Compensazione APQ
Per garantire invarianza termica, assenza di gioco ed elevata precisione di centraggio, abbiamo sviluppato per i nostri Fluorite Quadruplet Polychromat una cella ottica termicamente compensata (cella di compensazione).
La nuova cella di compensazione è progettata per un intervallo di temperatura operativa da -20 °C a 40 °C (intervallo di lavoro ≥ 60 K) e per un intervallo di stoccaggio e trasporto da -40 °C a 60 °C.
La struttura del gruppo cella è illustrata di seguito. È stata sviluppata da Frank Dionies, Dipl.-Ing. (FH), con la consulenza tecnica del Prof. Dr.-Ing. Manfred Steinbach (si veda anche la relativa domanda di brevetto).
- Requisiti
- Obiettivi
- Cella di compensazione
Nella costruzione di strumenti di precisione – ad esempio per l'astronomia o le applicazioni spaziali – alcuni componenti devono mantenere posizione e forma entro limiti definiti anche in condizioni operative impegnative.
L'obiettivo di un rifrattore è composto da più elementi: componenti ottici realizzati in materiali diversi con proprietà ottiche, raggi e spessori definiti, nonché elementi di ritenzione e la cella dell'obiettivo. Le celle per obiettivi policromatici sono gruppi di precisione.
Continua a leggereOgni materiale possiede un proprio coefficiente di dilatazione termica (CTE). In un gruppo costituito da materiali differenti, i singoli componenti si dilatano e si contraggono quindi in misura diversa al variare della temperatura.
All'interno del gruppo, queste differenze possono generare spostamenti e tensioni che degradano la qualità d'immagine del sistema ottico.
L'obiettivo dello sviluppo era una cella dell'obiettivo che rimanesse termicamente invariata, priva di gioco e accuratamente centrata anche in presenza di ampie variazioni di temperatura, senza limitare indebitamente la scelta dei materiali.
Per i nostri Fluorite Quadruplet Polychromat ciò significava specificare una cella in grado di supportare un gruppo di quattro o più elementi ottici realizzati con materiali aventi coefficienti di dilatazione termica differenti.
Gli elementi possono essere accoppiati mediante un fluido otticamente trasparente interposto (olio) e devono essere posizionati e trattenuti dalla cella in posizioni reciprocamente definite con precisione.
È necessario evitare giochi radiali e assiali. Né le tensioni termiche in un intervallo di lavoro di almeno 60 K (campo operativo da -20 °C a 40 °C), né le variazioni dei carichi gravitazionali sugli elementi devono produrre effetti funzionalmente significativi, in particolare un deterioramento delle prestazioni ottiche complessive.
Continua a leggereLa dilatazione differenziale durante il trasporto e lo stoccaggio non deve causare decentramenti irreversibili o danni. Durante il funzionamento gli elementi devono rimanere centrati e privi di tensioni dannose nonostante le dilatazioni differenziali entro l'intervallo di tolleranza specificato.
Gli elementi ottici devono rimanere centrati nell'intero intervallo di temperatura operativa con la precisione definita dall'analisi delle tolleranze.
Dopo l’esposizione a qualsiasi temperatura compresa nell’intervallo esteso di stoccaggio e trasporto (-40 °C a 60 °C), gli elementi devono ritornare alle posizioni originali con la precisione richiesta quando l’obiettivo rientra nel proprio intervallo di temperatura operativa.
Un presupposto essenziale era la determinazione precisa dei coefficienti di dilatazione termica di tutti i materiali coinvolti, poiché i valori riportati nei cataloghi dei produttori non sono sufficientemente accurati per il calcolo della compensazione.
Abbiamo pertanto fatto misurare i coefficienti di dilatazione da un istituto di prova indipendente nell'intervallo da -100 °C a 100 °C con una risoluzione di 0,125 nm, coprendo l'intervallo di temperatura terrestre e atmosferico rilevante.
La nuova cella di compensazione offre i seguenti vantaggi rispetto alle celle tradizionali:
Ogni elemento ottico è supportato su sei o più superfici di contatto e mantenuto in posizione stabile da elementi di compensazione al variare della temperatura.
Il sistema ottico raggiunge rapidamente l'equilibrio termico senza compromettere la qualità dell'immagine.
Gli elementi rimangono saldamente posizionati nella cella, evitando deterioramenti dovuti a spostamenti ed eliminando la necessità di una nuova regolazione causata da tali movimenti.
Il nuovo design soddisfa pienamente il nostro obiettivo di montare i Fluorite Quadruplet Polychromat in innovative celle termicamente compensate.
Abbiamo depositato presso l'Ufficio tedesco brevetti e marchi (DPMA) una domanda di brevetto per il nuovo design della cella con il titolo Gruppo di montaggio ottico termicamente compensato, numero di pratica 10 2017 008 286.3.