DE60201429T2

DE60201429T2 - In dem schatten eines spiegels aufgestelltes montage- und justiergerät für diesen spiegel und mit diesem gerät versehenes optisches system

Info

Publication number: DE60201429T2
Application number: DE60201429T
Authority: DE
Inventors: Laurent Cadiergues
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2022-04-12
Also published as: DE60201429D1; EP1377863A1; FR2823573B1; WO2002084361A1; EP1377863B1; FR2823573A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels, die im Schatten dieses Spiegels verläuft. Sie betrifft ein optisches System, das mit einer solchen Vorrichtung ausgestattet ist.
Bestimmte optische Systeme umfassen ein oder mehrere Spiegel, die den einfallenden Lichtfluss und/oder den das optische System durchquerenden Lichtfluss teilweise maskieren. Dies ist insbesondere bei einem Hilfsspiegel eines Teleskops mit Cassegrain- oder Newton-Montage der Fall. Infolgedessen müssen die radialen Abmessungen dieser Spiegel möglichst gering sein, und die notwendigen Vorrichtungen für ihre Montage oder die Korrektur ihrer Position in dem optischen System müssen den einfallenden Restlichtfluss (nicht durch den Spiegel maskiert) so wenig wie möglich maskieren und im Wesentlichen im Schatten des Spiegels verlaufen.
Außerdem muss die Position eines solchen Spiegels in bestimmten Anwendungen regelbar sein, was für eine gute Funktion des optischen Systems wesentlich ist. Dies ist insbesondere bei optischen Systemen der Fall, die auf Raumfahrtsystemen installiert sind (Satelliten, Raumschiffe, Raumstationen, Sonden, Startvorrichtungen usw.), um ihre optischen Eigenschaften zu vervollkommnen, die sich beim Start oder im Laufe des Flugs verschlechtern können, insbesondere aufgrund von thermoelastischen Effekten.
Die FR-2.773.890 beschreibt somit ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels, umfassend einen motorgetriebenen Aktuatormechanismus, der im Schatten eines Hilfsspiegels eines Raumteleskops verlaufen kann.
Die bekannten, im Schatten von Spiegeln verlaufenden Vorrichtungen zum Montieren und Korrigieren haben jedoch den Nachteil einer komplexen, nicht proportionalen Steuerung. So gehen mit der Steuerung einer Bewegung zum Korrigieren eines Fehlers weitere parasitäre Bewegungen einher, die allgemein Ausreißer („Rejections") genannt werden und die korrigiert werden müssen. Demzufolge erfordert die Korrektur eines Fehlers zusätzliche Freiheitsgrade und ein Regelungssystem zum Kompensieren der Ausreißer. So erlaubt beispielsweise die Vorrichtung der FR-2.773.890 die Durchführung von Bewegungen mit sechs Freiheitsgraden.
In dieser Hinsicht ist zu bemerken, dass die Ausreißer im Allgemeinen nicht parallel zu den Aktuatorachsen sind, so dass die Kompensationen komplex sind und/oder mehrere Stufen erfordern können. Für eine solche Kompensation muss ebenfalls ein elektronisches Regelungssystem mit geschlossenem, komplexem Regelkreis vorgesehen werden. Darüber hinaus ist die Verarbeitung des Steuersignals komplex, wobei dieses Steuersignal nicht proportional zur durchzuführenden Bewegung ist. Somit erhöht diese Komplexität die Entwicklungs- und Herstellungskosten der (im Allgemeinen elektronischen) Steuermittel und beeinträchtigt deren Funktionszuverlässigkeit. Sie erhöht auch Größe, Masse und Energieverbrauch erheblich, was in bestimmten Anwendungen wie z. B. in der Raumfahrt einen bedeutenden Nachteil darstellt.
Ferner ist bei diesen bekannten Vorrichtungen die Fehlerposition, die bei fehlender Versorgung von Aktuatoren eingenommen wird, z. B. im Falle eines Ausfalls des Steuersystems, von der mechanischen Nennbetriebsposition des optischen Systems entfernt, was die Zuverlässigkeit der Vorrichtung beeinträchtigt, wobei die Funktionsfähigkeit des optischen Systems bei einem Ausfall der Steuerelektronik herabgesetzt wird (verringerte Auflösung), was in bestimmten Anwendungen redhibitorisch sein kann.
Es ist somit Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels, insbesondere eines Spiegels mit axialer Symmetrie bereitzustellen, die im Schatten des Spiegels verläuft und mit einfachen Steuermitteln gesteuert werden kann, die leicht und klein ist und nur wenig Energie verbraucht.
Es ist insbesondere Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der lineare Korrekturen durchgeführt werden können, d. h. deren Steuersignal proportional zu den auszuführenden Korrekturbewegungen ist.
Es ist insbesondere Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die frei von nicht auf die Aktuatorachsen ausgerichteten Ausreißern und insbesondere im Wesentlichen frei von lateralen Ausreißern ist.
Es ist insbesondere Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung mit einer Zahl von Freiheitsgraden vorzuschlagen, die der Zahl der auszuführenden Translations- und/oder Rotationskorrekturbewegungen entspricht, insbesondere eine Vorrichtung zum Korrigieren der Position des Umfokussierungs- (Translation in einer Referenzachse, die normalerweise der optischen Achse entspricht) und des Kippspiegels (Rotation(en) um wenigstens eine von zwei transversalen Achsen, die lotrecht zur Referenzachse und dazwischen liegt) mit Hilfe von drei Freiheitsgraden.
Es ist insbesondere Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die an Bord eines Raumfahrtsystems wie einem Satelliten, einer Sonde, einer Raumstation, einem Raumschiff, einer Startvorrichtung usw. einsetzbar ist und die insbesondere den Startkräften und dem Weltraumvakuum gewachsen ist, ein geringes Gewicht, eine geringe Größe und geringe Herstellungs- und Betriebskosten hat (insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch), eine hohe Lebensdauer hat und ferngesteuerte Korrekturen der Position des Spiegels auf zuverlässige und präzise Weise zulässt.
Es ist insbesondere Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die Korrekturen der axialen Position (Umfokussierung) auf einer Bahn (in jeder Richtung) in einer Größenordnung von 50 μm bis 100 μm mit einer Auflösung von weniger als 0,1 μm, insbesondere von etwa 0,05 μm, und der Kippposition auf einer Bahn (in jeder Richtung) in einer Größenordnung von 500 μrad mit einer Auflösung von weniger als 1 μrad, insbesondere von etwa 0,5 μrad und mit lateralen Ausreißern zulässt, die kleiner als 1 μm sind.
Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung vorzuschlagen, die Eigenschwingungen von mehr als 195 Hz und eine Masse von weniger als 2,5 kg hat und die einen Spiegel von 3 kg bei einer Beschleunigung von 60 g aushalten kann.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels in Bezug auf dessen Tragvorrichtung, mit einer mittleren optischen Achse – die insbesondere eine Symmetrieachse des Spiegels darstellt – und einem optischen Mittelpunkt, umfassend einen Mechanismus mit motorgetriebenen Aktuatoren, die im Schatten des Spiegels zwischen der Tragvorrichtung und einer Rückseite des Spiegels verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kippkorrekturstufe umfasst, die zwischen zwei Platten verläuft, von denen die eine, Spiegelplatte genannt, mit dem Spiegel assoziiert ist, während die andere, Tragplatte genannt, mit der Tragvorrichtung assoziiert ist, wobei diese Kippkorrekturstufe Folgendes umfasst:

– wenigstens zwei starre Zwischenglieder, Verbindungsglieder genannt, die die beiden Platten verbinden, wobei jedes dieser Verbindungsglieder durch ein Gelenk an einem seiner Enden mit der Spiegelplatte und durch ein anderes Gelenk an seinem anderen Ende mit der Tragplatte verbunden ist, wobei die Verbindungsglieder so an den Platten befestigt sind, dass sie zwischen den beiden Platten verlaufen und, wenn die beiden Platten in einer relativen Position, Nennposition genannt, liegen, in der die mittlere optische Achse des Spiegels mit einer festen Richtung zusammenfällt, Referenzachse genannt, mit den geraden Richtungen, Gliedachsen genannt, so, dass diese jeweils durch die beiden Gelenke der Enden jedes Verbindungsglieds passieren, die sich wenigstens im Wesentlichen im optischen Mittelpunkt des Spiegels schneiden,
– wenigstens einen linearen Aktuator, Kippaktuator genannt, der zwischen den beiden Platten angeordnet ist und durch ein Gelenk an einem Ende an der Spiegelplatte und durch ein weiteres Gelenk an seinem anderen Ende an der Tragplatte befestigt ist, wobei jeder Kippaktuator an den Platten befestigt und so gestaltet ist, dass, wenn wenigstens ein Kippaktuator aktiviert wird, der Abstand zwischen seinen Enden modifiziert wird, wobei die Spiegelplatte in Bezug auf die Tragplatte geneigt ist, wobei der Spiegel wenigstens im Wesentlichen um seinen optischen Mittelpunkt schwenkt.

