DE1293471B - Thermische Isolation der reflektierenden Teile optischer Instrumente - Google Patents

Thermische Isolation der reflektierenden Teile optischer Instrumente

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DE1293471B
DE1293471B DEG46931A DEG0046931A DE1293471B DE 1293471 B DE1293471 B DE 1293471B DE G46931 A DEG46931 A DE G46931A DE G0046931 A DEG0046931 A DE G0046931A DE 1293471 B DE1293471 B DE 1293471B
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Brown David Scatcherd
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Sir Howard Grubb Parsons and Co Ltd
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Sir Howard Grubb Parsons and Co Ltd
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Deformation des optischen Elementes der eingangs genannten Art weitgehend mit einfachen Mitteln auszuschalten.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein geeignetes leitendes Material ist Aluminium oder Kupfer.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Stützblock 8 soll aus einem Material sein, dessen thermischer Expansionskoeffizient dem des Glases entspricht. Hierfür kann Invarstahl verwendet werden.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. 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 genannten reflektierenden Oberfläche erstrecken, d a d u r c h gekennzeichnet, daß thermisches Isolationsmaterial(3) (im folgenden thermische Isolation genannt) in Berührung mit den genannten Kantenflächen (1 a) vorgesehen ist und die thermischen Eigenschaften und die Dicke der genannten thermischen Isolation (3) so gewählt sind, daß Isothermen (2) innerhalb des reflektierenden Teiles (1), die in Ebenen etwa parallel zur reflektierenden Oberfläche auftreten, im Bereich der genannten Randteile und Kantenflächen (1 a) keiner wesentlichen Richtungsänderung unterworfen sind.
  2. 2. Reflektierender Teil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkoefflzient rechtwinklig zur reflektierenden Oberfläche sowohl im optischen Element (1) als auch im Isolationsmaterial (3) etwa gleich ist.
  3. 3. Reflektierender Teil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation aus aufeinanderfolgenden Schichten (5) verschiedener thermisch isolierender Materialien besteht.
  4. 4. Reflektierender Teil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation aus aufeinanderfolgenden Materialschichten (5, 6) besteht, die, von den genannten Kantenflächen (la) ausgehend, nach außen aufgebaut sind, wobei einige Schichten (5) aus thermisch isolierendem und einige Schichten (6) aus wärmeleitendem Material bestehen.
  5. 5. Reflektierender Teil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation (3) aus mindestens einer Glasfaserschicht besteht, wobei die Glasfasern etwa senkrecht zur reflektierenden Fläche ausgerichtet sind.
  6. 6. Reflektierender Teil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation von einem metallischen Gehäuse umschlossen ist.
DEG46931A 1965-05-19 1966-05-20 Thermische Isolation der reflektierenden Teile optischer Instrumente Pending DE1293471B (de)

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