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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein reflektive Teleskope mit
mittiger Abdunklung (Spiegelteleskop), und insbesondere ein solches
mittig abgedunkeltes reflektives Teleskop mit einem halbaktiven
Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystem, das ebenfalls
zur Ziellinienkorrektur (Sichtlinienregelung) verwendet werden kann.
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Ein
mittig abgedunkeltes reflektives Teleskop, wie beispielsweise ein
anastigmatisches Teleskop mit drei Spiegeln (Dreispiegel-anastigmatisches Teleskop),
umfasst beispielsweise einen Hauptspiegel, einen Zweitspiegel und
einen Drittspiegel. Das Teleskop ist allgemein mit fokussierenden
Optiken oder einer Abbildungsvorrichtung versehen, die eine Abbildung
fokussiert, die von dem Teleskop auf einem Detektor erzeugt wird.
Das Teleskop kann durch ein Fenster geschützt werden, das im Objektraum platziert
ist. Der Zweitspiegel ist zwischen dem Fenster und dem Hauptspiegel
aufbgehängt über eine Vielzahl
von Abstützstreben.
Das Fenster ist äußeren Temperaturen
ausgesetzt, und es gibt einen Temperaturgradienten zwischen dem Äußeren des
Fensters und dem Hauptspiegel.
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Das
Dreispiegel-anastigmatische Teleskop liefert eine optimale Leistung
nur innerhalb eines schmalen isothermischen Bereichs. Viele Anwendungen
erfordern, dass der Zweitspiegel nahe dem Fenster platziert ist,
wo die äußere Temperatur
extrem ist (beispielsweise in einer großen Höhe in einem Flugzeug), und
die Temperatur der Kavität
muss gesteuert werden, was zu einem großen thermischen Gradienten
nahe des Fensters führt.
Um die System- und Fenstergröße zu minimieren,
befindet sich der Zweitspiegel im Allgemeinen nahe an dem Fenster und
ist folglich innerhalb dieses Gradientengebiets. Techniken, die
zum Erhitzen des Fensters verwendet werden oder den Temperaturgradienten
minimieren, verbrauchen viel Energie, verursachen Störungen in der
kardanischen Aufhängung
aufgrund von Luftströmung
und Ähnlichem.
Ferner beseitigen diese Techniken asymmetrische Temperaturen, wenn
der relative Winkel des Teleskops mit Bezug auf das Fenster nicht
konstant ist (die kardanische Aufhängungsausrichtung). Dies wird
eine Ziellinienverschiebung verursachen.
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Das
Problem besteht darin, dass das Teleskop isotherm gehalten werden
muss, um im Brennpunkt zu bleiben. Insbesondere müssen die
relativen Krümmungen
des Haupt- und des Zweitspiegels sowie die Trennung zwischen dem
Haupt- und dem Zweitspiegel aufrechterhalten werden, um das Teleskop
im Brennpunkt zu belassen. Aufgrund der schwierigen thermischen
Umgebung und dem lokalen Energieverbrauch war dies nicht möglich, indem eine
Steuerung der äußeren Kavitätstemperatur
verwendet wurde.
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Ein
früherer
Lösungsweg
zum Kompensieren der Temperaturveränderungen umfasste die Verwendung
eines mechanischen Antriebssystems, das die Brennebene versetzt.
Dieser Lösungsweg ist schwierig
anfänglich
auszurichten und ist anfällig
gegenüber
Verschiebungen. Das Hauptproblem besteht darin, dass die Bewegung
der Brennebene oder der Haupt- und Zweitspiegel entlang der optischen Achse
um nicht mehr als ein Fünfzigmillionstel
eines Inch zu einer Defokussierung des Teleskops führt. Aktuatorenantriebe,
Positionssensoren und Servoregelungen werden erforderlich. Mechanische
Elemente werden durch Dreck verschlechtert, durch Temperaturvariationen,
Schock und Vibrationen, Korrosion und Schmierungsverschlechterung,
Kalibrierungsdrift mit der Temperatur, Hysterese und Reibung. Ferner
kann es optische Preskriptionsfehler geben und Ähnliches, die nicht durch ein
solches mechanisches Antriebssystem korrigiert werden können. Diese
Wirkungen machen es nahezu unmöglich,
die relativen Positionen der Brennebene, des Haupt- und des Zweitspiegels
mit ausreichender Genauigkeit zu steuern, um das Teleskop zu fokussieren.