Der Erfinder hat in der Tat gezeigt, dass eine solche Vorrichtung eine besondere Funktionskinematik hat, in der die lateralen Ausreißer, die durch eine Kippkorrektur verursacht werden, äußerst gering und in der Tat vernachlässigbar sind. In der Tat lässt sich zeigen, dass die Bahn, der der optische Mittelpunkt des Spiegels bei Kippkorrekturen folgt, einen Umkehrpunkt hat, der der neutralen Anfangsposition dieses optischen Mittelpunkts entspricht (in der die Verbindungsglieder im Bezug auf die optische Achse des Spiegels symmetrisch sind), wobei die beiden Platten in der Nennposition sind, parallel zueinander mit einer Tangente in diesem Umkehrpunkt, der mit der Referenzachse (und der mittleren optischen Achse des Spiegels) zusammenfällt. Aus diesem Grund kann das Steuersignal jedes Kippaktuators proportional zu der auszuführenden Bewegung sein, was eine erhebliche Vereinfachung der Vorrichtung selbst sowie ihrer Steuermittel ergibt.
Es ist zu bemerken, dass die DE-38 37 770 eine Vorrichtung zum Positionieren eines Teleskophilfsspiegels beschreibt, mit der pendelnde „Hack"-Bewegungen mit hoher Beschleunigung ohne Elektromagnet oder elastische Rückstellung möglich sind, um die optische Achse des Teleskops auf eine Himmelszone auszurichten, in der ein Stern im Infrarot-Bereich beobachtet werden soll, um Hintergrundrauschen des Signals durch Subtraktion zu unterdrücken. Die in diesem Dokument empfohlene Lösung besteht darin, ein oleodynamisches System zu verwenden, das Hydraulikzylinder parallel zur optischen Achse des Spiegels umfasst, die zwischen einer Basisplatte und dem Spiegel befestigt sind; Hydraulikzylinder zum Regeln der Position, deren Achsen durch den Schwerpunkt des Spiegels verlaufen, dessen Rotation um diesen Schwerpunkt erfolgt; Paare von Gelenkarmen, die axial parallel zur optischen Achse zwischen der Basisplatte und dem Spiegel verlaufen, um eine Rotationsblockierung um die optische Achse zu realisieren; Hydraulikzylinder, die ebenfalls zwischen der Basisplatte und dem Spiegel verlaufen, um die Form dieses Spiegels im Hinblick auf eine Kompensation eventueller Verformungen verändern zu können, die von diesen Bewegungen resultieren. In diesem Dokument wird der Spiegel um seinen Schwerpunkt gedreht, womit die oben erwähnten Probleme nicht gelöst werden können.
Die Publikation „nutating subreflector for a millimeter wave telescope" von RADFORD SJE et al., American Review of Physics, New York, US, Bd. 61, Nr. 3, 1. März 1990, beschreibt auf den Seiten 953–959 ebenfalls eine Vorrichtung, mit der Nutationsbewegungen ausgeführt werden können, um Hintergrundrauschen im Rahmen einer Infrarotbeobachtung zu unterdrücken. Die vorgesehene Vorrichtung umfasst zwei Elektromotoren mit Aktuatorstangen, die parallel zur optischen Achse des Spiegels auf jeder Seite translational beweglich sind. Die beiden Motoren sind an Armen montiert, die in einer Drehachse parallel zur Drehachse des Spiegels schwenken. So entsteht eine Struktur, die einem verformbaren Parallelogramm ähnelt, bei dem der Spiegel nicht um seinen optischen Mittelpunkt gedreht wird. Es muss ein besonders kompliziertes geschlossenes Regelsystem vorgesehen werden. Und auch mit diesem Dokument können die oben erwähnten Probleme nicht gelöst werden.
Im gesamten Text ist unter „Platte" jedes starre Stück zu verstehen, das wenigstens orthogonal zur mittleren optischen Achse des Spiegels und im Schatten des Spiegels verläuft. Die Spiegelplatte ist mit dem Spiegel „assoziiert", d. h. sie ist aus einem eigenen Stück geformt, das an dem Spiegel befestigt ist, z. B. mit Schrauben, oder sie ist aus einem hinteren Abschnitt des Spiegels gebildet.
Die Platten sind vorzugsweise eben (wobei die Spiegelplatte orthogonal zur mittleren optischen Achse und die Tragplatte orthogonal zur Referenzachse verlaufen), aber es sind auch andere Ausgestaltungsformen möglich. Alle Gelenke mit unterschiedlichen Verbindungsgliedern auf derselben Platte befinden sich vorzugsweise in derselben Ebene orthogonal zur Referenzachse, aber es sind auch andere Ausgestaltungen möglich. In der einen und/oder der anderen dieser bevorzugten Ausgestaltungen fällt die Referenzachse mit der mittleren optischen Achse des Spiegels zusammen, wenn die beiden Platten und/oder die beiden Ebenen, die durch die Gelenke definiert werden, Verbindungsglieder (an der Spiegelplatte bzw. Tragplatte) in der Nennposition parallel dazwischen sind. Die Referenzachse, die in Bezug auf die Tragvorrichtung befestigt und definiert ist, entspricht somit einer Nennposition der mittleren optischen Achse des Spiegels, in der das den Spiegel beinhaltende optische System normalerweise geregelt wird und arbeitet.
Die Verbindungsglieder sind vorteilhafterweise und erfindungsgemäß in der Nähe des Umfangs der Tragplatte angelenkt. Die Verbindungsglieder verlaufen somit ausgehend von der Tragplatte in Richtung auf die Spiegelplatte zur Referenzachse und zur mittleren optischen Achse des Spiegels hin geneigt, wobei ihre Gelenke an der Spiegelplatte näher zueinander und zur mittleren optischen Achse liegen als ihre Gelenke auf der Tragplatte zueinander und zur Referenzachse sind. Jedes Verbindungsglied ist vorzugsweise, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß eine starre gerade Stange. Es sind auch andere Ausgestaltungen möglich.
Umgekehrt ist jeder Kippaktuator vorteilhafterweise und erfindungsgemäß in der Nähe des Umfangs der Spiegelplatte angelenkt. Die Kippaktuatoren verlaufen somit ausgehend von der Spiegelplatte in Richtung auf die Tragplatte zur Referenzachse und zur mittleren optischen Achse des Spiegels hin geneigt, wobei ihre Gelenke an der Tragplatte näher zueinander und zur Referenzachse liegen als ihre Gelenke an der Spiegelplatte zueinander und zur mittleren optischen Achse liegen. Aufgrund dieser Neigung kann sich die Achse, Aktuatorachse genannt, die durch die beiden Enden jedes Kippaktuators verläuft, der Tangente auf der Bewegungsbahn ihres Gelenks auf der Spiegelplatte nähern, was eine höhere Wirksamkeit und eine bessere mechanische Leistung ergibt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Kippkorrektur um eine einzelne Achse lotrecht zur Referenzachse verwendet werden (wobei die Kippkorrekturstufe nur einen einzigen Freiheitsgrad hat), wobei die Spiegelplatte in einer festen radialen Ebene geschwenkt wird, die die Referenzachse beinhaltet. In dieser Variante umfasst die Kippstufe lediglich zwei Verbindungsglieder und einen einzigen Kippaktuator in dieser radialen Ebene.
