DE2903804C2

DE2903804C2 - Randunterstützungssystem für Teleskopspiegel

Info

Publication number: DE2903804C2
Application number: DE19792903804
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. 7920 Heidenheim Schwesinger
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1979-02-01
Filing date: 1979-02-01
Publication date: 1984-11-22
Also published as: DE2903804A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Randunterstützung von Teleskopspiegeln. Solche Vorrichtungen werden bei größeren Teleskopspiegeln notwendig, um Formänderungen des Spiegels durch sein Eigengewicht, welche die Abbildungsgüte beeinträchtigen, herabzusetzen. Dazu wird in den meisten Fällen die senkrecht zur optischen Achse gerichtete Komponente des Spiegelgewichts durch Stützkräfte aufgefangen, die längs des Spiegelrandes verteilt sind, entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich, und deren Vektoren in einer zur Spiegelachse senkrechten Ebene liegen.

Seit im Teleskopbau derartige Lagerungssystcmc ausgeführt werden, sind die Stützkräftc senkrecht zum Spiegelrand, also als Normalkräfte aufgebracht worden. Während früher nur Druckspannungsvcrleilungcn zur Anwendung kamen, ist nach Entwicklung der modernen Klebetechnik auch die Möglichkeit ausgenutzt worden, durch Ausübung von Zugspannungen über Klebevcrbindungen die Spiegeldeformationen weiter zu verringern. Nach dieser Methode sind die Spiegel von zahlreichen modernen Teleskopen gelagert worden. Dabei üben meist mehrere gleichförmig am Spiegclrand verteilte Entlastungseinrichtungen nach Art der z. B. in der DE-OS 24 14 266 beschriebenen radiale Kräfte auf den Spiegel aus, die in der unteren Hälfte als Druckkräfte und in der oberen Hälfte als Zugkräfte wirken. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen wird erreicht, daß diese Normalkräfte einen solchen Verlauf annehmen, daß insgesamt eine kosinusförmigc Kräfteverteilung auf den Rand des Spiegels einwirkt, da die Fachwelt annimmt, daß durch eine solche Stüt/.kraftvericilung die Spiegelverformungen minimiert sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Randunterstützungssystem für Teleskopspiegel zu schaffen, das im Vergleich zu bekannten Systemen zu verringerten Spiegeldeformationen führt, ohne einen höheren technischen Aufwand zu bedingen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß gemäß dem

-> kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches Entlastungssysleme vorgesehen sind, die den Spiegel sowohl durch radiale als auch durch tangential auf seinen Rand einwirkende Kräfte halten.

Diese Mittel können wie die bekannten zur Aufbrin-

in gung von radialen Zugkräften auf den Spiegelrand benutzten Systeme zum Beispiel aus mehreren auf den Spiegclrand geklebten Zwischenstücken bestehen, in die jeweils eine geeignete mit einem Gegengewicht versehene Hebeleinrichtung eingreift.

is Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei geeigneter Wahl des Verhältnisses zwischen radialen und tangentialen von einer Entlastungsvorrichtung auf den Spicgelrand ausgeübten Kräften eine Verringerung der Spicgeldeformation etwa um den Faktor 2 gegenüber bekannten Randunterstützungssystemen eintritt. Das ist besonders dann der Fall, wenn neben den aufgebrachten radialen Kräften mit kosinusförmigen Verlauf über den Spicgelrand tangentialc Kräfte mit sinusförmiger Abhängigkeit vom Azimutwinkel so eingesetzt werden, daß die resultierende Kraft in jedem Angriffspunkt der Richtung nach einer Projektion der Vertikalen in die Spiegclebcne parallel ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei Verwendung astatischcr Entlastungssystcmc die Masse

jo der Gegengewichte verringert werden kann, da neben den Gewichlskomponentcn. die bisher von den radial wirkenden Hebelsystemen aufgenommen wurden, nun auch ein Großteil des Spiegclgewichts von den tangential ausgeübten Stützkräften getragen wird.

Vi Im folgenden wird der Erfindungsgedanke anhand der Zeichnungen erläutert.

F i g. I zeigt schematisch ein bekanntes Randunlerstüi/ungssystcm. das mit radialen Stüizkräftcn arbeitet, die kosinusförmigen Verlauf besitzen;

Fig.2 zeigt ein Randunlerstützungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das zusätzlich tangentialc Randkrdftc einsetzt;

Fig.3 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Hcbelsystems, mit dem sowohl radiale als auch tangentialc Kräf-

4^ri te auf den Rand eines Teleskopspiegcls ausgeübt werden können;

F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch den Kopf des Hebels entlang der Linie IV-IV in F i g. 3;

F i g. 5 zeigt den für einen Spiegel beispielhaft berech-

V) neten radiusabhängigen Verlauf seiner achsialcn Deformation bei Verwendung eines konventionellen und eines erfindungsgemäßen Randunterstützungssystems.