US 4,471,448 diskutiert
ein System, in dem der Zweitspiegel bewegt wird, indem eine Vielzahl
von einstellbaren Mikrometern verwendet wird.
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Es
wäre deshalb
ein Vorteil, ein verbessertes mittig abgedunkeltes reflektives Teleskop
zu haben, das eine Fokussierungs- und thermische Kompensation enthält, die
gegenüber
herkömmlichen
Lösungen verbessert
ist. Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein verbessertes, mittig abgedunkeltes reflektives Teleskop bereitzustellen,
das ein halbaktives Fokussierungs- und thermisches Kompensationssystem
aufweist. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein verbessertes, mittig abgedunkeltes reflektives Teleskop bereitzustellen,
das ein halbaktives Fokussierungs- und thermisches Kompensationssystem
aufweist, das für eine
Ziellinienkorrektur (Sichtliniensteuerung) verwendet werden könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die zuvor erwähnten
und andere Aufgaben zu erfüllen,
stellt die vorliegende Erfindung ein Teleskop bereit, das in den
Ansprüchen
zitiert ist. Die vorliegende Erfindung liefert ein mittig abgedunkeltes reflektives
Teleskop, wie beispielsweise ein Dreispiegel-anastigmatisches Teleskop,
das beispielsweise ein halbaktives Fokussierungs- und thermisches Kompensationssystem
verwendet. Ein Beispiel eines Dreispiegel-anastigmatischen Teleskops
umfasst ein isoliertes Gehäuse
mit einer Kavität
und einem Eingangsfenster. Das Teleskop umfasst auch einen Hauptspiegel,
einen Zweitspiegel und einen Drittspiegel. Der Drittspiegel wird
nicht für
alle Ausführungsformen
des mittig abgedunkelten reflektiven Teleskops benötigt. Der
Zweitspiegel ist zwischen dem Eingangsfenster und dem Hauptspiegel
mittels einer Vielzahl von Stützstreben
aufgehängt.
Ein zylindrisches Gehäuse
oder Fass besitzt die Stützstreben, die
an einem Ende davon angebracht sind, und die mit dem Hauptspiegel
an dem anderen Ende befestigt sind. Das Teleskop ist allgemein mit
den Fokussierungsoptiken, wie beispielsweise einer Abbildungsvorrichtung,
gekoppelt. Ein Klappspiegel kann verwendet werden, um Licht von
dem Zweitspiegel auf den Drittspiegel zu reflektieren, der das Licht
auf die Fokussierungsoptiken oder die Abbildungsvorrichtung koppelt.
Eine Kavitätsheizung
kann in der Kavität
vorgesehen sein, um das Innere der Kavität zu erwärmen.
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Das
halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem umfasst
eine Temperaturkompensationssteuerung, die mit Heizelementen gekoppelt
ist, die auf verschiedenen Komponenten des Teleskops angebracht
sind. Die Temperaturkompensati onssteuerung ist mit einem Temperatursensor gekoppelt,
der auf jeder der Stützstreben
angebracht ist, mit einem Temperatursensor, der auf dem Zweitspiegel
angebracht ist, mit einem Temperatursensor, der auf dem Hauptspiegel
angebracht ist, und mit einer Vielzahl von Temperatursensoren, die
um das zylindrische Gehäuse
oder das Fass angebracht sind. Die Temperatursensoren können beispielsweise Thermistoren
umfassen. Allgemein ist es wünschenswert,
den Temperatursensor auf jeder Stützstrebe zu haben, ausgerichtet
mit den Temperatursensoren auf dem zylindrischen Gehäuse oder
Fass.
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Wie
im Abschnitt "HINTERGRUND" erwähnt wurde,
müssen
zum Halten des Teleskops im Brennpunkt die relativen Krümmungen
des Haupt- und des Zweitspiegels aufrechterhalten bleiben, und die
Trennung zwischen dem Haupt- und dem Zweitspiegel muss konstant
gehalten werden. Das halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem erfasst
Temperaturen der Stützstreben,
des Fasses und des Haupt- und des Zweitspiegels, indem Temperatursensoren
verwendet werden. Der Hauptspiegel wird als Referenz benutzt, obgleich
eine andere Komponente ausgewählt
werden kann.