In einer anderen Anwendungsvariante erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung jede Kippkorrektur, wobei die Kippkorrekturstufe zwei Freiheitsgrade hat. Sie umfasst vorteilhafterweise und erfindungsgemäß drei gleichmäßig um die Referenzachse und die mittlere optische Achse verteilte Verbindungsglieder. Die Gelenke der Verbindungsglieder an der Tragplatte sind gleichmäßig im Winkel von 120° zueinander um die Referenzachse verteilt und die Gelenke der Verbindungsglieder an der Spiegelplatte sind gleichmäßig im Winkel von 120° zueinander um die mittlere optische Achse verteilt.
In dieser Variante umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise und erfindungsgemäß wenigstens zwei Kippaktuatoren, die so angeordnet sind, dass die Achsen, Aktuatorachsen genannt, die jeweils durch die beiden Endgelenke eines Kippaktuators verlaufen, und die Referenzachse nicht koplanar sind. Wenn nur zwei Aktuatoren vorgesehen sind, dann sind sie vorzugsweise vom Doppeleffekttyp und in den orthogonalen radialen Ebenen ausgerichtet, die die Referenzachse enthalten.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung und gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung drei Kippaktuatoren, die gleichmäßig um die Referenzachse verteilt sind. Die Kippaktuatoren haben einen Abstand von 120° zueinander, d. h. sie sind in radialen Ebenen, die die Referenzachse enthalten, und im Winkel von 120° zueinander in der Nennposition ausgerichtet. Ihre Gelenke an der Spiegelplatte sind gleichmäßig im Winkel von 120° zueinander verteilt. Ihre Gelenke an der Tragplatte sind gleichmäßig im Winkel von 120° zueinander verteilt. Die drei Kippaktuatoren sind vorteilhafterweise und erfindungsgemäß zwischen den drei Verbindungsgliedern angeordnet, wobei sich jeder Kippaktuator zwischen zwei Verbindungsgliedern wenigstens im Wesentlichen im gleichen Abstand von diesen benachbarten Verbindungsgliedern befindet. Die Vorrichtung hat somit eine gute Symmetrie und ein gutes Gleichgewicht im Raum.
Insbesondere in dieser Ausgestaltung ist jeder Kippaktuator vorteilhafterweise und erfindungsgemäß ein einfach wirkender Stellmotor in einer Translationsrichtung in Bezug auf die Aktuatorachse und umfasst Mittel zum elastischen Rückstellen in der anderen Translationsrichtung. Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß treibt jeder Kippaktuator in der Annäherungsrichtung seiner beiden Gelenkenden an.
Außerdem ist jeder Kippaktuator vorteilhafterweise und erfindungsgemäß ein piezoelektrischer Aktuator mit Bewegungsverstärkung ohne Spiel (mit vorgespanntem/n piezoelektrischem/n Element(en)), wie beispielsweise in der FR-2.740.276 beschrieben ist. Es können in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch andere Aktuatortypen mit elektrischer, mechanischer (Schraube/Mutter), thermischer (thermische Dilatation) usw. Steuerung zum Einsatz kommen. In jedem Fall ist das Steuersignal einfach zu verarbeiten, weil es zur gewünschten Bewegung proportional ist.
Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß sind die Gelenke jedes Verbindungsgliedes an den Platten vom Kardangelenktyp, der Schwenkungen zum Ändern der Neigung der Gliedachse in Bezug auf die Platten zulässt, aber relative Rotationen um die Gliedachse verhindert. Anders ausgedrückt, jedes Verbindungsglied ist rotational um seine Gliedachse (wobei die Richtung durch seine beiden Endgelenke verläuft) in Bezug auf jede der beiden Platten fest. Solche Kardan- (oder homokinetische) Gelenke können mit Stücken realisiert werden, die in die Masse eingearbeitete Schlitze und/oder geeignete Formen aufweisen, so dass sie biegeelastisch, aber torsionsstarr und frei von dynamischen Reibungen sind.
Ebenso sind die Gelenke jedes Kippaktuators vorteilhafterweise und erfindungsgemäß mit den Platten vom Kardangelenktyp, der Schwenkungen zum Ändern der Neigung der Aktuatorachse in Bezug auf die Platten zulässt, aber relative Rotationen um die Aktuatorachse verhindert. Somit ist jeder Kippaktuator rotational um seine Aktuatorachse in Bezug auf jede der beiden Platten fest.
Der Einsatz solcher Kardangelenke als Gelenke der Verbindungsglieder und/oder Kippaktuatoren verleiht Torsionsstabilität um die Referenzachse zwischen den beiden Platten.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise und erfindungsgemäß eine Stufe, Umfokussierstufe genannt, zum Korrigieren der Position der Tragplatte translational entlang der Referenzachse und/oder translational lotrecht zu dieser Referenzachse. Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß bringt eine Umfokussierkorrektur, da sich die Umfokussierstufe zwischen der Tragvorrichtung und der Tragplatte der Kippkorrekturstufe befindet, keine lateralen Ausreißer in Bezug auf die Referenzachse mit sich.
Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß ist die Umfokussierstufe so gestaltet, dass sie lediglich eine Translation der Tragplatte entlang der Referenzachse zulässt. In dem Fall, in dem die Kippkorrekturstufe zwei Freiheitsgrade hat (drei Verbindungsglieder), hat die erfindungsgemäße Vorrichtung, die die Umfokussierstufe und die Kippkorrekturstufe hat, drei Freiheitsgrade und erlaubt Korrekturen der axialen Position sowie Kippkorekturen. Die Umfokussierstufe umfasst vorteilhafterweise und erfindungsgemäß wenigstens einen linearen Aktuator, Umfokussieraktuator genannt, der parallel zur Referenzachse zwischen der Tragplatte und der Tragvorrichtung verläuft.
In einer Variante und gemäß der Erfindung kann die Umfokussierstufe mehrere Freiheitsgrade haben. So umfasst die Umfokussierstufe vorteilhafterweise und erfindungsgemäß mehrere Umfokussieraktuatoren, deren Aufgabe es ist, Translationsbewegungen in Richtungen parallel zur Referenzachse, aber nicht mit dieser Referenzachse zusammenfallend zu realisieren, um Translationsbewegungen der Tragplatte lotrecht zur Referenzachse zuzulassen. Sie umfasst vorteilhafterweise und erfindungsgemäß drei Umfokussieraktuatoren, die gleichmäßig um die Referenzachse verteilt sind. In diesem Fall hat die Umfokussierstufe drei Freiheitsgrade. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit fünf Freiheitsgrade haben (wobei die Kippkorrekturstufe zwei Freiheitsgrade hat). In dieser Variante ist die Steuerung nicht strikt proportional, weil die Kippkorrekturstufe die durch die Umfokussierstufe erzeugte Kippbewegung kompensieren muss. Trotzdem bleibt sie im Fall von Umfokussier- und Kippbewegungen proportional.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein optisches System, insbesondere ein Raumteleskop mit Cassegrain- oder Newton-Montage, und ist insbesondere für eine Installation an Bord eines Raumfahrtsystems ausgelegt, das wenigstens einen Spiegel mit einer mittleren optischen Achse und einem optischen Mittelpunkt hat, insbesondere einen Hilfsspiegel, und wenigstens eine Tragvorrichtung eines solchen Spiegels, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels in Bezug auf eine Tragvorrichtung umfasst.
