DE3606547A1 - Spiegelnachfuehrsystem fuer coelostaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiegelnachführsystem für Coelostaten nach dem Gattungsbegriff von Anspruch 1.

Spiegelnachführsysteme werden allgemein an raumfesten Teleskopen zur Nachführung bewegter Objekte eingesetzt. Ein Beispiel dafür bietet die Sonnenforschung. Die in­ stallierten Großteleskope zur Sonnenbeobachtung sind meist mit Coelostaten ausgestattet, die den ortsfesten Betrieb des Instrumentes gestatten. Die Sonne wird da­ bei durch die Coelostaten ins Teleskop reflektiert.

Geht der Sehstrahl eines Teleskops durch die Luftmasse der Atmosphäre zum beobachteten Objekt, so wird die Bildqualität im wesentlichen durch die im Luftkörper herrschenden Turbulenzen beeinflußt. Es werden im Bild verschiedene Effekte beobachtet. Einer von ihnen ist die Versetzung des Gesamtbildes um differenzielle Be­ träge, die sogenannte Image-Motion. Durch Korrektur allein dieses Effekts sind je nach Standort und Tele­ skopgröße bis zu 80% der durch die Atmosphäre verur­ sachten Bildstörungen zu kompensieren. Es steigt damit der Anteil der nutzbaren Beobachtungszeit, was den Amortisationsgrad der Oberservatorien wesentlich stei­ gert.

Die Korrektur der Image-Motion erfordert relativ hoch­ frequente oszillierende Ausgleichsbewegungen im Fre­ quenzbereich bis zu 100 Hz. Bedingt durch das hohe Ge­ wicht der üblichen Umlenkspiegel, von denen insbesonde­ re der bewegliche Spiegel auf einer relativ hohen, aus­ ziehbaren Säule montiert ist, liegt die Eigenfrequenz des Spiegelsystems im Frequenzbereich des auszuglei­ chenden Störsignals. Ein üblicher Umlenkspiegel mit 80 cm Durchmesser und 15 cm Dicke wiegt z.B. ohne Halte­ rung 200 kg. Aufgrund dieser großen, am oberen Ende der Tragsäule angeordneten Masse, können leicht windindu­ zierte Schwingungen entstehen, welche so niederfre­ quent sind, daß sie innerhalb des mit dem Hilfsspiegel auszuregelnden Frequenzbereiches liegen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Nach­ führsystem der eingangs genannten Art in der Weise wei­ ter zu entwickeln, daß neben der Einstellung des Tele­ skopes auf langsam bewegte Objekte auch eine Kompensa­ tion von höher frequenten Störsignalen möglich wird.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mittels der im Kennzeichen von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin im folgen­ den anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele erörtert sind. Es zeigen

Fig. 1 ein übliches Nachführsystem in halbschemati­ scher Darstellung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Spiegelhalterung,

Fig. 3 und 4 Ausführungsformen eines in Leichtbauweise ausgeführten Umlenkspiegels, und

Fig. 5 das Blockschaltbild eines die Nachführung des Umlenkspiegels steuernden Regelsystems.

Gemäß Fig. 1 ist auf einer Plattform 1 eine Hilfsspie­ gelsäule 2 aufgestellt, an welche ein erster Umlenk­ spiegel 3 schwenkbar gelagert ist. Die Hilfsspiegelsäu­ le 2 ist in Richtung A-B ausziehbar, um die Höhenlage des schwenkbaren Umlenkspiegels 3 einstellen zu können. Der Schwenkarm des Umlenkspiegels 3 ist mittels eines Seiles 4 mit einem nicht näher dargestellten, unter der Plattform 1 angeordneten Ausgleichsgewicht verbunden.

Mit dem ersten Umlenkspiegel 3 arbeitet ein zweiter Um­ lenkspiegel 5 zusammen, der schwenkbar und entlang ei­ ner Schienenführung 7 verfahrbar auf der Plattform 1 aufgestellt ist. Die beiden Umlenkspiegel 3 und 5 wer­ den mittels einer Nachführsteuerung so eingestellt, daß das Bild eines langsam bewegten Objektes, beispielswei­ se der in der Figur dargestellten Sonne, stets in der optischen Achse des unterhalb eines Eingangsfensters 6 angeordneten Teleskopes dargestellt wird. Außerdem die­ nen die Umlenkspiegel 3 und 5 auch zur Kompensation der sogenannten Image-Motion, welche u.a. durch die in der Luftmasse der Atmosphäre herrschenden Turbulenzen ver­ ursacht wird.