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Das
Fass und die Stützstreben
werden von den Heizelementen selektiv erhitzt unter Kontrolle der
Temperaturkompensationssteuerung, um deren relative Längen zu
steuern, die wiederum die Position des Zweitspiegels relativ zu
dem Hauptspiegel steuert und damit den Brennpunkt und die Sichtlinien
des Teleskops, indem ein Servotyp-Gleichgewicht verwendet wird.
Der Zweitspiegel wird selektiv erhitzt, um dessen Krümmung relativ
zu dem Hauptspiegel zu steuern. Diese Temperatursteuerungsaktionen halten
die relativen Krümmungen
des Haupt- und des Zweit spiegels aufrecht und die Trennung zwischen dem
Haupt- und dem Zweitspiegel relativ konstant, um das Teleskop im
Brennpunkt zu halten.
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Die
Heizelemente sind auf die erwarteten Gradienten maßgeschneidert
und sind gegenüber dem
optischen Pfad des Teleskops abgeschirmt. Die Temperaturkompensationssteuerung
liefert eine geschlossene Rückkopplungssteuerung
der Streben-, Fass- und
Spiegeltemperaturen, und damit des Brennpunkts und der thermischen
Eigenschaften des Teleskops. Die Temperaturkompensationssteuerung kann
die Heizelemente in analoger (fest verdrahteter) Weise steuern,
oder die Heizelemente können
softwaregesteuert sein, abhängig
von den Bedürfnissen.
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Die
Wärmeelemente,
die an den Stützstreben,
dem Fass und dem Zweitspiegel angebracht sind, beaufschlagen das
Teleskop athermisch, stellen eine Brennpunktregelung bereit und
lindern den Zielliniendrift. Dies wird erreicht durch Mehrpunkttemperaturerfassung
und proportionale Heizelementleistungssteuerung, indem die Temperaturkompensationssteuerung
verwendet wird. Das halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem kann
in einem Gleichgewichtsmodus betrieben werden, der nur eine athermische
oder aktive Ziellinienkorrektur bereitstellt, und die Fokussierungssteuerung
kann von der Steuerung bereitgestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser
mit Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung zusammen
mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, wobei ähnliche
Bezugszeichen ähnliche strukturelle
Elemente bezeichnen, und in denen:
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1 eine
teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer praktisch umgesetzten
Ausführungsform
eines mittig abgedunkelten reflektiven Teleskops zeigt, das eine
beispielhafte Ausführungsform eines
halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystems
entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet;
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1a eine
teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht des mittig abgedunkelten
reflektiven Teleskops ist, das in 1 gezeigt
ist;
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2 Details
des halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystems
darstellt, das in dem mittig abgedunkelten reflektiven Teleskop
verwendet wird, das in 1 gezeigt ist;
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3 eine
Draufsicht eines beispielhaften Oberflächenheizelements zeigt, das
in dem halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystem
verwendet werden kann;
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4a und 4b eine
Draufsicht und eine Seitenansicht eines beispielhaften eingebetteten Heizelements
zeigen, das in dem halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystem verwendet
werden kann;
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5 einen
unkorrigierten Teleskopgehäusegradienten
zeigt, der ohne Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
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6 einen
korrigierten Teleskopgehäusegradienten
zeigt, der unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten
wird; und
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7 eine
Sichtlinienkorrektur zeigt, die unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung erreicht wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Bezug
nehmend auf die gezeichneten Figuren zeigt 1 eine teilweise
aufgeschnittene Seitenansicht eines beispielhaften mittig abgedunkelten reflektiven
Teleskops 10, das eine beispielhafte Ausführungsform
eines halbaktiven Fokussierungs- und thermischen
Kompensationssystems 20 entsprechend den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung umfasst. 1a ist
eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht des beispielhaften
mittig abgedunkelten reflektiven Teleskops 10, das in 1 gezeigt
ist. 2 zeigt eine Vorderansicht des mittig abgedunkelten
reflektiven Teleskops 10, das in 1 gezeigt
ist, und zeigt Details des halbaktiven Fokussierungs- und thermischen
Kompensationssystems 20.