Das optische System umfasst vorteilhafterweise und erfindungsgemäß für jeden Spiegel, Hilfsspiegel genannt, eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die wenigstens teilweise den auf das optische System einfallenden Lichtfluss und/oder den das optische System durchquerenden Lichtfluss maskiert.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels in einem optischen System, in Kombination gekennzeichnet durch einige oder alle der oben oder nachfolgend erwähnten Merkmale.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus einer Lektüre der nachfolgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausgestaltungen hervor, die als nicht begrenzende Beispiele gegeben werden und die sich auf die beiliegenden Figuren beziehen. Dabei zeigt:
1 ein Schema im Axialschnitt, der ein Teleskop mit Cassegrain-Montage gemäß der Erfindung illustriert, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position des Hilfsspiegels;
2a und 2b Prinzipdiagramme, jeweils in Nennposition und in einer anderen Position als der Nennposition, einer Variante einer Kippkorrekturstufe in einer radialen Ebene, mit einem Freiheitsgrad, die das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung illustriert;
3 eine axiale Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine axiale Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Pfeil F von 3, zur Illustration ohne Spiegelplatte oder mittleren Träger dargestellt;
5 eine axiale Schnittansicht eines Endgelenks eines Verbindungsgliedes oder eines Kippaktuators der Kippkorrekturstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 3;
6 eine Schnittansicht entlang Linie VI-VI von 5,
7 eine schematische Profilansicht einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
8 eine schematische Schnittansicht entlang Linie VIII-VIII von 7;
9 bis 12 Diagramme, die die Ergebnisse eines Simulationsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 3 und 4 illustrieren und jeweils die Bahnen der Kippaktuatoren, die Kippbahn des Spiegels, den lateralen Ausreißer und den axialen Ausreißer darstellen.
1 ist ein Prinzipschema eines Teleskops mit Cassegrain-Montage gemäß der Erfindung, umfassend ein Zylinderrohr 1, das mittels einer Halterung (nicht dargestellt) an einer festen Struktur eines Raumfahrsystems wie einem Satelliten oder an einer festen terrestrischen Struktur befestigt werden soll. Ein konkaver Hauptparabolspiegel 3 ist am Ende 4 des Rohrs 1 gegenüber der Eintrittsöffnung des Teleskops (nicht dargestellt) befestigt. Ein konvexer Hilfsparabolspiegel 5 mit Axialsymmetrie reflektiert das vom Hauptspiegel 3 austretende Licht in Richtung auf ein Okular 6, das den Hauptspiegel 3 in seinem Mittelpunkt durchquert. Der Hilfsspiegel 5 ist an dem Rohr 1 mit radial verlaufenden Stangen oder Seilen 7 befestigt, die so dünn wie möglich sind, um den einfallenden Lichtfluss 2 nicht zu stören. Die Stangen oder Seile 7 halten eine Tragvorrichtung 8 in der allgemeinen Form eines Flanschs in einer mittleren Position des Rohres 1, d. h. axial auf ihrer Hauptachse 10 zentriert (die die Referenzachse 10 des Teleskops bildet) und orthogonal zu dieser Hauptachse verlaufen.
Der Hilfsspiegel 5 ist in Bezug auf die Tragvorrichtung 8 mittels einer Vorrichtung 9 zum Montieren und Korrigieren der Position gemäß der Erfindung montiert. Wie in 1 zu sehen ist, befindet sich diese Vorrichtung 9 im Schatten des Spiegels 5, d. h. stört weder den einfallenden Lichtfluss 2, der um den Hilfsspiegel 5 herum passiert, noch den vom Hauptspiegel 3 reflektierten Lichtfluss, der auf den Hilfsspiegel 5 fällt, und auch nicht den Lichtfluss, der vom Hilfsspiegel 5 in Richtung auf das Okular 6 reflektiert wird. In der Praxis bedeutet dies, dass sich die Vorrichtung 9 vollständig im Innern des imaginären Umdrehungszylinders befindet, der den Hilfsspiegel 5 axial gegenüber dem Hauptspiegel 3 verlängert. Die Tragvorrichtung 8 verläuft auch im Schatten des Spiegels 5.
Der Hilfsspiegel 5 hat einen optischen Mittelpunkt O und eine mittlere optische Achse ZZ', die seine Symmetrieachse ist. In der Nennposition des Hilfsspiegels 5 muss der optische Mittelpunkt O auf der Symmetrieachse 10 des Rohres 1 liegen, und die mittlere optische Achse ZZ' des Spiegels 5 muss mit dieser Symmetrieachse 10 des Rohres 1 zusammenfallen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 9 umfasst eine Kippkorrekturstufe 11, die eine Justierung der Winkelposition der mittleren optischen Achse ZZ' des Hilfsspiegels 5 in Bezug auf die Symmetrieachse 10 und durch Drehung um den optischen Mittelpunkt O zulässt. Anders ausgedrückt, die Funktion der Kippkorrekturstufe 11 besteht darin, die Position des Hilfsspiegels 5 durch Drehung um jede Schwenkachse orthogonal zur Symmetrieachse 10 und durch den optischen Mittelpunkt O verlaufend einzustellen.
Die Kippkorrekturstufe 11 verläuft zwischen zwei Platten, von denen die eine, Spiegelplatte 12 genannt, mit einer Rückseite 34 des Hilfsspiegels 5 assoziiert ist, während die andere, Tragplatte 13 genannt, mit der Tragvorrichtung 8 mittels einer Stufe assoziiert ist, Umfokussierstufe 14 genannt, die eine Einstellung der Position des optischen Mittelpunktes O des Hilfsspiegels 5 entlang der Referenzsymmetrieachse 10 zulässt. Die beiden Platten 12, 13 verlaufen im Schatten des Hilfsspiegels 5. Dasselbe gilt für die Umfokussierstufe 14. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 9 verläuft im Schatten des Spiegels 5 zwischen ihrer Rückseite 34 und der Tragvorrichtung 8, ebenso im Schatten des Spiegels 5.
Die 2a und 2b sind Prinzipschemata, die die allgemeine Kinematik einer Kippkorrekturstufe 11 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 9 verdeutlichen sollen.
Es ist zu bemerken, dass die Erfindung vorzugsweise zur Realisierung einer Kippkorrektur entlang jeder Drehachse orthogonal zur Referenzachse 10 anwendbar ist, die durch den optischen Mittelpunkt O verläuft. Sie kann auch angewendet werden, um diese Korrektur nur in einer einzigen Drehachse zu realisieren, d. h. in einer einigen radialen Ebene zur Achse 10. Die 2a und 2b illustrieren eine Kippkorrektur, die in einer einzigen radialen Ebene erfolgt, die der der Figuren entspricht. In dieser Situation umfasst die Stufe 11 zwei starre Glieder 15, Verbindungsglieder 15 genannt, die die beiden Platten 12, 13 verbinden, wobei jedes dieser Verbindungsglieder 15 durch ein Gelenk 16 von einem seiner Enden an der Spiegelplatte 12 und durch ein weiteres Gelenk 17 von seinem anderen Ende an der Tragplatte 13 befestigt ist. Die Gelenke 17 der Verbindungsglieder 15 an der Tragplatte 13 haben den gleichen Abstand von der Referenzachse 10. Die Verbindungsglieder 15 sind an den zwei Platten 12, 13 so befestigt, dass sie zwischen diesen beiden Platten 12, 13 verlaufen, und wenn die Platten 12, 13 in der in 2a dargestellten Nennposition sind, in der die optische Achse ZZ' des Spiegels 5 mit der Referenzachse 10 zusammenfällt, mit den geraden Richtungen, Gliedachse 18 genannt (die diejenigen sind, die jeweils durch die beiden Endgelenke 16, 17 jedes Verbindungsgliedes 15 verlaufen), die sich im optischen Mittelpunkt O des Spiegels 5 schneiden. Alle Gliedachsen 18 schneiden sich in einem einzigen Schnittpunkt J, der in der Nennposition mit dem optischen Mittelpunkt O des Spiegels 5 zusammenfällt und sich somit auf der Referenzachse 10 befindet. Die Gliedachsen 18 haben dieselbe winkelmäßige Neigung in Bezug auf die Referenzachse 10 in der Nennposition. In dieser Nennposition sind die Gliedachsen 18 (und die Verbindungsglieder 15) in Bezug auf die Referenzachse 10 symmetrisch (in der Variante der 2a, 2b). In den 2a, 2b sind die Verbindungsglieder 15 in der Form von einfachen starren Stangen dargestellt, die in ihrer Gliedachse 18 verlaufen. Es ist jedoch klar, dass die Verbindungsglieder 15 auch andere verwundene oder kurvige Formen haben können, solange sie starr sind, d. h. dass die beiden Endgelenke 16, 17 jedes Gliedes 15 mittels des Verbindungsgliedes 15 starr miteinander verbunden bleiben.
