Оптическое...

[lazy-flyer.livejournal.com]

Не только лишь все знают, что оптика - дело тонкое. И точное. Но мало кто представляет себе насколько точное.


На картинке вы можете наблюдать зеркально-линзовый ( катадиоптрический ) объектив МС Рубинар 300/4,5.  Почему именно он? Одна неназванная организация выбрала это изделие для создания оптико-электронного модуля в своём кубсате 3U. Понятно, что взрослые дяди для своих спутников строят специальные телескопы, а что делать тем у кого бюджет совсем печальный? Надо как то выкручиваться.
Зеркально-линзовый - это когда в конструкции использованы и линзы, и зеркала. Вот такая оптическая схема.



Очень удобно - фокусное расстояние растёт быстро, а габариты - нет. Конечно у такой схемы есть свои недостатки, но где их нет? Здесь же плюсы очевидны - в габарит 100х80 мм затолкали 300 мм фокусного расстояния. Для примера Nikon Nikkor AF-S 300/4 имеет размеры 150x90 мм. Вроде бы небольшая разница, но если у вас ВЕСЬ спутник длиной 300 мм? И вот здесь мы постепенно приближаемся к сути вопроса.

Спутники сейчас строят с повальным использованием композитов. Оптико-электронные конструкции практически полностью композитные, исключая конечно из этого собственно оптические элементы - там всякие ситаллы и зеродуры. Почему композитные? Конечно же вес, прочность. Оригинальный Рубинар 300/4,5 весит 700 г. Вот такой кадавр из углепластика, использующий оптические элементы оригинала МС Рубинар весит 320 г.


Да, у оригинала лапка для крепления на штатив, фокусировочный механизм и прочее ненужное для конктретно этого применения. Но тем не менее сэкономить 40% веса можно просто заменив металлические элементы на композитные.

Но есть ещё одна крайне важная характеристика - температурная размеростабильность. Говоря простым языком - при изменениях температуры тело сохраняет свои геометрические размеры. Да, именно ситаллы и зеродуры из которых изготовлены оптические элементы, у которых размеростабильность почти абсолютная. Но все эти линзы и зеркала закреплены в каких то корпусах, они же не висят в простанстве сами по себе?

И вот здесь начинается самое интересное.
Температурное удлинение элемента можно посчитать по формуле: ΔL = L * α * ( T – T₀ ), где:
L - начальная длина элемента
α - коэффициент линейного расширения ( КТЛР )
Т - температура конечная
T₀ - температура начальная.

Примем длину корпуса объектива в 100 мм. КТЛР алюминия ( средний по больнице ) - 23,5 * 10^-6
Для разницы температур в 30 градусов ( начальная 20, конечная 50 ) получим: 100* 23,5 * 10^-6* (50-20) = 0,071 мм.
Алюминиевый корпус объектива удлинился на 0,071 мм.

А теперь заменим алюминий на углепластик, у которого КТЛР ( средний по больнице ) - 1,5 * 10^-6
100* 1,5 * 10^-6* (50-20) = 0,005 мм.

Разница заметна? Да. грубо говоря отличается на порядок.
Казалось бы совсем на немного удлинилось, всего семь соток, но что это значит для качества изображения? Переходим к простейшей геометрической оптике. Никаких дифракционных пределов, кружков Эйри и прочего, банальнейшая геометрия треугольников - огромная благодарность коллеге pentajazz за консультации.



Диаметр задней линзы объектива 25 мм. Расстояние до датчика ( сенсора, матрицы ) 40 мм. Размер пикселя ~0,006 мм - опять таки среднее по больнице для 24 МП матрицы в формате 35х24 мм.

Угол при вершине конуса падения света на матрицу α = 17,35^◦ ( полный угол 34,7^◦ ).
Принимаем допустимый кружек рассеяния диаметром (F) 2 пикселя: 0,006 * 2 = 0,012 мм, это 4 пикселя по площади.
D – допустимая дистанция расфокусировки. D = 0,5 * F / tan ( α ). tan ( α ) = 0,3124. D = 0,012 * 0,5 / 0,3124 = 0,0192
Отсюда видно, что расфокусировка оптической системы в углепластиковом корпусе на 0,005 мм почти в 4 раза меньше допустимой 0.0192 мм.