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Das
beispielhafte mittig abgedunkelte reflektive Teleskop 10 ist
als Dreispiegel-anastigmatisches Teleskop 10 gezeigt. Obgleich
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ein mittig abgedunkeltes
reflektives Teleskop 10 gezeigt und beschrieben ist, das eine
Cassegrain-Konfiguration besitzt, versteht sich, dass andere Konfigurationen
verwendet werden können.
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Das
beispielhafte Teleskop 10 umfasst ein Teleskopgehäuse 11 (von
dem ein Abschnitt gezeigt ist), das isoliert sein kann, mit einer
inneren Kavität 15 und
einem Eingangsfenster 12. Das Teleskop 10 umfasst
drei mit Energie versorgte Spiegel, einschließlich einem Hauptspiegel 13,
einem Zweitspiegel 14, einem optionalen Drittspiegel 16,
und umfasst einen optionalen flach umklappbaren Spiegel 15.
Ein inneres Gehäuse 18 oder
Fass 18 weist die Stützstreben 17 auf,
die an einem Ende davon angebracht sind, und ist mit dem Hauptspiegel 13 am
anderen Ende befestigt. Der Zweitspiegel 14 ist zwischen
dem Eingangsfenster 12 und dem Hauptspiegel 13 mittels einer
Vielzahl von Stützstreben 17 aufgehängt. Die zuvor
erwähnten
optischen Komponenten sind innerhalb der Kavität 15 des Teleskopgehäuses 11 angeordnet
oder auf einer optischen Bank (nicht gezeigt). Ein Kavitätshitzeelement 19 bzw.
eine Kavitätsheizung 19 kann
in der Kavität 15 vorgesehen
sein, um das Innere der Kavität 15 zu
erhitzen.
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Das
Teleskop 10 ist typischerweise mit den Fokussierungsoptiken
gekoppelt, wie beispielsweise einer Abbildungsvorrichtung (allgemein
gezeigt). Ein Klappspiegel wird verwendet, um das Packmaß des Teleskops 10 zu
verbessern und das Licht von dem Zweitspiegel 14 auf den
Drittspiegel 16 zu reflektieren, der das Licht auf die
Fokussierungsoptiken oder die Abbildungsvorrichtung koppelt.
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Das
halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 umfasst
eine Temperaturkompensationssteuerung 21, die mit einer
Vielzahl von Temperatursensoren und Heizelementen gekoppelt ist,
die jeweils auf verschiedenen Komponenten des Teleskops 10 angeordnet
sind. Einer oder mehrere erste Temperatursensoren 24 sind
auf dem Hauptspiegel 13 angebracht, die eine Referenztemperatur
(TREF) erzeugen, ein zweiter Temperatur sensor 23 ist
auf dem Zweitspiegel 14 angebracht, und ein oder mehrere
dritte Temperatursensoren 25 sind auf den Stützstreben 17 angebracht.
Eine Vielzahl von vierten Temperatursensoren 26 kann um
den Umfang des Fasses 18 angeordnet sein, die sich typischerweise
in jeweiligen Quadranten davon befinden. Ein Temperatursensor 27 kann
ebenfalls auf dem Drittspiegel 16 angebracht sein. Die
Temperatursensoren 23, 24, 25, 26, 27 können beispielsweise Thermistoren
umfassen. Allgemein ist es bevorzugt, den dritten Temperatursensor 25 auf
jeder Stützstrebe 17 ausgerichtet
mit den Temperatursensoren auf dem Fass 18 zu haben.
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Ein
Zweitspiegelheizelement 31 kann auf dem Zweitspiegel 14 vorgesehen
sein. Das Zweitspiegelheizelement 31 wird verwendet, um
die Krümmung
des Zweitspiegels 14 zu verwenden. Ein oder mehrere Streben-Heizelemente 32 sind
auf jeder der Stützstreben 17 angebracht.