Die Kippkorrekturstufe 11 umfasst darüber hinaus wenigstens einen linearen Aktuator, Kippaktuator 19 genannt, der motorgetrieben ist und sich zwischen den beiden Platten 12, 13 befindet und durch ein Gelenk 20 an einem seiner Enden an der Spiegelplatte 12 und durch ein anderes Gelenk 21 seines anderen Endes an der Tragplatte 13 befestigt ist. Wenn ein solcher linearer Aktuator 19 aktiviert wird, dann wird der Abstand zwischen den beiden Gelenken 20, 21 durch relative Translation seiner Gelenke 20, 21 in einer festen Richtung, Aktuatorachse 22 genannt, geändert. Jeder lineare Aktuator 19 ist an den beiden Platten 12, 13 befestigt und so gestaltet, dass er bei Aktivierung die Spiegelplatte 12 in Bezug auf die Tragplatte 13 neigt. Die Gelenke 20 von Kippaktuatoren 19 an der Spiegelplatte 12 haben den gleichen Abstand von der mittleren optischen Achse ZZ' des Spiegels 5. Die Gelenke 21 von Kippaktuatoren 19 an der Tragplatte 13 haben den gleichen Abstand von der Referenzachse 10. In der Nennposition haben die Aktuatorachsen 22 dieselbe winkelmäßige Neigung in Bezug auf die Referenzachse 10.
Aufgrund der Tatsache, dass sich die Verbindungsglieder 15 im optischen Mittelpunkt O schneiden, wenn die Spiegelplatte 12 in Bezug auf die Tragplatte 13 geneigt ist, schwenkt der Hilfsspiegel 5 wenigstens im Wesentlichen um seinen optischen Mittelpunkt O. In der Tat lässt sich zeigen, dass die theoretische Bahn des optischen Mittelpunktes O in dieser Kinematik im Laufe der relativen Drehungen der Platten 12, 13 in der Tat einen Umkehrpunkt I hat, der auf der Referenzachse 10 liegt, und eine Tangente am Umkehrpunkt I, die mit der Referenzachse 10 zusammenfällt. Der Umkehrpunkt I fällt mit dem optischen Mittelpunkt O des Spiegels 5 zusammen, wenn sich die beiden Platten 12, 13 in der Nennposition parallel zueinander befinden, d. h. wenn sich die Gelenke 16, 17, 20, 21 in einer solchen Position befinden, dass der Spiegel 5 eine korrekte winkelmäßige Position (grob orthogonal) in Bezug auf die Referenzachse 10 hat und wenn der Schnittpunkt J der Gliedachsen 18 auf der Referenzachse 10 liegt.
2b zeigt eine Nicht-Nennposition, in der die optische Achse ZZ' des Spiegels 5 winkelmäßig in Bezug auf die Referenzachse 10 versetzt ist. Der optische Mittelpunkt O ist auf seiner Bahn 23 versetzt und unterscheidet sich somit vom Umkehrpunkt I dieser Bahn 23. Trotzdem hat sich aufgrund der Form dieser Bahn 23 der optische Mittelpunkt O am Umkehrpunkt I lateral (in einer radialen Richtung zur Bezugsachse 10) nur auf vernachlässigbare Weise und äußerst geringfügig entlang der Referenzachse 10 verschoben. Man kann somit sagen, dass der Spiegel 5 in der Tat um den optischen Mittelpunkt O geschwenkt ist. Es ist zu bemerken, dass die Gliedachsen 18 sich somit in einem Punkt J schneiden, der nicht mehr mit dem optischen Mittelpunkt O des Spiegels 5 zusammenfällt und nicht mehr auf der Referenzachse 10 oder auf der mittleren optischen Achse ZZ'
des Spiegels 5 liegt. Damit sie sich im optischen Mittelpunkt O in der Nennposition schneiden können, sind die Verbindungsglieder 15 in der Nähe des Umfangs der Tragplatte 13 angelenkt. Anders ausgedrückt, die Gelenke 17 der Verbindungsglieder 15 an der Tragplatte 13 sind radial um einen Abstand voneinander entfernt, der größer ist als der Abstand, der die Gelenke 16 der Verbindungsglieder 15 an der Spiegelplatte 12 voneinander trennt, so dass die Gliedachsen 18 geneigt sein und sich im optischen Mittelpunkt O in der Nennposition treffen können.
Umgekehrt ist jeder Kippaktuator 19 in der Nähe des Umfangs der Spiegelplatte 12 angelenkt, und sein Gelenk 20 an der Spiegelplatte 12 ist weiter von der Referenzachse 10 entfernt als sein Gelenk 21 an der Tragplatte 13. Die Aktuatorachse 22 muss so positioniert sein, dass sie möglichst nahe an der Tangente zur kreisförmigen Bahn 24 liegt, die im Laufe der Drehung der Spiegelplatte 12 durch das Gelenk 20 des Kippaktuators 19 an der Spiegelplatte 12 läuft, wie dies die Kinetik der Verbindungsglieder 15 vorschreibt. In der Tat hat der Aktuator 19 in dieser Aktuatorachsenposition 22 die größte Wirksamkeit, wobei die ausgeübte Kraft wenigstens im Wesentlichen lotrecht zum Hebelarm liegt, der zwischen dem Gelenk 20, wo die Kraft wirkt, und dem optischen Mittelpunkt O des Spiegels 5 liegt, der der Rotationsmittelpunkt ist.
Mit dem in den 2a, 2b illustrierten kinematischen Prinzip beträgt bei einem Spiegel mit einer Höhe von 100 mm der maximale Kippkorrekturwert, der durch Modellierung erhalten werden kann (unter Annahme einer unendlichen Gliedstarrheit 15 und von perfekten Gelenken), 1350 rad, wobei die lateralen Ausreißer auf 0,0001 μm und die axialen Ausreißer auf 0,25 μm begrenzt sind.