In F i g. 1 ist ein Spiegel I skizziert, der so geschwenkt ist, daß seine optische Achse waagerecht verläuft. Die

Vi auf seinen Rand gerichteten Pfeile stellen die von einer konventionellen Randunterstiitzung auf den Spiegelrand ausgeübten Radialkräftc dar. Das Unterstützungssystem ist so ausgelegt, daß die Kräfte N,

W) a) eine kosinusförmigc Abhängigkeit von dem Winkel ψ besitzen, der durch die Vertikale und die Kraftrichtung definiert isi; und

b) die Veklorsummc aller Kriiflc zum Spiegelgewicht addiert Null ergibt.

Werden die skizzierten Slüt/.kräftc N_r durch Gegengewichte über Hebel aufgebracht, so gilt für die Masse M,.cler verwendeten Gegengewichte

M₁

IM,

(U

Dabei ist Af₄ die Masse des Spiegels und y das Übersetzungsverhältnis des verwendeten Hebckystems.

In F i g. 2 ist der gleiche Spiegel 1 mit einem Randunterstützungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung skizziert, das neben den radialen Stützkräften N_r tangential auf den Rand wirkende Kräfte Νφ ausübt.

Die Summe der Beträger aller radialen Kräfte mit kosinusförmiger Winkelabhängigkeit ist in dieser Ausführungsform gleich der Summe der Beträge aller langentialen Kräfte mit sinusförmiger Winkelabhängigkeit, so daß sich gleichmäßig über den Rand verteilte rcsul- M tierende Stützkräfte ergeben, die vertikal gerichtet t*. sind und in ihrer Summe das Spiegeigewicht kompensief, ren.

\ Die resultierenden vertikalen Stützkräfte können t durch Gegengewichte aufgebracht werden, für die gilt ist bezüglich beider Schwenkachsen gleich, dadurch wird in jeder Stellung des Spiegels eine dem Betrage nach nur von dem Neigungswinkel θ seiner optischen Achse geg-en die Vertikale abhängende immer in Rich-

tung der Projektion der Vertikalen in die Spiegelebene wirkende Gegenkraft auf den Spiegelrand ausgeübt Zur Kompensation des Gesamtgewichts sind mehrere über den Rand des Spiegels verteilte astatische Entlastungseinrichtungen notwendig. Diese können beispiels-

Ki weise äquidistant um den Spiegelumfang verteilt so an der Spicgclfassung befestigt sein, daß die Achsen B der η Hebel jeweils radial auf den Spiegelrand gerichtet sind. Damit wird eine Zuordnung der durch die Hebel übertragenen, von den Achsen B und C in 2 Komponenten zerlegten Kraft der Gegengewichte zu den Randkräften N_r und Νφ erreicht. In jeder Stellung des Spiegels erlaubt die freie Drehbarkeit der Hebel 9 bezüglich ßdas Aufbringen von Tangentialkräften

20 Νφ = A ■ sin f - cos θ

M₁

(2) freie Drehbarkeit bezüglich C das Aufbringen von Radialkräften

Ein Vergleich mit Gleichung (1) zeigt, daß bei gleicher Hebellänge nur die halbe Masse der Gegengewichte benötigt wird.

Es ist nun erforderlich, das verwendete astatischc Hebelsystem zur Lagerung des Spiegels so auszubilden, daß die Hebel um 2 Raumachsen schwenkbar sind. Denn im allgemeinen wird ein solcher Teleskopspiegel jo nicht in fixierter Position verwendet, sondern ist bei freier Wahl der Beobachtungsrichtung ebenfalls um 2 Achsen drehbar, von denen meist keine vertikal ausgerichtet ist.

F i g. 3 zeigt in Verbindung mit F i g. 4 ein Beispiel der technischen Realisierung eines Randunterslützungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das in allen Stellungen des Spiegels 1 dessen Gewichtskomponente senkrecht zu seiner optischen Achse durch radiale und tangentiale Randkräfte kompensiert, ohne für die optisehen Eigenschaften des Spiegels höchst nachteilige Kräfte in Richtung der optischen Achse des Spiegels auf seinen Rand auszuüben.