Die Streben-Heizelemente 32 werden verwendet, um die relativen
Längen
der jeweiligen Stützstreben 17 zu
steuern. Eine Vielzahl von Streifenheizelementen 33 kann
um den Umfang des Fasses 18 angeordnet sein, die sich typischerweise
in jeweiligen Quadranten davon befinden. Die Kavitätsheizung 19 kann
verwendet werden, um das Innere der Kavität 15 zu erhitzen,
einschließlich
dem Fass 18, anstelle der Vielzahl von Streifenheizelementen 33.
Die verschiedenen Heizelemente können
mit ihren jeweiligen Komponenten verbunden sein, indem beispielsweise
ein Klebefilm verwendet wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Temperatursensoren 23–27 wie nachfolgend
ausgeführt
platziert. Die Temperatursensoren 23, 24, 27 sind
auf jedem der mit Energie versorgten Spiegel 13, 14, 16 angeordnet
(Hauptspiegel 13, Zweit spiegel 14, Drittspiegel 16).
Die Krümmung
der mit Energie versorgten Spiegel 13, 14, 16 spricht
auf Temperatur an und kann über
mathematisch vorhergesagte Kurven als Funktion der Temperatur korrigiert
werden, und steuert die Temperatur des jeweiligen Spiegels 13, 14, 16.
Die zweiten Temperatursensoren 24 sind auf dem Hauptspiegel 13 angeordnet
und erzeugen die Referenztemperatur (TREF).
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Die
Temperatursensoren 23–27 werden
in einen Fokussierungsalgorithmus abgebildet, der in der Steuerung 21 eingesetzt
wird, indem eine Analyse des Wachsens des Teleskops 10 aufgrund
der Temperaturgradienten verwendet wird. Eine aktive Korrektur wird
von diesen Temperatursensoren 23–27 eingegeben.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird die Kavitätsheizung 19 verwendet,
um das Innere der Kavität 15 und
des Fasses 18 zu erhitzen. Deshalb wird die Vielzahl von
Streifenheizelementen 33 auf dem Fass 18 nicht
verwendet. Die vierten Temperatursensoren 26 werden somit
auf einer nicht erhitzten Struktur (d.h. dem Fass 18) angeordnet.
Beispielsweise sind in einer praktisch umgesetzten Ausführungsform
des Systems 20 acht oder mehr vierte Temperatursensoren 26 auf
dem Fass 18 angeordnet.
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Die
Steuerung 21 des halbaktiven Fokussierungs- und thermischen
Kompensationssystems 20 erfasst die Temperaturen der Stützstreben 17,
des Fasses 18, des Hauptspiegels 13, des Zweitspiegels 14 und
optional des Drittspiegels 16, indem die jeweiligen Temperatursensoren 25, 26, 23, 24, 27 verwendet
werden. Die Stützstreben 17,
die den Zweitspiegel 14 stützen, werden durch die Streben-Heizelemente 32 unter
Steuerung der Temperaturkompensationssteuerung 21 erhitzt,
um die Position (Brennpunkt und Ziellinie) des Zweitspiegels 14 zu
steuern, indem eine Servotypsteuerung verwendet wird. Die Streben-Heizelemente 32 sind
auf die erwarteten Temperaturgradienten zugeschnitten und sind gegenüber dem
optischen Pfad des Teleskops 10 abgeschirmt. Die Steuerung 21 stellt
eine Steuerung mit geschlossener Rückkopplung der Streben-, Fass- und
Spiegeltemperaturen bereit, und damit der Brennpunkt- und thermischen
Eigenschaften des Teleskops 10. Die Steuerung 21 kann
die Streben-Heizelemente 32, die Streifenheizelemente 33 und
die Spiegelheizelemente 31, 34 in analoger (fest
verdrahteter) Weise steuern. Alternativ können die Heizelemente 31–34 softwaregesteuert
sein.
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Die
von den Temperatursensoren 23–27 erfassten Temperaturen
sind momentan und autonom, insoweit sie, wenn das System 20 arbeitet,
dem thermischen Übergang
ausgesetzt sind, wie beispielsweise beim Einschalten, durch Solarbelastung,
aktive Komponenten, die benachbart befestigt sind, lokale Lufttemperatur
und Ähnlichem.