Wenn doppelt wirkende Kippaktuatoren 19 verwendet werden, d. h. die in den beiden Translationsrichtungen entlang der Aktuatorachse 22 antreiben, dann wäre ein einziger Kippaktuator 19 ausreichend, um den Spiegel 5 in einer radialen Ebene in der einen und der anderen Richtung in Drehung zu versetzen. Die 2a und 2b zeigen jedoch eine Ausgestaltung, bei der die Kippaktuatoren 19 vom Einfacheffekttyp sind, d. h. die in einer einzigen Translationsrichtung in Bezug auf die Aktuatorachse 22 antreiben, insbesondere in der Annäherungsrichtung ihrer beiden Gelenkenden (20, 21), und elastische Rückstellmittel in der anderen Translationsrichtung aufweisen, d. h. in der Richtung der relativen Entfernung ihrer beiden Gelenkenden (20, 21). Jeder Kippaktuator 19 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktuator mit Bewegungsverstärkung ohne Spiel und piezoelektrischem/n vorgespanntem/n Element(en) wie die, die beispielsweise im Patent FR-2.740.276 oder in der US-3.274.537 beschrieben sind. Ein solcher piezoelektrischer Aktuator umfasst eine mechanische Verstärkungsstuktur 25, z. B. mit allgemein elliptischer oder polygonaler Form, die zwei flexible und elastische, einander gegenüberliegende Kreisbögen definieren, sowie eine piezoelektrische Vorrichtung 26, die zwischen den beiden Kreisbögen der Struktur 25 verlaufen. Die Struktur 25 hat eine große Achse und die piezoelektrische Vorrichtung 26 verläuft entlang der großen Achse dieser Struktur 25. Wenn die piezoelektrische Vorrichtung 26 gespeist wird, dann nimmt ihre Länge so zu, dass die große Achse der Struktur 25 wächst und ihre kleine Achse (lotrecht zur großen Achse) längenmäßig abnimmt. Die Gelenke 20, 21 sind jeweils mit Kreisbögen der Struktur 25 gemäß der kleinen Achse der Struktur 25 verbunden. Wenn die piezoelektrische Vorrichtung 26 nicht mehr gespeist wird, dann kehrt die Struktur 25 aufgrund der Biegeelastizität der Kreisbögen in ihre Ruheposition zurück. Ebenso ist zu bemerken, dass die Struktur 25 in Bezug auf ihre Ruheposition etwas verlängert werden kann, d. h. dass ihre kleine Achse eine etwas größere Länge hat, wobei die piezoelektrische Vorrichtung 26 komprimiert wird, und das unter der Wirkung einer Zugkraft, die zwischen den beiden Gelenken 20, 21 ausgeübt wird. Wenn diese Zugkraft aufhört, dann nimmt die Struktur 25 ihre anfängliche Ruheposition wieder ein. Die Struktur 25 bildet somit elastische Rückstellmittel für die Gelenke 20, 21 in einer Ruheposition. Ein solcher piezoelektrischer Aktuator 19 hat zahlreiche Vorteile: er kann an Bord eines Raumfahrzeugs eingesetzt werden (kann Beschleunigungskräften, extremen Vakuumverbindungen standhalten und ist frei von relativen dynamischen Reibungsteilen und hat eine sehr lange Lebensdauer), er erlaubt die Ausübung von relativ hohen Kräften (100 bis 1500 Newton) bei geringem Gewicht (in der Größenordnung von 150 bis 200 g) und mit geringen Weglängen (in der Größenordnung von 50 bis 200 μm). So kann beispielsweise ein Aktuator mit der Modellreferenz APA120ML verwendet werden, der von der Firma CEDRAT RECHERCHE (FRANKREICH) erhältlich ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (3 und 4) erlaubt vorzugsweise eine Kippkorrektur in jeder Raumrichtung, d. h. in jeder radialen Ebene der Referenzachse 10. Dazu umfasst die Vorrichtung drei starre Glieder 15, die gleichmäßig um die Referenzachse 10 und die mittlere optische Achse ZZ' verteilt sind. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung wenigstens zwei Kippaktuatoren 19, die so angeordnet sind, dass die Aktuatorachsen 22 und die Referenzachse 10 nicht koplanar sind.
Zwei Kippaktuatoren 19 reichen aus, um alle Schwenkbewegungen zu realisieren, wenn diese Kippaktuatoren 19 vom Doppelwirkungstyp sind. Durch die Verwendung von einfach wirkenden Kippaktuatoren 19 wie den oben beschriebenen umfasst die Vorrichtung drei Kippaktuatoren 19, die gleichmäßig um die Referenzachse 10 verteilt sind, wie in den 3 und 4 dargestellt ist. Die drei Kippaktuatoren 19 können zwischen drei Verbindungsgliedern 15 angeordnet sein, wobei jeder Kippaktuator 19 zwischen zwei Verbindungsgliedern 15 wenigstens im Wesentlichen im gleichen Abstand von diesen benachbarten Verbindungsgliedern angeordnet sind (4).
Die Verbindungsglieder 15 haben dieselbe Neigung in Bezug auf die Referenzachse 10 in der Nennposition. Dasselbe gilt für Kippaktuatoren 19. Und hier schneiden sich die Gliedachsen 18 in einem einzigen Punkt J, der in der Nennposition, in der er auf der Referenzachse 10 liegt, mit dem optischen Mittelpunkt O des Spiegels 5 zusammenfällt.
Bei jeder Kippschwenkung befindet sich eine Kinematik, die zu der in den 2a, 2b dargestellten aquivalent ist, in einer radialen Ebene. Es sind jedoch nur ein Kippaktuator 19 und das gegenüberliegende Verbindungsglied in derselben radialen Ebene. Die mögliche Bahn des optischen Mittelpunktes O des Spiegels ist somit auf allgemeine Weise eine Fläche, die einen Umkehrpunkt I auf der Referenzachse 10 hat, wobei eine Tangente an diesem Umkehrpunkt I mit der Referenzachse 10 zusammenfällt. Daher sind die entstehenden lateralen Ausreißer vernachlässigbar und der axiale Ausreißer ist gering.
Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß hält die Kippkorrekturstufe 11 die beiden Platten 12, 13 in Bezug zueinander und sperrt ihre relative Bewegung (torsional) um die Referenzachse 10. Dazu sind die Gelenke 16, 17 jedes Verbindungsgliedes 15 an der Platte 12, 13 vom Kardangelenktyp, der ihre Drehbewegungen zum Ändern der Neigung der Gliedachse 18 in Bezug auf die Platten 12, 13 zulässt, aber relative Eigendrehungen (Torsion) um die Gliedachse 18 verhindert. Anders ausgedrückt können die beiden Endgelenke 16, 17 eines Verbindungsgliedes 15 in Bezug zueinander nicht um die Gliedachse 18 rotieren. Im Gegensatz dazu erlauben diese Gelenke 16, 17 Neigungsveränderungen der Gliedachse 18 in Bezug auf jede der Platten 12, 13. Ebenso sind die Gelenke 20, 21 jedes Kippaktuators 19 an den Platten 12, 13 vom Kardangelenktyp, der Neigungsveränderungen der Aktuatorachse 22 in Bezug auf jede der Platten 12, 13 zulässt, aber relative Eigenrotationen (Torsion) um die Aktuatorachse 22 verhindern.
Die Gelenke 16, 17 von Verbindungsgliedern 15 werden vorzugsweise mit einer axialen Starrheit in der Größenordnung von oder größer als 200 N/μm, einer winkelmäßigen Starrheit von 20 bis 60 Nm/rad, insbesondere in der Größenordnung von 40 Nm/rad, für einen Weg von 0,1° bis 1°, insbesondere in der Größenordnung von 0,5°, in jeder Richtung gewählt. Die Gelenke 20, 21 von Kippaktuatoren 19 werden mit einer axialen Starrheit in der Größenordnung von oder größer als 100 N/μm, einer winkelmäßigen Starrheit von 10 bis 40 Nm/rad, insbesondere in der Größenordnung von 22 Nm/rad, für einen Weg von 0,1° bis 1°, insbesondere in der Größenordnung von 0,5°, in jeder Richtung gewählt. Die Gelenke 16, 17 von Verbindungsgliedern 15 haben denselben winkelmäßigen Neigungsweg, sind aber axial biegestarrer als die Gelenke 20, 21 der Kippaktuatoren 19. In der Tat sind es im Wesentlichen die Verbindungsglieder 15, die die Kinematik vorschreiben und die Vorspannung stützen.
Solche Gelenke 16, 17, 20, 21 vom Kardangelenktyp können beispielsweise durch flexible Verbindungen aus Gussstahlblöcken wie den Kardanverbindungen P.176.50 für Kippaktuatoren 19 und P.176.60 für Verbindungsglieder 15 realisiert, die von der Firma PHYSIK INSTRUMENT (WALDBRONN, DEUTSCHLAND) erhältlich sind.
Diese zylindrischen Blöcke sind in den 5 und 6 ausführlicher dargestellt. Sie umfassen zwei koaxiale Enden 35, 36 mit Gewindebohrungen zu ihrer Befestigung an Verbindungsteilen (einerseits an einer Platte 12, 13, andererseits an einem Aktuator 19 oder einem Glied 15). Zwei Schlitze 37a, 37b verlaufen auf jeder Seite eines ersten Durchmessers 38 in Ebenen, die nach außen hin und in Richtung auf das erste Innengewinde 35 bis zum Umfang des Zylinderblocks geneigt sind. Dieselbe Anordnung befindet sich in der anderen Richtung zum zweiten Innengewinde 36 hin im Winkel von 90°. Zwei Schlitze 39a, 39b (nicht zu sehen, in den Figuren nur punktiert angedeutet) verlaufen auf jeder Seite eines zweiten Durchmessers 40 in einer Ebene, die nach außen und in Richtung auf das zweite Innengewinde 36 bis zum Umfang des Zylinderblocks geneigt ist. Die beiden Durchmesser 38, 40 haben einen Winkel von 90° zueinander und bilden ein Kreuz, das die beiden Innengewinde 35, 36 verbindet, die in Bezug aufeinander durch Biegen des einen und/oder des anderen Durchmessers 38, 40 entlang der Breite der Schlitze 37a, 37b, 39a, 39b leicht geneigt sein können.
