¿Por qué un espejo doblado 'como una papa frita' permite que los telescopios espaciales sean más pequeños y tengan un campo de visión más amplio?

Estaba navegando por artículos destacados de la NASA y me encontré con esto: Fuera lo viejo, Dentro lo nuevo: los espejos telescópicos adquieren una nueva forma

Llamada óptica de forma libre, esta tecnología de espejo emergente, provocada por los avances en la fabricación y las pruebas controladas por computadora, ha provocado un cambio radical en la ingeniería óptica ... la tecnología es muy prometedora para los científicos que desean desarrollar telescopios compactos para CubeSat y otros pequeños satélites: una alternativa cada vez más popular y rentable a las misiones más tradicionales que son más caras de construir y lanzar.

¿Telescopios para cubesats ?

El artículo tenía esta ilustración, y estoy tratando de descubrir cómo se convierte eso en una imagen clara y sin distorsiones, y por qué dicen que permite que el telescopio sea mucho más compacto.

Fue un artículo corto que ni siquiera trató de explicar esto, y cuando busqué otros artículos sobre el tema para los no expertos, encontré zip. Quizás esto sea muy difícil de explicar, pero pensé en preguntar de todos modos. Hace unas semanas, le dije a un joven entusiasta que no era posible lanzar un telescopio capaz de hacer algo útil en un cubesat. Ups ...

space-telescope optics

— Kim Holder quiere a Monica de vuelta
fuente

¿Está buscando específicamente un artículo para una audiencia general? Creo que esa oración debería ser destacada o algunos podrían pensar que quieres una explicación más profunda.

Un vistazo rápido a las gafas de forma libre, digamos para el astigmatismo, podría ayudar a simplificar su pregunta a los que están en este foro.

@spacer bueno, tal vez la audiencia general es un término fuerte. Lo que quiero decir es que no encontré nada excepto artículos para personas en el campo. Entiendo los principios del modelado de lentes para el astigmatismo, pero no puedo entender cómo la luz reflejada por un espejo con forma de silla de montar se recoge y guarda como una imagen sin distorsiones.

— Kim Holder quiere que Monica regrese el

Obtienes una apertura de 100 mm en un cubesat. Con la óptica clásica, puede "comprimirlo" antes del lanzamiento, y abrirlo en el espacio y empujar la parte posterior del instrumento más lejos del frente. Con un diseño totalmente esférico, como una mancha Maksutov-Cassegrain, la colimación no es tan crítica, por lo que creo que la colimación sobreviviría al lanzamiento y al despliegue. Completamente desplegado, tendría un poco más de 300 mm de largo, no está mal. Entonces, ahora tiene 100 mm de apertura sobre la atmósfera, libre de contaminación lumínica, capaz de tiempos de exposición muy largos. Yo diría que sería útil, podrías investigar un poco con él.

— Florin Andrei

Mejor aún, mire el principio del complemento Hyperstar para SCT. Te da una relación focal f / 2, tremendamente rápida. Solo requiere un espejo primario y el corrector frente a la cámara. