DE19506765C2 - Optischer Reflektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Spiegelsystem gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 3, insbesondere auf ein optisches Spiegelsystem, das für ein astronomisches Teleskop oder zur optischen Kommunikation geeignet ist.

Optische Spiegelsysteme vom Cassegrain-Typ, die so gestaltet sind, daß ein Hauptspiegel mit einer konkaven Oberfläche, ein Paraboloid oder dergleichen, und ein Nebenspiegel mit einer konvexen Oberfläche, ein Hyperboloid oder dergleichen, einander gegenüberstehend angeordnet sind, sind im allgemeinen für astronomische Teleskope und optische Systeme für optische Kommunikation verwendet worden.

Diese optischen Spiegelsysteme vom Cassegrain-Typ haben große Aperturen und lassen relativ einfache Einstellung von langen Brennweiten zu. Ein Hauptspiegel und ein Nebenspiegel, die ein derartiges optisches Spiegelsystem aufbauen, werden jeweils durch Halteelemente gehalten und in einer Spiegelfassung untergebracht.

Da das optische Spiegelsystem eine lange Brennweite, eine große Apertur und eine große Abmessung hat, ist es schwierig, das System anzuordnen, wobei eine sehr hohe Anordnungsgenauigkeit erforderlich ist. Aus diesem Grund ist als jedes bestandteilbildende Element des optischen Spiegelsystems eine Vorrichtung erforderlich, die durch umweltbedingte Veränderungen wie beispielsweise Veränderungen der Umgebungstemperatur und der Feuchtigkeit nicht beeinflußt wird, wenig Qualitätsveränderung über die Zeit zeigt und ausreichend beständig gegenüber Vibrationen, einem Stoß und dergleichen während des Transports ist. Herkömmlich wird daher eine Spiegelfassung zum Halten eines Hauptspiegels und eines Nebenspiegels aus einem Material mit einem kleinen thermischen Expansionskoeffizienten, z. B. Zerodur (von Schott verwendeter Handelsname) hergestellt.

Wenn jedoch eine Spiegelfassung zum Halten von optischen Elementen verwendet wird, wird, da das gesamte optische Spiegelsystem eine große Abmessung hat, das Gesamtgewicht des Systems groß. Dies macht es schwierig, das System zu handhaben. Zusätzlich reißt, wenn die Spiegelfassung aus einem Material mit einem kleinen thermischen Expansionskoeffizienten, z. B. Zerodur, hergestellt ist, die Spiegelfassung leicht bei Aufnahme von Vibrationen oder einem Stoß. Dies macht es schwierig, die Spiegelfassung zu handhaben.

Ein gattungsgemäßes Spiegelsystem ist aus der US 5 181 145 A bekannt. Diese Druckschrift zeigt ein optisches Spiegelsystem mit einem Hauptspiegel und einem Nebenspiegel, die einander gegenüberstehend angeordnet sind. Mit einer Vielzahl von Stützen ist der Hauptspiegel an den Nebenspiegel angefügt. Die Stützen liegen innerhalb der effektiven Bereiche des Haupt und Nebenspiegels. Der Hauptspiegel, der Nebenspiegel und die Stützen sind aus Elementen aufgebaut, die aus demselben Material bestehen.

Weitere ähnliche optische Spiegelsysteme sind aus der US 5 298 736 A und der US 5 058 993 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Spiegelsystem gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 3 so weiterzubilden, daß Lichtverluste minimiert sind, wobei beim Aufbau des Systems die Positionen der Stützen einfach und genau bestimmt werden und Anordnungsfehler aufgrund einer Veränderung der Temperatur, der Feuchtigkeit, aufgrund von Vibrationen und Stößen so weit wie möglich ausgeschaltet werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 3 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Vorzugsweise ist das Gerät dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenspiegel durch einen Nebenspiegel-Haltebereich gehalten wird, der Nebenspiegel-Haltebereich durch eine Nebenspiegel- Basisplatte getragen wird, die an die Stützen angefügt ist, und die Elemente aus einem spröden Material bestehen, das Sprödbruch zeigt.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die den Hauptteil der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Hauptteil der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die den Hauptteil der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil in Fig. 1 zeigt.

In Fig. 1 und 2 ist ein Hauptspiegel 1 aus einem Paraboloid aufgebaut, und ein reflexionsverstärkender Film ist auf seiner reflektierenden Oberfläche gebildet. Ein Öffnungsbereich 1b ist in einer vorbestimmten Fläche, die die optische Achse des Hauptspiegels 1 umfaßt, gebildet. Ein Kollimator-Linsensystem 14 (das später zu beschreiben ist) ist in den Öffnungsbereich 1b eingepaßt. Vorsprünge 1c sind auf dem äußeren Umfangsbereich des Hauptspiegels 1 in gleichen Winkelabständen von 120° gebildet. Löcher 1d sind jeweils in den Vorsprüngen 1c gebildet, um die Einpassung der Stützen 2 zuzulassen. Jede Stütze 2 ist eine hohle runde Stange mit einem kugelförmigen Ende auf der Seite des Hauptspiegels 1. Die Stütze 2 kann auch einen I-förmigen Querschnitt oder dergleichen haben, der ein großes geometrisches Trägheitsmoment hat.

Die reflektierende Oberfläche eines Nebenspiegels 5 ist durch eine konvexe Oberfläche oder Hyperboloid aufgebaut, die dem Hauptspiegel 1 gegenübersteht. Ein reflexionsverstärkender Film ist auf der reflektierenden Oberfläche des Nebenspiegels 5 gebildet, die dem Hauptspiegel 1 gegenübersteht. Eine Vielzahl von Ausdünnungslöchern 5a ist in der rückseitigen Oberfläche (auf der dem Hauptspiegel 1 entgegengesetzten Seite) des Nebenspiegels 5 zur Verringerung des Gewichts gebildet.

Der Nebenspiegel 5 ist in einer Aussparung 4a eines Nebenspiegel-Haltebereichs 4 eingepaßt, und der Nebenspiegel 5 ist durch einen Spannring 6 mit einem Gewindeteil auf seinem äußeren Umfangsbereich befestigt. Drei Befestigungsbereiche 4b sind in dem äußeren Bereich des Nebenspiegel-Haltebereichs 4 in gleichen Winkelabständen von 120° gebildet. Jeder Befestigungsbereich 4b ist ein U- förmiger Bereich.

Eine Nebenspiegel-Basisplatte 3 hält den Nebenspiegel 5 zusammen mit dem Nebenspiegel-Haltebereich 4. Ein Öffnungsbereich 3c ist in dem Zentralbereich der Nebenspiegel-Basisplatte 3 zur Verringerung des Gewichts und zur Verbesserung der Arbeitseffizienz gebildet. Drei U- förmige Aussparungen 3a und drei Befestigungsbereiche 3b jeweils mit einem U-förmigen Querschnitt sind auf dem Umfangs-Oberflächenbereich der Nebenspiegel-Basisplatte 3 in gleichen Winkelabständen von 120° gebildet. Die Stützen 2 sind jeweils in die Aussparungen 3a eingepaßt. Die Befestigungsbereiche 3b der Nebenspiegel-Basisplatte 3 sind jeweils in die Befestigungsbereiche 4b des Nebenspiegel- Haltebereichs 4 eingepaßt, so daß sie zusammengefügt sind.

Eine Basisplatte 7 dient zum Halten des Hauptspiegels 1. Die Basisplatte ist aus einer wabenförmigen Platte oder dergleichen mit einer stirnseitigen Platte, die aus demselben Material wie dem für den Hauptspiegel 1 besteht, einem Material mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten, z. B. Super-Invar, einem keramischen Material oder CFRP aufgebaut. Eine Vielzahl von Lochbereichen 7a ist in der Basisplatte 7 zur Verringerung des Gewichts und Verbesserung der Arbeitseffizienz gebildet. Ein Öffnungsbereich 7b ist in dem Zentralbereich der Basisplatte 7 gebildet. Das Kollimator-Linsensystem 14 mit zwei Linsen 10 und 11 und durch eine haltende Spiegelfassung 9 gehalten, ist in den Öffnungsbereich 7b eingepaßt.

Eine Hauptspiegel-Tragefassung 8 hat einen Endbereich 8a, der gestaltet ist, daß er in den Öffnungsbereich 1b im Zentrum des Hauptspiegels 1 paßt. Der Hauptspiegel 1 ist an einen Endbereich 8a angefügt/gebunden. Die Hauptspiegel- Tragefassung 8 ist in dem Öffnungsbereich 7b fixiert. Das Gerät umfaßt auch eine optische Transmissions- /Empfangseinheit 13.

Ein Lichtsignal von außen wird nacheinander durch den Hauptspiegel 1, die Stützen 2 und das Kollimator-Linsensystem 14 übertragen, wobei es zu der optischen Transmissions- /Empfangseinheit 13 geführt wird. Ein optisches Signal von der optischen Transmissions-/Empfangseinheit 13 wird nacheinander durch das Kollimator-Linsensystem 14, den Nebenspiegel 5 und den Hauptspiegel 1 übertragen, wobei es zu einem anderen Gerät übertragen wird.

Ein Verfahren zur Anordnung und Einstellung von jedem Element in dieser Ausführungsform wird als nächstes beschrieben.

Zuerst werden der Hauptspiegel 1 und die Nebenspiegel- Basisplatte 3 durch Einspannvorrichtungen (nicht gezeigt) entsprechend einer vorbestimmten Positionsbeziehung fixiert. Die Stützen 2 werden in den Löchern 1d in den Vorsprüngen 1c des Hauptspiegels 1 und den U-förmigen Aussparungen 3a der Nebenspiegel-Basisplatte 3 durch Verwendung eines geeigneten Klebstoffs, Hartlöten oder Warmklebung fixiert. Der Nebenspiegel 5 wird in die Aussparung 4a des Nebenspiegel- Haltebereichs 4 eingepaßt und zuvor durch den Spannring 6 fixiert.

Die U-förmigen Befestigungsbereiche 4b des Nebenspiegel- Haltebereichs 4 und die U-förmigen Befestigungsbereiche 3b der Nebenspiegel-Basisplatte 3 werden aneinander eingepaßt, wobei kleine Zwischenräume zwischen ihnen eingehalten werden und an einer Einspannvorrichtung angebracht.

Darauffolgend wird ein geeigneter Klebstoff auf die Zwischenräume zwischen den Befestigungsbereichen 3b und den Befestigungsbereichen 4b aufgetragen, und der Abstand zwischen dem Hauptspiegel 1 und dem Nebenspiegel 5, ihre Neigungen und Exzentrizitäten und dergleichen werden eingestellt, bevor der Klebstoff hart ist. Der Hauptspiegel 1 und der Nebenspiegel 5 werden in diesem Zustand gehalten, bis der Klebstoff hart ist. Wenn der Klebstoff hart ist, sind die Anordnung und Einstellung vervollständigt. Anstelle des Klebstoffs kann ein niedrigschmelzendes Lötmittel verwendet werden. In diesem Fall sind die Befestigungsbereiche 3b und die Befestigungsbereiche 4b einer bekannten Oberflächenbehandlung wie beispielsweise chemischer Vernickelung oder Metallisierung unterzogen worden.

Der Hauptspiegel 1 ist an die Basisplatte 7 über die Hauptspiegel-Tragefassung 8 gebunden/fixiert. Die haltende Spiegelfassung 9, die das Kollimator-Linsensystem 14 hält, ist in den Öffnungsbereich 1b des Hauptspiegels 1 und den Öffnungsbereich 7b der Basisplatte 7 eingepaßt und an die Basisplatte 7 mit Schraubteilen 12 über einen Flansch 9a fixiert.

In der vorstehenden Anordnung besteht jedes Element aus einem Glasmaterial mit einem niedrigen thermischen Expansionkoeffizienten, einem keramischen Glasmaterial (einem Glasmaterial wie beispielsweise ULE (von Corning verwendeter Handelsname) oder Zerodur (von Schott verwendeter Handelsname)) oder dergleichen, so daß es nicht leicht von Temperaturen und Feuchtigkeit beeinflußt wird, wobei es ein vorbestimmtes optisches Leistungsvermögen eine lange Zeitdauer erhält. Zusätzlich kann dasselbe Material für die Stützen 2, die Nebenspiegel-Basisplatte 3, den Nebenspiegel- Haltebereich 4, den Spannring 6 und dergleichen verwendet werden, und ein keramisches Hochmodulusmaterial (z. B. Siliziumnitrid) oder dergleichen kann verwendet werden.