Gemäß Fig. 2 ist an einem Tragarm 8 eine Coelostatenga­ bel 9 um eine erste Schwenkachse D ₁ schwenkbar gela­ gert. Diese Schwenkbarkeit ermöglicht die Nachführung des Abbildungsstrahles in der in der Figur als x-Achse bezeichneten Nord-Süd-Richtung. ln der Coelostatengabel 9 ist ein Spiegelhalter 10 um eine zweite Schwenkachse D ₂ schwenkbar gelegart. Diese Schwenkbarkeit ermög­ licht die Nachführung des Abbildungsstrahles in der in der Figur als y-Achse bezeichneten Ost-West-Richtung. In dem Spiegelhalter 10 ist ein Spiegelrahmen 11 um die Achse D ₁ schwenkbar gelagert, an welchem der Umlenk­ spiegel 3 um die Achse D ₂ schwenkbar befestigt ist.

Zur langsamen Einstellung des Umlenkspiegels 3 in einer der beiden Koordinatenrichtungen x, y dienen Gleich­ stromstellmotore 13 und 14, die über Schneckenräder 15 und 16 an der Coelostatengabel 9 bzw. am Spiegelrahmen 10 angreifen. Zur Einleitung der schnellen Kompensa­ tionsbewegungen, welche zum Ausgleich der Image-Motion dienen, sind Piezo-Schwinger 17-20 vorgesehen, wobei die Schwinger 17 und 18 mit dem Spiegelrahmen 11 und die Schwinger 19 und 20 direkt mit dem Umlenkspiegel 3 verbunden sind.

Vorzugsweise wird die Kompensationsbewegung in den an der beweglichen Hilfsspiegelsäule 2 angeordneten Um­ lenkspiegel 3 eingeleitet, während der den Hauptspiegel bildenden Umlenkspiegel 5 den Strahlengang lediglich zum Hilfsspiegel umlenkt. Zweckmäßig ist daher vor al­ lem der als Hilfsspiegel fungierende Umlenkspiegel 3 in Leichtbauweise ausgeführt. Mit diesem System, dessen Eigenfrequenz weit über der Regelfrequenz liegt, und bei welchem der Spiegel aufgrund seines geringen Ge­ wichtes und des statisch günstigen Aufbaues kaum Durchbiegungen erleidet, können derartige Verbesserun­ gen der Bildqualität erzielt werden, daß die Sonnenbe­ obachtung auch an bezüglich ihrer atmosphärischen Be­ dingungen ungünstigen Standorten möglich wird. Außerdem erlaubt es eine Kostenreduktion beim Bau von Sonnenob­ servatorien.

Gemäß Fig. 3 besteht der Umlenkspiegel 3 aus einer Alu-Wabenstruktur 21, die an beiden Seiten mit einer aufgeklebten Schicht 22 bzw. 23 aus carbonfaserver­ stärktem Kunststoff (CFK) abgedeckt ist. Die Refle­ xionsschicht des Umlenkspiegels 3 wird von einer Schicht 24 aus einer eine geringe Wärmedehnung aufwei­ senden Glaskeramik gebildet. Beispielsweise kann der Umlenkspiegel 3 mit einer Platte aus Zerodur (geschütz­ tes Warenzeichen) der Fa. Schott und Gen. beklebt sein. Die andere Seite der Wabenstruktur 21 erhält, je nach der thermischen Belastung des Systems und den Stabili­ tätsanforderungen, eine CFU-Deckschicht 25 oder einen zur Vorderseite symmetrischen CFU-Zerodur-Verbund.

Die Halterung 26 des Umlenkspiegels 3 wird von einem in der Spiegelmitte angeklebten CFK-Teil gebildet, welches einen metallischen Anschlußstutzen 27 trägt.

Gemäß Fig. 4 sind mit einem an den Umlenkspiegel 3 an­ geklebten Halter 28 metallische Schwenkachsen 29 und 30 für den Umlenkspiegel 3 verbunden.

Das Gewicht der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Konstruktionen beträgt für einen 80 cm-Spiegel, beid­ seitig mit Zerodur belegt, etwa 20 kg. Es ist somit et­ wa um den Faktor 10 geringer als das eines vergleichba­ ren, durchgehend aus Glaskeramik gefertigten Spiegels. Die Eigenfrequenz des Leichtbauspiegels liegt bei ca. 3,2 kHz, während ein Zerodur-Spiegel gleicher Größe ei­ ne Eigenfrequenz von ca. 300 Hz hat.