Falls die Steuerung 21 mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz
arbeitet, können
die Streben 17 kontinuierlich angewiesen werden, neu zu
fokussieren, und die Krümmung
des Zweitspiegels 14 kann eingestellt werden, um die korrekte
Krümmung
bereitzustellen.
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Zwei
Temperatursensoren 24 wurden auf dem Hauptspiegel 13 eines
in die Praxis umgesetzten Teleskops 10 verwendet. Der Hauptspiegel 13 hat die
höchste
Empfindlichkeit (Defokussierung/°C), und
dies wird als erster Korrekturterm (TREF)
in der Berechnung verwendet, die von dem Algorithmus ausgeführt wird.
Die Ausgangssignale der zwei Sensoren 25 wurden gemittelt.
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Bei
der Entwicklung des Teleskops 10 wurde das Zweitspiegel-Heizelement 31 auf
dem Zweitspiegel 14 installiert. Es wurde jedoch erkannt,
dass dieses Heizelement 31 nicht erforderlich war. Gleichwohl
kann ein solches Heizelement 31 in bestimmten Anwendungen
verwendet werden, um einen zusätzlichen
Korrekturterm für
den Fokussierungsalgorithmus bereitzustellen.
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Es
versteht sich, dass die in die Praxis umgesetzte Ausführungsform
des Teleskops 10, das in 1 gezeigt
ist, afokal (nicht fokussiert) ist. Eine Abbildungsvorrichtung wird
verwendet, um das Licht auf einen Punkt oder eine Brennebene zu
fokussieren. Der Ausgangsstrahl von dem Teleskop 10 hat damit
parallel begrenzte Strahlen, wie in 1 gezeigt.
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3 zeigt
eine Draufsicht eines ersten beispielhaften Heizelements 32,
das in dem halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystem 20 verwendet
werden kann. Das erste Heizelement 32 ist ein Heizelement 32 des
Thermofolientyps. Das Thermofolien-Heizelement 32 umfasst
eine Folienfaser 41, die auf einem dielektrischen Substrat 42 angeordnet
ist. Ein Ende der Folienfaser 41 ist mit einem Heizungsausgang
der Temperaturkompensationssteuerung 21 gekoppelt, während das
andere Ende mit Masse gekoppelt ist.
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4a und 4b zeigen
eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines zweiten beispielhaften Heizelements 32,
das in dem halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystem 20 verwendet
werden kann. Das zweite Heizelement 32 kann als eingebettetes
Heizelement 32 vorliegen. Das eingebettete Heizelement 32 umfasst
eine Faser 41, die innerhalb der Stützstrebe 17 eingebettet
ist. Die Faser 41 kann in einem Schlitz, beispielsweise
in der Stützstrebe 17,
angeordnet sein, die mit einem Füllmaterial 43 gefüllt ist,
um die Faser 41 einzukapseln. Das Füllmaterial 43 kann
beispielsweise einen flexiblen Epoxyharz-basierten Compound umfassen. Ein
Ende der Faser 41 ist mit einem Heizungsausgang der Temperaturkompensationssteuerung 21 gekoppelt,
während
das andere Ende mit Masse gekoppelt ist.
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Die
Streben-Heizelemente 32, die an den Stützstreben 17 für den Zweitspiegel 14 das
Teleskop 10 athermisch beaufschlagen, liefern eine Fokussierungssteuerung
und lindern den Zielliniendrift. Dies wird erreicht durch Mehrpunkttemperaturerfassung der
erhitzten Elemente (Stützstreben 17)
und des Zweitspiegels 23 und der Proportional-Heizenergiesteuerung,
die von der Temperaturkompensationssteuerung 21 bereitgestellt
wird.
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Das
halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 kann
in einem Gleichgewichtsmodus betrieben werden, der nur eine athermische
Beaufschlagung bereitstellt. Eine alternative aktive Ziellinienkorrektur
und Fokussierungssteuerung kann von der Steuerung 21 bereitgestellt
werden. Dies wird mit Bezug auf die 5–7 erläutert werden.
Die Darstellungen in 5–7 sind nicht
maßstabsgetreu
gezeichnet.