Wenn eine kleine Deformation auf irgendeinem Element beim Aufbringen von Vibrationen, einer Beschleunigung oder einem Stoß bleibt, verändert sich die Positionsbeziehung zwischen dem Hauptspiegel und dem Nebenspiegel, was zu einer Beeinträchtigung des optischen Leistungsvermögens führt. Daher besteht jedes Element bevorzugt aus einem Material, das Sprödigkeit entsprechend den umweltbedingten Veränderungen wie beispielsweise Veränderungen der Betriebstemperatur und Transporttemperatur des Geräts zeigt. Wenn ein sprödes Material verwendet wird, ist die Festigkeit des Elements niedriger als die eines Elements, das aus einem metallischen Material (z. B. einer Aluminium- oder Eisenlegierung, die oft für ein optisches Gerät verwendet wird) besteht. Es bleibt jedoch in diesem Element fast keine Restspannung, nachdem eine aufgebrachte Spannung entfernt worden ist, wodurch Anordnung mit hoher Genauigkeit zugelassen wird.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Hauptteil der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 3 hat ein Hauptspiegel 31 eine reflektierende Oberfläche 31a, die durch einen Paraboloid aufgebaut ist. Ein Basisbereich 31b ist an einen Spiegelbereich 31d über einen Säulenbereich 31c angefügt. Diese Elemente sind einstückig ausgebildet. Ein Loch (Öffnungsbereich) 31e ist in dem Zentrum des Hauptspiegels 31 gebildet. Das Loch 31e ist dasselbe wie der Öffnungsbereich in der ersten Ausführungsform.

Ein Nebenspiegel-Unterstützungselement 32 hat einen kreisförmigen Ringbereich 32a zum Anfügen an den Hauptspiegel 31. Drei Stützenbereiche 32 sind in gleichen Winkelabständen von 120° angeordnet. Jeder Stützenbereich 32b hat einen rechteckigen Querschnitt. Eine Aussparung 32d ist in dem Zentrum eines scheibenähnlichen Nebenspiegel-Basisbereichs 32c gebildet. Ein Nebenspiegel 33 ist in der Aussparung 32d angeordnet. Das Nebenspiegel-Unterstützungselement 32 ist einstückig ausgebildet.

Ein Verfahren zur Anordnung und Einstellung der jeweiligen Elemente dieser Ausführungsform werden als nächstes beschrieben. Zuerst wird die gesamte Vorrichtung vorläufig zusammengesetzt und die Relativpositionen des Nebenspiegels 33 und des Hauptspiegels 31 werden gemessen. Die Oberfläche auf der linken Seite (rückseitige Oberfläche) des Nebenspiegels 33 in Fig. 3 wird poliert, um seine Neigung zu korrigieren, und der Nebenspiegel 33 und der Nebenspiegel- Basisbereich 32c werden aneinander mit einem Klebstoff befestigt.

Ein vorläufiges Zusammensetzen wird erneut durchgeführt und der Abstand zwischen dem Hauptspiegel 31 und dem Nebenspiegel 33 wird gemessen. Die Verbindungsoberfläche (rechte Endfläche in Fig. 3) zwischen dem Ringbereich 32a und dem Basisbereich 31b wird dann poliert, um eine Korrektur durchzuführen.

Der Ringbereich 32a und der Basisbereich 31b werden mit einem Klebstoff befestigt. Ein Material mit einem kleinen thermischen Expansionskoeffizienten wird bevorzugt für den Hauptspiegel 31, das Nebenspiegel-Unterstützungselement 32 und den Nebenspiegel 33 verwendet. In dieser Ausführungsform wird ein Glasmaterial mit einem kleinen thermischen Expansionskoeffizienten, ein keramisches Material oder dergleichen verwendet. Zusätzlich haben die Stützen-Bereiche 32b vorzugsweise eine Querschnittsform mit einer hohen Biegesteifigkeit. Ein I-förmiger Querschnitt kann auf die Stützen-Bereiche 32b angewendet werden. Da die Krümmung der Stützen-Bereiche 32b aufgrund ihres eigenen Gewichts vorzugsweise verringert wird, kann der Zentralbereich der Stützen-Bereiche 32b entfernt werden, so daß sie eine Hohlstruktur haben.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine optische Spiegelvorrichtung bereitgestellt, bei der eine Verringerung des Gesamtgewichts verwirklicht wird und die eine Struktur erreicht, die beständig gegenüber Vibrationen und einem Stoß ist, durch geeignetes Einstellen der Haltebereiche zum Halten der jeweiligen optischen Elemente eines optischen Spiegelsystems mit einem Hauptspiegel und einem Nebenspiegel.

