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

[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.

[graf-kankrin.livejournal.com]

Не буду спорить, мы с ними очень давно не контактировали, но в любом случае соотношение цена / качество делает их продукцию абсолютно неинтересной. В свое время тамошний главный конструктор, ознакомившись с полученными из заводской лаборатории результатами сравнения характеристик зеркально-линзовых Samyang'ов и Рубинаров, грустно промолвил: "Вот и п***** котёнку...".

[lazy-flyer.livejournal.com]

При том, что Samyang - днищенское днище. :)
Но хочется верить, что ситуация исправляется, во всяком случае небольшие телескопы они вроде как научились делать, коллега moisav отзывался в принципе положительно.

[graf-kankrin.livejournal.com]

Небольшие телескопы, точнее апхроматические объективы, на базе которых немцы собирают телескопы, они делают давно и качество этих объективов - превосходное, выпускает эти объективы тот же цех, что и объективы для космической съемки и цены на них - астрономические.

[lazy-flyer.livejournal.com]

Значит массовый сегмент - не для них.

[graf-kankrin.livejournal.com]

А они этого никогда и не скрывали, за счёт КГО завод неплохо жил даже в 1990 годы, когда ГОЗ было околонулевым.

[dvmak.livejournal.com]

В старых Рубинарах была вечная проблема пережатия главного зеркала на морозе. Астрономы-любители растачивали корпус там где зеркало и переклеивали само зеркало, это помогало. Интересно, сейчас это поправили?

[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.

[graf-kankrin.livejournal.com]

Я не оптик. Повторил слова нынешнего директора ЛЗОС, в те времена он был главным технологом по оптическим средам. Я в курсе того, что из ситалла делают тоненькие пластины, но в данном случае речь идёт о сферическом элементе. Возможно, это был вежливый отказ от изготовления нужного нам изделия.

[lazy-flyer.livejournal.com]

Вопрос доступности нужного оборудования и владения технологиями. Но не суть, в данном конкретном случае проблема вообще совсем в другом. :)

[dvmak.livejournal.com]

Ситалл СО-115М прекрасно обрабатывается, так же как и оптическое стекло. Нет проблем отпилить алмазным диском с СОЖ, отфрезеровать алмазом на сферофрезерном чтобы сделать "блинчик" и нанести на одну сторону сферическую поверхность, потом отшлифовать её в несколько переходов на металлическом шлифовальнике последовательно всё меньшей зернистости суспензией свободного абразива, и потом отполировать по классической технологии на смоле полиритом. Ну да, чуть дольше, чем К8.
Моллировать его - это да, так не делают, но не думаю, что Ваше изделие требовало моллирования (Нагрев до возможности пластической деформации по форме с последющим охлаждением).
Так что Вас просто послали напустив квазитехнологического тумана. Пилёного ситалла в Лыткарине была уйма, сейчас может уже и подъели...

[graf-kankrin.livejournal.com]

Я знаю, что ситалл не моллируется и разъяснять мне смысл этого термина не нужно. Прессовки в нашем случае не требовались. То, что скорее всего это был завуалированный отказ я тоже понимаю, тем более, что требовалось еще и ОК4, а они всегда его "зажимали".

[dvmak.livejournal.com]

О, да! ОК4 у них было не допроситься. Все сливки снимал тот самый немец :)