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5 zeigt
einen nicht-korrigierten Teleskopgehäusegradienten, der ohne Verwendung
der vorliegenden Erfindung erhalten wird. Der Zweitspiegel 14 ist
mittels der Streben 17 verbunden, die ohne Erfassung sind.
Folglich sind die Fokussierung und die Sichtlinie des Teleskops 10 unkompensiert,
und die Abbildung, die das Teleskop 10 liefert, wird nicht auf
den gewünschten
Ort fokussiert sein.
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6 zeigt
einen korrigierten Teleskopgehäusegradienten,
der unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten wird. Durch
Erfassen der Temperaturen der Streben 17 und der Spiegel 13, 14, 16 kann
die Steuerung 21 die jeweiligen Temperaturen einstellen,
die durch die Heizelemente 32 geliefert werden, um deren
jeweilige Längen
zu ändern und
damit die Fokussierung und die Sichtlinie des Teleskops 10 aufrechtzuerhalten.
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7 zeigt
die Ziellinienkorrektur, die durch Verwendung der vorliegenden Erfindung
erreicht wird. Die Sollpositionen der Streben 17 und des Zweitspiegels 14 sind
in durchgezogenen Linien gezeigt. Die eingestellten (kompensierten)
Positionen der Streben 17 und des Zweitspiegels 14 sind
in gestrichelten Linien gezeigt. Durch Verwendung der Steuerung 21,
um die jeweiligen Temperaturen einzustellen, die von den Heizelementen 32 geliefert werden,
die mit den Streben 17 gekoppelt sind, werden beispielsweise
die jeweiligen Längen
der Streben 17 gesteuert, um die Ziellinie des Teleskops 10 zu
korrigieren.
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Ein
Vorteil des Einsatzes der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
verwendet werden können.
Dies ist unter Herstellungs- und Kostengesichtspunkten wünschenswert.
Beispielsweise waren die Spiegel 13, 14, 16 der
praktisch umgesetzten Ausführungsform
des Teleskops 10 6061-T651 Aluminium. Die Zweitstützstreben 17 und
das Fass 18 waren aus einem A356 oder A357 Gussaluminium
hergestellt.
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Wenn
alle Komponenten des Teleskops 10 ausgerichtet und fokussiert
wären bei
20°C (68°F), und falls
die Wärmeausdehnungskoeffizienten
jeder Komponente mit denen der anderen Komponenten übereinstimmten,
und falls das gesamte Teleskop 10 isotherm bliebe, dann
würde es
immer fokussiert sein. Dies würde
auch die anfängliche
Ziellinie einrichten. Die meisten praktischen Systeme sind jedoch
aus einem Material hergestellt, das für diese Komponente am geeignetsten
ist. Deshalb sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten
typischerweise nicht identisch.
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Ferner
erfahren die meisten Systeme sowohl thermische Gradienten als auch
thermische Übergänge. Selbst
in wissenschaftlichen Instrumenten (Astronomie) sind diese ein Problem.
In militärischen und
kommerziellen Systemen, die üblicherweise dichter
gepackt sind und kritischer bezüglich
des Gewichts sind, sind diese thermischen Probleme noch schwerwiegender.
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Falls
die Streben 17 verwendet werden, um einen thermischen Gradienten
in dem Teleskop 10 zu korrigieren, korrigieren sie gleichzeitig
sowohl den Fokus als auch die Ziellinie, wie dies mit Bezug auf die 5–7 diskutiert
wurde. Aus praktischen Zwecken müssen
die Streben 17 leicht über
die Temperatur der übrigen
Komponenten erhitzt werden. Falls eine Seite der Streben 17 gekühlt werden
kann und die andere Seite erhitzt wird, wird die Ziellinienverschiebung
eingebracht, wie dies in 7 dargestellt ist. Durch Anwenden
von Temperaturbefehlen in einer geeigneten Weise kann folglich ein
X/Y-Kippen des Zweitspiegels 14 erreicht werden. Dies kann über eine
offene Schleife (feste Offsets in den Softwarebefehlen beispielsweise)
oder unter Verwendung einer Rückkopplung
von einer anderen Ausrichtungsreferenz erfolgen, um ein Selbstausrichtungssystem
bereitzustellen.