Der Leichtbauspiegel wird in einen Lagerring einge­ setzt, wobei er - je nach Größe - in der vorstehend ge­ schilderten Weise kardanisch aufgehängt sein kann oder mittels Flexure an einer Halteplatte befestigt wird.

Die bei üblichen Spiegeln notwendige Spiegelentlastung zur Vermeidung des Durchbiegens ist bei dem erfindungs­ gemäßen Leichtbauspiegel nicht erforderlich, was zu ei­ ner zusätzlichen Gewichtsersparnis beiträgt.

Gemäß Fig. 5 ist im Strahlengang des Teleskopes, in welchem auch die Umlenkspiegel 3 und 5 liegen, ein halbdurchlässiger Spiegel 31 angeordnet, der etwa 1% der einfallenden Lichtintensität ausblendet und auf ei­ nen positionsempfindlichen Sensor 32 leitet. Mittels eines Objektives 33 wird ein markantes Bildmerkmal, wie z.B. ein Sonnenfleckenrand, auf den Sensor 32 abgebil­ det. Der Sensor 32 kann z.B. von einer Vier-Quadran­ ten-Diode gebildet werden.

Die Signale des Sensors 32 werden in einer Signalverar­ beitungselektronik 34 ausgewertet, die von den zeitlich variierenden Lagesignalen des Bildes Regelsignale, bei­ spielsweise Proportionalregelsignale ableitet, die in einer Ansteuerelektronik verstärkt werden. Die Ansteu­ erelektronik ist mittels Steuerleitungen 36 und 37 mit Stellgliedern 38 und 39 für die Verstellung des Umlenk­ spiegels in zwei Koordinatenrichtungen verbunden.

Claims (12)

1. Spiegelnachführsystem für Coelostaten, bei wel­ chem zwei um jeweils zwei Raumachsen schwenkbar und längsverschieblich am Teleskop gelagerte Umlenkspiegel (3, 5) vorgesehen sind, welche den Strahlengang des raumfesten Teleskopes einem gegenüber dem Teleskop in kontinuierlicher Bewegung befindlichen Objekt nachfüh­ ren, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens einer der beiden Umlenkspiegel (3, 5) in Leichtbauweise ausgeführt ist.

2. Nachführsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (3) von einer Aluminium-Wabenstruktur (21) gebildet wird, die an beiden Seiten mittels einer auf die Wabenstruk­ tur aufgeklebten, carbonfaserverstärkten Kunststoff­ schicht (22, 23) abgedeckt ist.

3. Nachführsystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reflexionsschicht des Umlenkspiegels (3) von einer auf die carbonfaser­ verstärkte Kunststoffschicht (22, 23) aufgeklebten Schicht (24) aus einem eine geringe Wärmedehnung auf­ weisenden glaskeramischen Werkstoff besteht.

4. Nachführsystem nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (24) von einer handelsüblichen Platte aus Zerodur (ge­ schütztes Warenzeichen) gebildet wird.

5. Nachführsystem nach Anspruch 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die der Re­ flexionsschicht (24) abgewandte Seite des Umlenkspie­ gels (3) mit einer CFU-Deckschicht belegt ist.

6. Nachführsystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die der Reflexions­ schicht (24) abgewandte Seite des Umlenkspiegels (3) mit einer CFU-Zerodur-Schicht belegt ist.

7. Nachführsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (26, 28) des Umlenkspiegels (3) aus car­ bonfaserverstärktem Kunststoff besteht.

8. Nachführsystem nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halterung (26, 28) in der Spiegelmitte angeklebt ist.

9. Nachführsystem nach Anspruch 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß mit dem aus carbonfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Halter (26, 28) metallische Anschlußstutzen (27) oder Schwenk­ achsen (29, 30) für den Umlenkspiegel (3) verbunden sind.

10. Nachführsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (3) um zwei senkrecht aufeinander stehende Schwenkachsen (D _1, D ₂) schwenkbar in einem Spiegelrahmen (11), einem Spiegelhalter (10) und einer Coelostatengabel (9) aufgehängt ist, und daß an der Coelostatengabel (9) und am Spiegelhalter (10) Stellmo­ tore (13, 14) zur langsamen Nachführung und am Spiegel­ rahmen (11) und am Umlenkspiegel (3) Oszillatoren (17 bis 20) zur Einleitung der schnellen Ausgleichsbewegun­ gen angreifen.

11. Nachführsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren von Piezo-Schwingern (17 bis 20) gebildet werden.

12. Nachführsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (3) mittels Flexure an einer Halteplatte befestigt ist.