При расфокусировке системы в алюминиевом корпусе ( 0,071 мм ) кружок рассеивания будет иметь размер 0.5 * F = D *  tan ( α ) = 0.071 * 0.3124 = 0,044 мм, что дает линейное падение разрешения в 2,3 раза.

А если вы решили в целях экономии использовать в качестве сенсора матрицу мЕньшего размера, к примеру 24 МП кроп-фактора 1,5, то в ней размер пикселя составляет ~0,004 мм и падение разрешения при расфокусировке составит 5,5 раза.

Когда вы пользуетесь объективом в обычных условиях, то перепад температур редко бывает больше 10-15 градусов. Хотя астрофотографы жалуются, им приходится часами ждать пока камера и объектив примут температуру окружающей среды и перестанут изменять свои размеры.
А вот в космосе, при переходе из теневой стороны на солнечную градиент температур достигает тех самых 30-40 градусов, не учитывать которых уже не получится.


Plot of the CubeSat temperature during the first 154 days on orbit (image credit: ÅAC Microtec)

Да, взрослые мальчики терморегулируют свои спутники разными изощрёнными способами, но представить себе такую систему в кубсате, с его бюджетом электрической мощности в 12-15 Вт?

Так что оптика - дело тонкое. И ОЧЕНЬ точное.

Оригинал записи находится здесь.

Comments

[lazy-flyer.livejournal.com]

В данном конкретном случае вопрос не задаётся.
А так - да, конечно, марка стекла известна.

[ardelfi.livejournal.com]

Я просто вижу там просветляющее покрытие, а оно наверняка портит это дело.

[lazy-flyer.livejournal.com]

Если вы работаете с мультиспектральными каналами, то без этого никак, увы - это недостаток катадиоптрической схемы.

[lazybird-ru.livejournal.com]

На фото, видимо, обычный объектив для работы на воздухе, Земле то есть). Наск. я понимаю, для вакуума просветление не понадобится.

Интересно, что они будут снимать. Точнее что получится из этого всего. Бюджет, штука, конечно, жестокая.

[lazy-flyer.livejournal.com]

для вакуума просветление не понадобится
Простите, вы точно понимаете - зачем делается просветление? :))

[lazybird-ru.livejournal.com]

Черт! Зачем делается знаю, но как оказывается не до конца)

[ardelfi.livejournal.com]

Просветление нужно для уменьшения доли отражённого света, соответственно это "просветление" оптики. Для бинокля это хорошо, для фотографа не знаю, а для полного спектра прозрачности оптики это должно быть очень плохо. Вот и интересует во что обходится просветление с точки зрения ширины пропускаемого спектра. Стекло на сенсоре 92% прозрачно от ~320нм до ИК, сенсор видит тоже оттуда до ИК.
(https://ic.pics.livejournal.com/ardelfi/52475429/185202/185202_original.jpg)
(https://ic.pics.livejournal.com/ardelfi/52475429/185463/185463_original.gif)
Потому объектив с узким спектром пропускания только огорчает, хотя в остальном весьма впечатляет. Интересно бывает ли он без просветления, но это вопрос не сюда.

[lazy-flyer.livejournal.com]

для фотографа не знаю

Тоже, хроматические аберрации никто не отменял. :))

[ardelfi.livejournal.com]

Это как раз не проблема в конкретном случае, поскольку вероятнее всего сенсор будет через разные узкие фильтры снимать по ситуации. Но оптика должна не быть тёмной в ноль по краям спектра -- подозреваю что близкие УФ и ИК через просветляющие покрытия наверняка не проходят.

[lazy-flyer.livejournal.com]

Конечно же да :) Взрослые мальчики в ЗЛТ используют специальное просветление, но здесь ситуация чуть иная. Перефразируя одну польскую поговорку - если нет того, что любишь - любишь то, что есть. :))

Теоретически ( и практически ) относительно недорого и несложно изготовить чистый Ричи-Кассегрен в требуемых габаритах, тем более, что таких инструментов летает уже немало. Но это требует бюджета которого нет.

[ardelfi.livejournal.com]

А сколько это "относительно недорого" в баксах, если считать тот Рубинар сравнимым аналогом?

