Особенности обеспечения теплового режима оптических приборов

[teplofizik]

Температура и её распределение заметно влияют на качество изображения оптических систем. Потому задача создания термостабильных устройств очень важна.
Какие же факторы определяют возникновение термоаберраций?

1. Общий уровень температуры системы и элементов.
Все предметы изменяют свои размеры при изменении температуры, и каждый материал ведёт себя по-разному, поэтому элементы прибора при недобросовестном конструировании могут сместиться сами по себе или относительно друг друга, изогнуться или изменить свои размеры так, что прибор перестанет выполнять свои функции в каком-либо диапазоне температур.

2. Разница температур между отдельными элементами.
Неравномерность температуры между отдельными элементами прибора может привести к значительным искажениям итогового изображения (расфокусировка системы зеркал, например).

3. Градиент температуры внутри элементов.
Показатель преломления зависит, в частности, от температуры и неравномерность поля может привести к неравномерности показателя преломления, а значит, изображения будут получаться искривлёнными — не дело, когда с одной стороны линза или (сферическое/параболическое) зеркало сильнее, чем с другой.

И если на маленьких приборах с простой оптикой это малозаметно, то в случае телескопов с зеркалами диаметром в несколько метров это становится очень проблематичным.

Основная цель стабилизации — устранить влияние всех трёх факторов. Выполняться может разными способами...
Один из возможных вариантов: выбор материалов с очень низким коэффициентом расширения. Оптика в данном случае может выполняться из кварца, ситалла или пирекса (последние только для зеркал), если габариты, вес и рабочий спектр позволяют. А элементы конструкции — из инвара.
Другой вариант в отсутствии линзовых элементов: изготовление зеркал, элементов конструкции и подобного из одного материала (титана, например), при этом расфокусировка из-за уровня температуры будет скомпенсирована смещением приёмника (то есть прибор чуть-чуть отмасштабируется). А также, перепады и градиенты температур будут значительно меньше — за счёт более высокой теплопроводности металла по сравнению с тем же ситаллом или пирексом. Правда, их влияние будет выше.
Можно применять различные конструкторские приёмы, например, компенсируя увеличение длины одного элемента увеличением длины другого, направленного в противоположную сторону.

При активном термостатировании элементов конструкции и оптики стоит добиться равномерного температурного поля за счёт выбора более теплопроводных материалов. При контакте с внешней атмосферой, стоит поддерживать температуру конструкции выше точки росы во избежание выпадения влаги.

Если есть возможность, стоит разнести (уменьшить тепловую связь) оптические элементы конструкции с механическими, которые контактируют с внешней средой.


В целом, создание прибора должно проводиться по примерно такой схеме:
Предварительный этап: Оценка условий работы и анализ температурных и оптических характеристик прибора.
Первый этап. Выбор общей конструкции прибора и материалов для изготовления оптических элементов и элементов конструкции. Определение термоаберраций для всех элементов при одинаковой температуре всех элементов. Оценка допустимой разности температур между элементами.

Второй этап. Конструкторская проработка и выполнение теплового расчёта с целью определения температур конструкции и обеспечения устойчивого теплового режима прибора.
Третий этап. Расчёт температурных полей и соответствующих им термооптических аберраций.