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Die Erfindung betrifft ein reflektierendes optisches Element für ein
optisches Instrument, z. B. Teleskopspiegel, mit wenigstens einer reflektierenden
Oberfläche, dessen Randteile von Kantenflächen umgeben sind, die sich etwa senkrecht
zur erwähnten reflektierenden Fläche erstrecken.
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Theranische Deformationen bei Teleskopspiegeln kann diese Spiegel,
insbesondere in der Nähe des Spiegelrandes, erheblich beeinträchtigen. Eine derartige
thermische Deformation tritt dann auf, wenn der Teleskopspiegel einem Temperaturwechsel
unterworfen wird, was beim Betrieb des Teleskops meistens der Fall ist.
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Um.. diese thermische Deformation zu verringern oder zu vermeiden,
ist es bekannt, den Spiegel in einer wärmeisolierten Zelle anzuordnen. Eine derartige
Zelle muß den .?Spiegel halten können, was bei großen Spiegeln im allgemeinen die
Verwendung einer Stahlkonstruktion erfordert, um die nötige Stützung sicherzustellen.
Die Folge hiervon ist, daß die Zellenkonstruktion eine beträchtliche thermische
Kapazität hat, die unerwünschte Effekte hervorrufen kann. Eine alternative Möglichkeit
besteht darin, den Spiegel zu heizen, aber dies erfordert die Kenntnis der äußeren
Temperaturbedingungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Deformation
des optischen Elementes der eingangs genannten Art weitgehend mit einfachen Mitteln
auszuschalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß thermisches
Isolationsmaterial in Berührung mit den genannten Kantenflächen vorgesehen ist und
die thermischen Eigenschaften und die Dicke dieser thermischen Isolation so gewählt
sind, daß Isothermen innerhalb des reflektierenden Teiles, die in im wesentlichen
zur reflektierenden Oberfläche parallelen Ebenen auftreten, keine bemerkenswerte
Richtungsänderung im Bereich der genannten Randteile und Kantenflächen erfahren.
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Die Isolation erfolgt vorzugsweise derart, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit
einer Temperaturstörung, die in einer Richtung etwa rechtwinklig zur reflektierenden
Oberfläche fortschreitet, sowohl in dem reflektierenden Teil als auch in der Isolation
etwa gleich ist.
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Das Isolationsmaterial kann anisotrop sein, und zusätzlich zu den
vorerwähnten Eigenschaften bezüglich der Ausbreitungsgeschwindigkeit hat es vorzugsweise
eine geringe thermische Leitfähigkeit in einer Richtung parallel zur reflektierenden
Oberfläche. Im allgemeinen wird der reflektierende Teil ein runder Spiegel mit einer
gewölbten, reflektierenden Oberfläche sein, und die vorerwähnten Richtungen sind
dann Radien senkrecht zur optischen Achse.
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Im Falle eines Glasspiegels kann die thermische Isolation aus wenigstens
einer aus Glasfasern aufgebauten Schicht bestehen, wobei die Glasfasern etwa parallel
zur optischen Achse ausgerichtet sind.
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Gemäß einer anderen Verwirklichung des Erfindungsgedankens kann die
Isolation aus aufeinanderfolgenden Schichten verschiedener Isolationsmaterialien
bestehen oder wärmeisolierende und wärmeleitende Schichten umfassen, um die erforderlichen
Eigenschaften zu erhalten.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise
beschrieben. Es stellt dar F i g.1 eine typische Verteilung von Isothermen in einem
Teleskopspiegel während des Betriebes, F i g. 2 die Verteilung der Isothermen, wenn
eine thermische Isolationsschicht entsprechend der Erfindung verwendet wird, F i
g. 3 einen Schnitt durch den Rand eines Teleskopspiegels zur Darstellung einer thermischen
Isolation gemäß der Erfindung, F i g. 4 einen Schnitt durch den Rand eines Spiegels
unter Verwendung einer alternativen Isolation nach der Erfindung, F i g. 5 einen
Schnitt durch einen kombinierten Aufbau einer Isolation nach der Erfindung sowie
eine Radialhalterung für den Spiegel und F i g. 6 eine vergrößerte Ansicht der Radialhalterung
gemäß F i g. 5.