[lazybird-ru.livejournal.com]

Как-то мне не верится, что будут снимать на это стекло через разные фильтры. Это очень разные деньги -- этот макрушник и сменные фильтры, точнее даже механизм их смены.

И соотв. не думаю, что будет требования на расширенный диапазон вообще. Там перед матрицей либо будет ИК-фильтр стоять, либо нет. Разница в кол-ве света достаточно заметная (ИК добавляет очень много). Чтобы на 135 формате устроить убираемый фильтр это нужно очень постараться. Не знаю даже, тут столько всего, что проще не гадать)

[ardelfi.livejournal.com]

Снимать будет как напишу в ТЗ, и диапазон начинается от 320~350нм, заканчивается на 1000~1100нм. Сменный фильтр (ИК) с электромеханикой уже найден в китайской копеечной бытовой камере, что было забавно узнать, и хорошо показывает как легко разрушаются шаблоны. Просто механика (без электро) для ИК фильтра была двадцать лет назад в недешёвой, но и не дорогой любительской видеокамере. Так что специально обученные люди постараются, и у них всё получится -- фильтров всего несколько штук нужно будет для разных функциональных режимов.

[lazybird-ru.livejournal.com]

ХА это не про просветление. Про просветление контраст. ХА убираются всякими UD стеклами и проч. штуками, насколько я помню.

[graf-kankrin.livejournal.com]

Там всё очень просто, только зеркала лучше, конечно, сделать из ситалла, а это существенно увеличит массу изделия, но если корпус сделать из того же ситалла, то получится как раз то, что нужно.

[lazy-flyer.livejournal.com]

Не хотите побеседовать с эталонным специалистом?
https://lazy-flyer.livejournal.com/893767.html?thread=13566279#t13566279

P.S.
ЛЗОС таки выпускает Рубинары в настоящее время.

[graf-kankrin.livejournal.com]

Не смогу, завидую Вашему терпению. Не выпускает уже больше десяти лет, даже складских остатков уже не осталось, последний МС 3М-5СА 8/500 лично забрал примерно в 2011-2012 году. Посмотрите сами: http://optics-group.ru/ru/21-fotoobektivy

[lazy-flyer.livejournal.com]

http://lzos.ru/press-zentr/press-relizy/755/

[graf-kankrin.livejournal.com]

Метровые потихоньку делали всегда, они идут на любительские телескопы, разговор шёл про "пятисотки".

[lazy-flyer.livejournal.com]

Лень искать, но кажется у них на страничке было ( и не только у них ) - потиху собирают и 300 и 500. Народ даже нахваливает - мол решительно поправили качество по сравнению со старыми, лучше юстировка и вот это вот всё.

[dvmak.livejournal.com]

При зеркально-линзовой конструкции нужно ещё учитывать изменение оптической силы линзовых элементов и их размера тоже. К счастью, здесь полноапертурный корректор афокален, и его оптическая сила невелика. Но есть ещё предфокальный компонент с заметной оптической силой, и его параметры от температуры зависят, что желательно тоже учитывать.

Удельный вес ситалла СО-115М, используемого для астрономических зеркал равен 2.46гр/см2, что, конечно, немного больше, чем у оптических стекол ЛК5 и ЛК7 (из них часто делают зеркала), но меньше, чем у К8, из которого в этом объективе сделаны полноапертурные компоненты.
Ситалловые зеркала с ситалловым (инваровым) корпусом - это достаточно дорогое решение "в лоб", и такое делалось, но в условиях ограниченного бюджета я бы приспособил к имеющемуся фокусировочному узлу поводок из подобранной биметаллической пластины или подходящего по КТР материала (пластики имеют КТР много больше металла и могут быть компенсаторами) для перефокусировки при смене температуры.

[graf-kankrin.livejournal.com]

Ситалловый компонент будет намного более массивным, чем компонент из К8 (обрабатывать ситалл - то ещё удовольствие), за счёт этого и более тяжёлым.

[lazy-flyer.livejournal.com]

Ситалловый компонент будет намного более массивным
????

[graf-kankrin.livejournal.com]

Ситалл очень тяжело обрабатывать (он же вообще не льётся, надо резать из куска), тонкий элемент изготовить весьма проблематично.

[lazy-flyer.livejournal.com]

тонкий элемент изготовить весьма проблематично
Мнээээээээ...Ну да ладно, пусть будет.