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Andere
Merkmale können
enthalten sein, um das halbaktive Fokussierungssystem 20 zu
verbessern, das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
Es kann wünschenswert
sein, die Wärmeübertragungseigenschaften
des Teleskops 10 zu ändern.
Typische Verfahren umfassen das Hinzufügen eines Finnenbereichs an
das Fass 18, beispielsweise um es mehr an die lokale Lufttemperatur
zu koppeln, oder indem eine thermische Isolierung hinzugefügt wird,
um die Komponente von der Luft zu entkoppeln (wie beispielsweise
auf dem Zweitspiegel 14). Ebenfalls kann eine aktive Erhitzung
des Fasses 18 ausgeführt
werden. Das Hinzufügen
von Streifenheizungen 33 in jedem Quadranten des Fasses 18 kann ausgeführt werden,
obgleich es nicht bei der in die Praxis umgesetzten Ausführungsform
des Teleskops 10 erforderlich war, das in 1 gezeigt
ist.
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Es
versteht sich, dass die in die Praxis umgesetzte Ausführungsform
des Teleskops 10, das in 1 gezeigt
ist, afokal (nicht fokussiert) ist. Eine Abbildungsvorrichtung wird
verwendet, um Licht auf einen Punkt oder eine Brennebene zu fokussieren. Somit
hat der Ausgangsstrahl von dem Teleskop 10 parallel begrenzte
Strahlen, wie in 1 gezeigt.
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Die
Struktur des halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystems 20 eliminiert
die Notwendigkeit eines mechanischen Fokussierungssystems, das komplexer,
teurer und weniger zuverlässig
ist. Das halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 nimmt
auch sehr wenig Volumen ein und Gewicht auf einer kardanischen Aufhängung (nicht
gezeigt), auf der das Teleskop 10 angeordnet sein kann.
Das halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 kann
in jedem Dreispiegel-anastigmatischen Teleskop verwendet werden,
oder in jedem Teleskop mit einer ähnlichen Konfiguration.
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Das
halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 spricht
direkt das fundamentale Problem der nicht-isothermen Optiken in einem Dreispiegel-anastigmatischen
Teleskop 10 an, viel mehr als das Korrigieren der Wirkungen
dieses Problems. Die einfache Implementierung, die in dem halbaktiven
Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystem 20 verkörpert ist,
kann verwendet werden, um eine aktive Ziellinie und Fokus bereitzustellen,
zusätzlich
zu der isothermischen Steuerung.
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Das
halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 verwendet
einfach hergestellte kostengünstige
Teile. Das halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 verwendet
eine elektrische Steuerung, und es ist viel einfacher in-situ zu
optimieren, was zu geringeren Entwicklungskosten und Risiko führt. Bei
Hochleistungs-elektrooptischen Abbildungssensoren, wie beispielsweise
jenen, die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt
wurden, kann beispielsweise ein Prozessor existieren, der programmiert
sein kann, um die Steuerungsfunktionen der Temperaturkompensationssteuerung 21 zu
implementieren, und damit Fähigkeit
hinzuzufügen,
ohne zusätzliche
Kosten. Die Komponenten, die in dem halbaktiven Fokussierungs- und
thermischen Kompensationssystem 20 verwendet werden, sind
ebenfalls leicht verfügbar
und zuverlässig,
was Kosten und Risiko reduziert.
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Das
halbaktive Fokussierungs- und thermische Kompensationssystem 20 ist
mechanisch starr und liefert eine optimale Struktur, da kein Gleitmechanismus
oder Gestänge
verwendet wird. Es gibt keinen Verlust von struktureller Steifheit
des Teleskops 10, wenn das halbaktive Fokussierungs- und thermische
Kompensationssystem 20 verwendet wird.
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Somit
wurde ein verbessertes mittig abgedunkeltes reflektives Teleskop
mit einem halbaktiven Fokussierungs- und thermischen Kompensationssystem
offenbart. Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsformen
rein erläuternd
für einige der
vielen spezifischen Ausführungsformen
stehen, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung
darstellen. Es ist klar, dass zahlreiche andere Anordnungen von
einem Fachmann leicht angegeben werden können, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.