Am Spiegeikörper 1 sind Tragstücke 2 angeklebt, die aus einem Materia! bestehen, das ähnliche Eigenschaften wie der Spiegel besitzt. Die Kraftübertragung auf dieses Tragstück erfolgt über eine flache Schale 3, die einerseits mittels eines aus 2 Hälften bestehenden Ringes 4 das Tragstück 2 umfaßt und somit formschlüssig mil ihm verbunden ist, andererseits mittels einer eingeschraubten Gewindehülse 5 den Kugelkopf eines Stiftes 6 umschließt. Dieser Stift ist in den Querbolzcn 7 eingeschraubt, der im Kopf 8 des Entlastungshebels 9 um die zur Zeichenebene senkrechte Achse drehbar gelagert ist. Ein weiterer in den Kopf eingesteckter Querbolzen 12 ist um eine der ersten Achse gleichgerichtete Achse drehbar; der Abstand beider Achsen ist a. In den Querbolzen 12 ist ein Achskörper IO eingeschraubt, der gegenüber dem Lagerbock 11 um die Achse B drehbar ist. Somit ist der an den Kopf 8 angeschraubc Hebel 9 mit wi dem daran befestigten Gegengewicht 13 um die Achse B und eine dazu senkrechte Achse Cdurch den Punkt χ schwenkbar und vermag radiale und tangentiale Kräfte auf den Spiegclrand auszuüben.

Das Übersetzungsverhältnis des Hebels b5

N₁

A · cos φ · cos θ

Dabei ist θ der Winkel zwischen der optischen Achse des Spiegels und der Vertikalen und A eine Konstante, die sich aus

A -

der Anzahl der Hebel, und Erdbeschleunigung, in Verbindung mit (1)

/u

η · a

berechnet.

In F i g. 5 ist die mit der Erfindung erzielbare Verringerung der Spicgcldeformation im Vergleich mit einem konventionellen Randunterstützungssystem anhand eincs numerisch berechneten Beispiels dargestellt.

Der für die Beeinträchtigung der optischen Abbildung maßgebliche Formänderungsanteil W(r#>) senkrecht zur optischen Spiegelfläche ist jeweils für einen Spiegel ohne Miltcnloch mit gängigen Daten (Öffnungszahl: 2,5; Verhältnis von Durchmesser zu Mittendicke: 8,9; Querdehnungsziffer des Spiegelmaterials: 0,21) nach der Schalentheoric berechnet und besitzt (für beide in F i g. I und 2 skizzierten Systeme) die Form:

W(r, φ) — S ■ w(r) · cos q<

wobei Seine Konstante mit der Dimension einer Länge ist, die nur von den Spiegeldaten abhängt.

In den Teil von W(r, φ), der seine Radialabhängigkeit beschreibt, nämlich w(r) geht die Stützkraftverteilung ein. Dieser Teil ist in F i g. 5 gegen den Radius r des Spiegels aufgetragen.

Die Kurve A gibt den Verlauf von w(r) für das konventionelle System gemäß F i g. 1 an, während Kurve B einem in Fig.2 skizzierten Randunterstützungssystem entspricht. Bei nur leichter Änderung des Biegeverlaufs ist die Formänderung der Spiegelschale bei einem Randuntcrstützungssyslem gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber zur Zeit verwendeten Systemen nur etwa halb so groß.

V - —

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Randunterstützungssystem für Teleskopspiegcl zur Kompensation der Gewichtskomponenten des Spiegels senkrecht zur optischen Achse, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Spiegel durch radial als auch durch tangential auf seinen Rand einwirkende Kräfte tragen.

2. Randunterstützungssystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die auf die jeweilige Stelle des Spiegeirandes einwirkenden radialen und tangentialen Kräfte so gewählt sind, daß die resultierende Kraft parallel zur Projektion der Vertikalen in die Spiegelebene verläuft

3. Randunterstützungssystem nach Anspruch 1—2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Gewichtskompensation aus mehreren am Rand des Spiegels äquidistant angeordneten Hebeln (9) bestehen, weiche die erforderliche Kraft auf den Spiegel (1) über an den Spiegelrand geklebte Zwischenstükke (2) übertragen.

4. Randunterstützungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die verwendeten Hebel (9) um 2 in der gleichen Ebene liegende zueinander senkrechte Achsen (B, Qschwenkbar sind.

5. Randunterstützungssystem nach Anspruch 3—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringung der Hebelkraft durch Zusatzgewichic (13) erfolgt, die an den Hebeln (9) befestigt sind.