Оптическое...
Nov. 15th, 2020 11:18 am![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
lazy-flyer.livejournal.com posting in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}
engineering_ruНе 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![[livejournal.com profile]](https://www.dreamwidth.org/img/external/lj-userinfo.gif)
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.
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.
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
no subject
Date: 2020-11-15 02:07 pm (UTC)Потому объектив с узким спектром пропускания только огорчает, хотя в остальном весьма впечатляет. Интересно бывает ли он без просветления, но это вопрос не сюда.
no subject
Date: 2020-11-15 02:13 pm (UTC)Тоже, хроматические аберрации никто не отменял. :))
no subject
Date: 2020-11-15 02:24 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 02:33 pm (UTC)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.
no subject
Date: 2020-11-15 02:45 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 02:49 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 02:53 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 03:12 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 03:23 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 03:26 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 03:39 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 04:19 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 05:20 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-16 07:00 am (UTC)no subject
Date: 2020-11-16 09:50 am (UTC)no subject
Date: 2020-11-16 10:25 am (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 05:29 pm (UTC)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)
no subject
Date: 2020-11-16 03:47 am (UTC)no subject
Date: 2020-11-15 05:24 pm (UTC)