Solche Verbindungen sind frei von relativ zueinander bewegten Teilen und unterliegen keinem Verschleiß. Sie sind mit einer Installation an Bord eines Raumfahrzeugs kompatibel. Dasselbe gilt für piezoelektrische lineare Aktuatoren, die frei von dynamischen Reibungsteilen sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 9 umfasst auch eine Umfokussierstufe 14, mit der die Position der Tragplatte 13 in Bezug auf die Tragvorrichtung 8 translational entlang der Referenzachse 10 eingestellt werden kann. Diese Umfokussierstufe 14 umfasst einen Umfokussieraktuator 27, der mit Kippaktuatoren 19 identisch sein kann, d. h. einen einfach wirkenden piezoelektrischen linearen Aktuator mit bewegungsverstärkter elastischer Rückstellung ohne Spiel. Der Aktuator 27 ist in der Mitte der Tragvorrichtung 8 auf einer Seite durch ein unteres Gelenk 32, auf der anderen Seite durch ein oberes Gelenk 33 mit einem festen Träger 28 der Tragplatte 13 befestigt und verläuft zwischen der Spiegelplatte 12 und der Tragplatte 13 zwischen den Verbindungsgliedern 15 und den Kippaktuatoren 19 im mittleren axialen Teil. Dank diesem Träger 28 ist der Umfokussieraktuator 27 zwischen diesen beiden Platten 12, 13 und die axiale Größe der Vorrichtung 9 wird reduziert.
Der Träger 28 ist eine radiale Scheibe, die mit der Tragplatte 13 durch drei Halterungen 30 verbunden ist. Die Tragplatte 13 ist in ihrer Mitte von einem Schlitz 31 für die Passage des unteren Gelenks 32 des Umfokussieraktuators 27 und seine Befestigung an der Tragvorrichtung 8 durchbohrt. In 4 ist der Träger 28 nicht dargestellt, um die Halterungen 30 und den Umfokussieraktuator 27 zu illustrieren.
Das untere 32 und das obere 33 Gelenk des Umfokussieraktuators 27 können ähnlich wie 16, 17, 20, 21 der Verbindungsglieder 15 und die Kippaktuatoren 19 sein, d. h. die Kardangelenke aus Gussblöcken (5 und 6).
Darüber hinaus wird die Tragplatte 13 in Bezug auf die Tragvorrichtung 8 von zwei Metallkappen 29 gehalten, die radial zwischen der Tragvorrichtung 8 und der Tragplatte 13 verlaufen und an der Tragvorrichtung 8 und der Tragplatte 13 durch Kränze oder Querplatten und geeignete Schrauben wie in 3 dargestellt starr befestigt sind. Die Tragplatte 13 weist eine Umfangsschürze 41 auf, die eine Aussparung 42 der Tragvorrichtung 8 bedeckt, zwischen denen sich die Kränze 29 befinden. Diese Kränze 29 lassen eine relative axiale Verschiebung der Tragplatte 13 in Bezug auf die Tragvorrichtung 8 zu, halten aber die beiden Teile in Bezug zueinander radial, torsional und gegen Kippen fest.
In der Variante der 7 und 8 ist die Umfokussierstufe 14 so gestaltet, dass sie Translationen lotrecht zur Referenzachse 10 zulässt. Die Umfokussierstufe 14 umfasst mehrere Umfokussieraktuatoren 27a, 27b, 27c, die nicht mit der Referenzachse 10 zusammenfallen, sondern parallel zu dieser Referenzachse 10 verlaufen, so dass sie die Tragplatte 12 in Bezug auf die Tragvorrichtung 8 kippen können. In dem Beispiel umfasst die Umfokussierstufe 14 drei Umfokussieraktuatoren 27a, 27b, 27c, die um die Referenzachse 10 verteilt sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Realisierung von fünf Freiheitsgraden (die drei Kipp- und Umfokussierfreiheitsgrade wie oben plus zwei radiale Translationen in der Achse 10) auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung 9. Es ist zu bemerken, dass die Betätigung eines der Aktuatoren 27a lediglich ein Kippen der Tragplatte 8 und somit eine radiale Translationsbewegung lotrecht zur Achse 10 und eine Kippbewegung mit sich bringt, wobei sich diese auf einfache Weise aus den anderen Umfokussieraktuatoren 27b, 27c und der Kippkorrekturstufe 11 zusammensetzen kann.
In der in den 3 und 4 dargestellten bevorzugten Ausgestaltung fällt der eine Umfokussieraktuator 27 mit der Referenzachse 10 zusammen.
BEISPIEL
Die Montage ist wie in den 3 und 4 gezeigt.
Es werden Aktuatoren 19, 27 APA 120 ML, erhältlich von CEDRAT RECHERCHE, mit den folgenden Kenndaten verwendet:

– toter Weg: 120 μm
– maximale Kraft: 1400 N
– Starrheit: 11,7 N/μm
– Größe: 45 × 79 × 20 mm
– Masse: 160 g

Die Verbindungsglieder 15 sind Stahlstäbe von 8 mm Durchmesser und 25 mm Länge mit einer Starrheit von 400 N/μm. Die Kränze 29 aus Aluminium haben eine Dicke von 0,5 mm, eine Breite von 10 mm und einen mittleren Durchmesser von 150 mm. Sie sind um 20 mm in axialer Richtung voneinander entfernt. Es wird eine axiale Starrheit in der Größenordnung von 9 N/μm für eine maximale Kraft von 2215 N (auf der Basis einer maximalen Vorspannung von 195 MPa sind das 75% der Elastizitätsgrenze), eine Biegestarrheit der Tragplatte 13 in Bezug auf die Tragvorrichtung 8 in der Größenordnung von 300.000 Nm/rad für eine maximale Kraft von 4250 Nm und eine transversale Starrheit in der Größenordnung von 2450 N/μm für eine maximale Kraft von 68373 N erhalten.
Die 9 bis 12 zeigen die Ergebnisse, die erhalten werden können.
9 zeigt die Variation der Wege der Kippaktuatoren 19 über die Zeit, wenn nur einer der drei Kippaktuatoren 19 gespeist wird. Dieser Letzte hat einen negativen Weg in der Größenordnung von 90 μm und die beiden anderen haben einen positiven Weg (in der Verlängerung) in der Größenordnung von 30 μm.
10 zeigt die Variation des winkelmäßigen Drehwegs über die Zeit, die mit dem Hilfsspiegel 5 erhalten wird (in Mikroradians). Wie man sieht, kann ein winkelmäßiger Weg von 540 μrad ausgehend von der Nennposition in der einen oder der anderen Richtung erhalten werden. Es ist darüber hinaus zu bemerken, dass, wenn die verschiedenen Kippaktuatoren 19 nicht gespeist werden, die beiden Platten 12, 13 wieder in die Nennposition parallel zueinander zurückkehren. 11 zeigt die lateralen eingeführten Bewegungen in der lateralen Richtung orthogonal zur Referenzachse 10 und zu der Achse, um die der Spiegel 5 gedreht wird. Wie zu sehen ist, haben die lateralen Ausreißer einen Wert in der Größenordnung von 0,15 μm am Wegmaximum und sind in der Praxis somit vernachlässigbar.
12 zeigt die axialen Bewegungen, die durch die Kippung bewirkt werden, d. h. die axialen Ausreißer entlang der Referenzachse 10. Am Kippwegmaximum ist der axiale Ausreißer in der Größenordnung von 4,2 μ. Dieser Ausreißer kann dank der Umfokussierstufe 14 leicht korrigiert werden.