Insbesondere ist diese Struktur, da der Nebenspiegel durch die Stützen getragen wird, sehr beständig gegenüber Beschleunigungen, Vibrationen und einem Stoß, im Vergleich mit einer Struktur mit einer zylindrischen Spiegelfassung oder dergleichen. Zusätzlich kann, wenn die gesamte Vorrichtung aus einem Glasmaterial mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten, einem Glas- Keramikmaterial mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten oder einem Keramikmaterial hergestellt wird, eine optische Spiegelvorrichtung, die in Hinblick auf umweltbedingte Veränderungen (Veränderungen der Temperatur und Feuchtigkeit) stabil ist, wenig Restspannung bei Aufbringen von Vibrationen, einem Stoß oder einer Beschleunigung zeigt, und das ausgezeichnete optische Leistungsvermögen für eine lange Zeitdauer erhalten kann, verwirklicht werden.

Ein optisches Spiegelsystem umfaßt einen Hauptspiegel und einen Nebenspiegel, die einander gegenüberstehend angeordnet sind, und eine Vielzahl von Stützen zum Anfügen des Hauptspiegels an den Nebenspiegel. Der Hauptspiegel, der Nebenspiegel und die Stützen sind durch Elemente aufgebaut, die aus demselben Material bestehen, beispielsweise einem keramischen Material, das einen sehr kleinen linearen Expansionskoeffizienten hat.

Claims (8)

1. Optisches Spiegelsystem mit
einem Hauptspiegel (1) und einem Nebenspiegel (5), die einander gegenüberstehend angeordnet sind; und
einer Vielzahl von Stützen (2) zum Anfügen des Hauptspiegels (1) an den Nebenspiegel (5),
wobei der Hauptspiegel (1), der Nebenspiegel (5) und die Stützen (2) aus Elementen aufgebaut sind, die aus demselben Material bestehen,
gekennzeichnet durch an dem Hauptspiegel (1) vorgesehene Befestigungsbereiche (1c, 1d) zum Befestigen der Stützen (2),
wobei die Stützen an die Befestigungsbereiche (1c, 1d) des Hauptspiegels angefügt sind, und die Stützen (2) außerhalb der effektiven Bereiche des Hauptspiegels und des Nebenspiegels angeordnet sind.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Nebenspiegel-Haltebereich (4) zum Halten des Nebenspiegels (5) und eine an die Stützen (2) angefügte Nebenspiegel- Basisplatte (3) zum Tragen des Nebenspiegel-Haltebereichs (4).

3. Optisches Spiegelsystem, mit
einem Hauptspiegel (31) und einem Nebenspiegel (33), die einander gegenüberstehend angeordnet sind; und
einer Vielzahl von Stützen (32) zum Anfügen des Hauptspiegels (31) an den Nebenspiegel (33),
wobei der Hauptspiegel (31), der Nebenspiegel (33) und die Stützen (32) aus Elementen aufgebaut sind, die aus demselben Material bestehen,
gekennzeichnet durch
einen Ringbereich (32a), der an den Hauptspiegel (31) anzufügen ist, und
einen Nebenspiegel-Basisbereich (32c) zum Fixieren/Halten des Nebenspiegels (33), wobei der Ringbereich (32a) und der Nebenspiegel-Basisbereich (32c) einstückig auf den Stützen (32) gebildet sind,
wobei die Stützen außerhalb der effektiven Bereiche des Hauptspiegels und des Nebenspiegels angeordnet sind.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hauptspiegel (1), den Nebenspiegel (5) und die Stützen (2) aufbauenden Elemente aus einem Material bestehen, das sich nicht leicht durch eine Wirkung von außerhalb verändert.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Material ist, in dem nicht leicht eine Restspannung erzeugt wird.

6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Material ist, das sich nicht leicht entsprechend der Temperatur ausdehnt.

7. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Material ist, das sich nicht leicht entsprechend der Feuchtigkeit ausdehnt.

8. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein sprödes Material ist.