalten ein enorm schnelles f / 2-Brennweitenverhältnis. Es werden lediglich ein Primärspiegel und der Korrektor vor der Kamera benötigt. In Kombination mit der Abwesenheit von Lichtverschmutzung und den dadurch ermöglichten sehr langen Belichtungszeiten könnte das f / 2-Brennweitenverhältnis aus einer Forschungsperspektive heraus wirklich etwas Interessantes erreichen alles. Das f / 2-Instrument in einem Vakuum kann sehr gut sehr schwache ausgedehnte Objekte (wie einige Nebel) sehen.

— Florin Andrei

Freiformoptiken sind eine Antwort auf die besondere Herausforderung, ein Teleskop auf engstem Raum zu verstauen. Ein traditionelles Instrument hätte alle Optiken symmetrisch und auf derselben Achse ausgerichtet. Es würde viel Platz im Cubesat verschwenden. Außerdem sind traditionelle Designs in der Regel viel länger als breiter. Sie passen nicht gut in einen Würfel. Es ist sehr schwierig, klassische Instrumente herzustellen, die so kurz wie breit sind.

Mit einer Freiformoptik können Sie das Licht innerhalb des Würfels in einige Richtungen reflektieren. Sie würden immer noch eine anständige Brennweite erreichen und das gesamte zur Verfügung stehende Volumen nutzen.

Da das Licht von Spiegeln in anderen Winkeln als normal reflektiert wird, können Sie die herkömmlichen symmetrischen Formen wie Parabolisch, sphärisch usw. nicht verwenden. Sie müssen grundsätzlich ein Paraboloid nehmen und in eine Richtung zerquetschen, damit es in etwa wie ein Parabolisch funktioniert Spiegel (ich vereinfache), aber in einem Reflexionswinkel von etwa 45 Grad.

In einem solchen Instrument könnten mehrere "Kartoffelchip" -Spiegel vorhanden sein, wie in der obigen Abbildung dargestellt. Sie müssen das Instrument als Ganzes entwerfen; Computersimulationen passen die Form jedes Spiegels an, bis die Leistung des gesamten Instruments einem klassischen geraden Design nahekommt.

Soweit ich das beurteilen kann, ist die Fertigungspräzision so, dass Freiformoptiken nur bei langen Wellenlängen wie Infrarot einsetzbar sind, bei denen weniger präzise Optiken verwendet werden können. Die Technologie verbessert sich jedoch ständig. Dies hängt auch davon ab, wie viel Aberration Sie in Ihrem Bild tolerieren können.

Für den Einsatz vom Boden aus ist dies weniger nützlich, es sei denn, Sie benötigen unbedingt ein Teleskop mit einem sehr kleinen Formfaktor aus irgendeinem Grund. Klassische Optiken werden nach wie vor bevorzugt, wenn Platz und Form nicht eingeschränkt sind.

— Florin Andrei
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Das hilft mir ein bisschen, obwohl ich nicht annähernd in der Lage bin, mir das vorzustellen. Also haben die Innenwände des Cubesat (das könnte auch ein 6U sein - von 6 Einheiten, ich weiß nicht, wo der Cut-Off ist) diese geformten Spiegel, und sie stören die Apertur nicht? Geht der sattelförmige als Primärspiegel ein?

— Kim Holder

Ich kann kein gutes Diagramm für das Cubesat-Design finden. Wie auch immer, die Gesetze der Optik verlangen, dass Sie "Freiform" -Spiegel überall dort haben, wo der Reflexionswinkel weit von der Normalität entfernt ist. Die Idee ist nicht ganz neu, wie es in der Optik üblich ist: googeln Sie das Schiefspiegler-Design nach einer ähnlichen Idee, obwohl die Gründe dort unterschiedlich sind; Sie verwenden einen Ringspiegel für eine außeraxiale Reflexion ohne Aberrationen.

— Florin Andrei