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Bei der Verwirklichung der Erfindung in den beispielsweise dargestellten
Formen zeigt F i g. 1 einen Teleskopspiegel l mit rechteckigem Querschnitt. Die
Temperaturverteilung im Spiegel während des Betriebes erzeugt Isothermen, von welchen
einige durch gestrichelte Linien 2 verdeutlicht sind, die im wesentlichen in Ebenen
ungefähr senkrecht zur optischen Achse X-X des Spiegels auftreten. In der Nähe des
Spiegelrandes sind .die Isothermen einer Richtungsänderung unterworfen, so daß sie,
wie gezeigt, parallele oder annähernd parallel zur Kantenfläche 1 a des Spiegels
verlaufen. Als Folge dieser Temperaturverteilung werden die- Spiegelflächen deformiert
und nehmen eine der Form der Isothermen entsprechende Form an. Die Folge hiervon
ist, daß der äußere Teil des Spiegels, d. h. der Teil rechts der Linie a-a, häufig
wesentlich gestört ist.
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Durch eine thermisch isolierende, Schicht 3 an der Kante des Spiegels,
wie in F i g. 2 gezeigt, kann erreicht werden, daß die gesamte Spiegeloberfläche
praktisch unverformt bleibt, vorausgesetzt, daß die isolierende Schicht in ihren
thermischen Eigenschaften etwa den thermischen Eigenschaften des Spiegelmaterials
zwischen der Linie a-a und der Kantenfläche 1 a in F i g.1 äquivalent ist.
Die Weite w des Randteiles eines Glasspiegels entspricht in den meisten Fällen der
Dicke t des Spiegels. Durch die Verwendung eines Isolationsmaterials mit einer beträchtlich
geringeren Wärmeleitfähigkeit als der des Spiegelmaterials, z. B. eines Materials
wie gestrecktes Polystyrol, bleiben die isothermischen Schichten im Spiegel im wesentlichen
ungestört, obwohl in der Praxis die Weite w? der isolierenden Schicht geringer sein
kann als die Dicke des Spiegels.
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Um den geringstmöglichen Wärmeübergang an der Grenze zwischen Spiegel
und Isolation und somit die geringstmögliche Deformation der Isothermen in der Nähe
dieser Grenze zu erhalten, sollen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten einer Temperaturstörung,
die sich parallel zur optischen Achse X-X des Spiegels fortpflanzt, sowohl im Spiegel
als auch in der Isolation etwa gleich sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist
proportional der Größe A,/ä c, wobei A. die Wärmeleitzahl, c die spezifische Wärme
und B die Dichte ist, und es kann oft möglich sein, ein Isolationsmaterial zu wählen,
bei welchem A, wesentlich geringer als das des Spiegelmaterials ist, bei welchem
jedoch c und 8 so gewählt sind, daß sie denselben Wert für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
ergeben wie das Spiegelmaterial.
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Eine größere Wirksamkeit der Isolation kann erhalten werden, wenn
man, um die richtige Ausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung der optischen Achse
X-X zu erhalten, ein anisotropes Isoliermaterial
verwendet,
während man eine geringe Leitfähigkeit in Richtung senkrecht oder annähernd senkrecht
zu dieser Achse X-X beibehält. Dies kann beispielsweise im Falle eines Glasspiegels
erreicht werden, indem man, wie bereits erwähnt, eine Isolierschicht aus gestrecktem
Polystyrol verwendet, dessen Wärmeleitzahl ungefähr 0,031 kcal/m2h° C (0,25 BTU
per Inch thickness, per square foot, per hour, per °F) ist. Andererseits kann auch
eine Schicht aus Glasfasern verwendet werden, wobei die Fasern parallel oder annähernd
parallel zur Achse X-X des Spiegels ausgerichtet sind.
