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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Einsatz solcher Kardangelenke als Gelenke der Verbindungsglieder
und/oder Kippaktuatoren verleiht Torsionsstabilität um die
Referenzachse zwischen den beiden Platten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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;
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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;
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3 eine
axiale Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausgestaltung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine
axiale Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß Pfeil
F von 3, zur Illustration ohne Spiegelplatte oder mittleren
Träger dargestellt;
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5 eine
axiale Schnittansicht eines Endgelenks eines Verbindungsgliedes
oder eines Kippaktuators der Kippkorrekturstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
von 3;
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6 eine
Schnittansicht entlang Linie VI-VI von 5,
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7 eine
schematische Profilansicht einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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8 eine
schematische Schnittansicht entlang Linie VIII-VIII von 7;
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 2a und 2b sind
Prinzipschemata, die die allgemeine Kinematik einer Kippkorrekturstufe 11 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 9 verdeutlichen
sollen.
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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.
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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.
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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.
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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'
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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In
der in den 3 und 4 dargestellten bevorzugten
Ausgestaltung fällt
der eine Umfokussieraktuator 27 mit der Referenzachse 10 zusammen.
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BEISPIEL
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Die
Montage ist wie in den 3 und 4 gezeigt.
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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
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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.
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Die 9 bis 12 zeigen
die Ergebnisse, die erhalten werden können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.