Aufgrund der Starrheit der Kränze 29 beträgt der maximale Weg des Umfokussieraktuators 27 68 μm, was insbesondere zum Kompensieren der axialen Ausreißer ausreicht. Die Kippaktuatoren 19 legen kaum 3/4 ihres toten Weges zurück.
Das dynamische Verhalten der Halterung wurde ebenfalls beurteilt, indem mit einem Spiegel von 3 kg, Aktuatoren von 160 g, Verbindungsgliedern von 50 g, Kränzen von 15 g, Kardangelenken von 15 g und Platten 8, 12, 13 von 500 g wird eine Kraftskala auf den Schwerpunkt des Spiegels in jeder von drei Richtungen im Raum angewendet wird.
Alle auftretenden Eigenschwingungen haben eine Frequenz von mehr als 150 Hz. Die geringste, mit 195 Hz, ist eine Torsionsschwingung der Baugruppe um die Referenzachse 10. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit zu steif, um den Belastungen eines Raumstarts (Schwingungen über 100 Hz) und den Betriebsmikrovibrationen beim Flug (Schwingungen über 150 Hz) standzuhalten.
Die Erfindung kann Gegenstand zahlreicher Varianten und anderer Anwendungen als den hier beispielhaft beschriebenen sein. Sie ist insbesondere auf andere optische Systeme als die Cassegrain-Teleskope anwendbar, z. B. auf Newton-Teleskope oder optische Systeme mit mehreren Hilfsspiegeln (Interferenzen usw.) in Raumfahrzeugen oder an terrestrischen Orten.

Claims

Vorrichtung zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels (5) in Bezug auf dessen Tragvorrichtung (8), mit einer mittleren optischen Achse (ZZ') und einem optischen Mittelpunkt (O), umfassend einen Mechanismus (11, 14) mit motorgetriebenen Aktuatoren (19, 27), die im Schatten des Spiegels (5) zwischen der Tragvorrichtung (8) und einer Rückseite (34) des Spiegels (5) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kippkorrekturstufe (11) umfasst, die zwischen zwei Platten (12, 13) verläuft, von denen die eine, Spiegelplatte (12) genannt, mit dem Spiegel (5) assoziiert ist, während die andere, Tragplatte (13) genannt, mit der Tragvorrichtung (8) assoziiert ist, und die Folgendes umfasst: – wenigstens zwei starre Zwischenglieder, Verbindungsglieder (15) genannt, die die beiden Platten (12, 13) verbinden, wobei jedes dieser Verbindungsglieder (15) durch ein Gelenk (16) an einem seiner Enden mit der Spiegelplatte (12) und durch ein anderes Gelenk (17) an seinem anderen Ende mit der Tragplatte (13) verbunden ist, wobei die Verbindungsglieder (15) so an den Platten (12, 13) befestigt sind, dass sie zwischen den beiden Platten (12, 13) verlaufen und, wenn die beiden Platten in einer relativen Position, Nennposition genannt, liegen, in der die mittlere optische Achse des Spiegels (5) mit einer festen Richtung zusammenfällt, Referenzachse (10) genannt, mit den geraden Richtungen, Gliedachsen (18) genannt, so, dass diese jeweils durch die beiden Gelenke (16, 17) der Enden jedes Verbindungsglieds (15) passieren, die sich wenigstens im Wesentlichen im optischen Mittelpunkt (O) des Spiegels (5) schneiden, – wenigstens einen linearen Aktuator, Kippaktuator (19) genannt, der zwischen den beiden Platten (12, 13) angeordnet ist und durch ein Gelenk (20) an einem Ende an der Spiegelplatte (12) und durch ein weiteres Gelenk (21) an seinem anderen Ende an der Tragplatte (13) befestigt ist, wobei jeder Kippaktuator (19) an den Platten (12, 13) befestigt und so gestaltet ist, dass, wenn wenigstens ein Kippaktuator (19) aktiviert wird, der Abstand zwischen seinen Enden (20, 21) modifiziert wird, wobei die Spiegelplatte (12) in Bezug auf die Tragplatte (13) geneigt ist, wobei der Spiegel (5) wenigstens im Wesentlichen um seinen optischen Mittelpunkt (O) schwenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsglieder (15) in der Nähe des Umfangs der Tragplatte (13) angelenkt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kippaktuator (19) in der Nähe des Umfangs der Spiegelplatte (12) angelenkt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei gleichmäßig um die Referenzachse (10) und die optische Mittelpunktachse (ZZ') verteilte Verbindungsglieder (15) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei Aktuatoren (20, 21) zum Kippen (19) umfasst, die so angeordnet sind, dass die Achsen, Aktuatorachsen (22) genannt, die jeweils durch die beiden Endgelenke eines Kippaktuators (19) verlaufen, und die Referenzachse (10) nicht koplanar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei Kippaktuatoren (19) umfasst, die gleichmäßig um die Referenzachse (10) verteilt sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kippaktuatoren (19) zwischen den drei Verbindungsgliedern (15) angeordnet sind, wobei sich jeder Kippaktuator (19) zwischen zwei Verbindungsgliedern (15) wenigstens im Wesentlichen im gleichen Abstand von diesen benachbarten Verbindungsgliedern (15) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kippaktuator (19) ein einfach wirkender Stellmotor in einer Translationsrichtung in Bezug auf die Aktuatorachse (22) ist und Mittel (25) zum elastischen Rückstellen in der anderen Translationsrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kippaktuator (19) in der Annäherungsrichtung seiner beiden Gelenkenden (20, 21) antreibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kippaktuator (19) ein piezoelektrischer Aktuator mit Bewegungsverstärkung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke (16, 17) jedes Verbindungsgliedes (15) mit den Platten (12, 13) vom Kardangelenktyp ist, der Schwenkungen zum Ändern der Neigung der Gliedachse (18) in Bezug auf die Platten (12, 13) zulässt, aber relative Rotationen um die Gliedachse (18) verhindert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke (20, 21) jedes Kippaktuators (19) mit den Platten (12, 13) vom Kardangelenktyp sind, der Schwenkungen zum Ändern der Neigung der Aktuatorachse (22) in Bezug auf die Platten (12, 13) zulässt, aber relative Rotationen um die Aktuatorachse (22) verhindert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verbindungsglied (15) eine starre gerade Stange ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie darüber hinaus eine Stufe, Umfokussierstufe (14) genannt, zum Korrigieren der Position der Tragplatte (13) translational entlang der Referenzachse (10) und/oder translational lotrecht zu dieser Referenzachse (10) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfokussierstufe (14) so gestaltet ist, dass sie lediglich eine Translation der Tragplatte (13) entlang der Referenzachse (10) zulässt.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfokussierstufe (14) wenigstens einen linearen Aktuator umfasst, Umfokussieraktuator (27) genannt, der parallel zur Referenzachse (10) zwischen der Tragplatte (13) und der Tragvorrichtung (8) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfokussierstufe (14) mehrere Umfokussieraktuatoren (27a, 27b, 27c) umfasst, deren Aufgabe es ist, Translationsbewegungen in Richtungen parallel zur Referenzachse (10), aber nicht mit dieser Referenzachse (10) zusammenfallend zu realisieren, um Translationsbewegungen der Tragplatte (13) lotrecht zu der Referenzachse (10) zuzulassen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei Umfokussieraktuatoren (27a, 27b, 27c) umfasst, die gleichmäßig um die Referenzachse (10) verteilt sind.
Optisches System, umfassend wenigstens einen Spiegel (5) mit einer mittleren optischen Achse (ZZ') und einem optischen Mittelpunkt (O) und wenigstens eine Tragvorrichtung (8) eines solchen Spiegels (5), dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Montieren und Korrigieren der Position eines Spiegels (5) in Bezug auf eine Tragvorrichtung (8) umfasst.
Optisches System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein räumliches Cassegrain-Teleskop handelt.