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Bei einer weiteren möglichen Anordnung kann die anisotrope Isolation
aus aufeinanderfolgenden Schichten verschiedenen Isoliermaterials bestehen, die
um den Umfang des Spiegels gewunden sind, oder die Isolation kann aus Schichten
verschiedener Leitfähigkeit aufgebaut sein, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Die Isolierschichten
sind dabei mit 5 und die leitenden Schichten mit 6 bezeichnet.
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Ein geeignetes leitendes Material ist Aluminium oder Kupfer.
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Wenn leitende Schichten verwendet werden, kann es vorteilhaft sein,
die leitenden Schichten 6, wie in F i 9.4 gezeigt, in Form von in Richtunoderoptischen
Achse unterbrochenen Ringen vorzusehen. Die Auswirkungen einer derartigen Anordnung
sind: a) In radialen Richtungen ist die Gesamtleitfähigkeit kaum beeinträchtigt,
da die Schicht dünn ist, die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist jedoch verringert;
b) in axialer Richtung ist die Leitfähigkeit etwas vergrößert und die Ausbreitungsgeschwindigkeit
vermindert; c) in Umfangsrichtung ist die Leitfähigkeit wesentlich erhöht und vermutlich
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit etwas vergrößert. Eine derartige Anordnung ermöglicht
es, ohne Einbuße der Wirksamkeit mittels einer beschränkten Anzahl von Materialien
eine Isolierschicht mit jeder gewünschten Eigenschaft zu schaffen, wobei in der
Tat die Wirksamkeit voraussichtlich größer sein wird, als irgendein Einzelmaterial
möglich macht.
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Bei großen Teleskopspiegeln ist es oft notwendig, radiale Halterungen
für den Rand des Spiegels vorzusehen, und in F i g. 5 ist eine Isolation dargestellt,
die den Durchtritt eines radialen Tragarmes 7 ermöglicht. Die Arm 7 ist an einem
Stützblock 8 angelenkt, der wiederum in einer Vertiefung 8a im Rand des Spiegels
1 untergebracht ist. Der Arm 7 durchdringt die Isolation 3 und endet in einem Drehzapfen
9, der von einer thermischen Isolation 10 umgeben ist. Radiale Stützkräfte werden
auf den Spiegel durch den radialen Arm 7 von nicht dargestellten Teilen aus übertragen,
die an dem Arm am Drehzapfen 9 angelenkt sind.
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Die Isolation 3 besteht aus Schichten 3 a, 3 b, 3 c
aus thermisch
isolierendem Material, z. B. gestrecktem Polystyrol, während die Schichten 3 d und
3 e aus thermisch leitendem Material, z. B. aus Asbestgewebe mit beispielsweise
8 Gewichtsprozent Kupferdrahtanteil, bestehen. Für die Deckschicht 11 kann Aluminium
verwendet werden.
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Ein typisches Beispiel ist ein 406,40 mm (16") dicker Spiegel, wobei
die Schichten 3 a und 3 b 6,35 mm (1/ä') dick, die Schicht 3c 50,80 mm (2") dick,
die Schichten 3 d und 3 e 12,70 mm (1/2") dick und der Streifen 113,175 mm
(1/8") dick sind.
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Der Stützblock 8 soll aus einem Material sein, dessen thermischer
Expansionskoeffizient dem des Glases entspricht. Hierfür kann Invarstahl verwendet
werden.
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Der radiale Arm 7 und die Drehzapfen 9 und 12 können aus Flußstahl
sein. Die Drehzapfen sind vorzugsweise von Buchsen 12a und 9a (Fig. 6) aus thermisch
isolierendem Material, wie z. B. einem kombinierten Material aus Glasfasern und
Kunstharz, umgeben.
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Allgemein ausgedrückt, ist die Isolierschicht vorgesehen, um in den
nachstehend aufgeführten Richtungen folgende Eigenschaften aufzuweisen: a) radial
(senkrecht zur optischen Achse) .... geringe thermische Leitfähigkeit; b)
axial . . . . . . . . . . . . . . . Fortpflanzungsgeschwindigkeit im wesentlichen
gleich der des Spiegels; c) in Umfangsrichtung . . hohe thermische Leitfähigkeit.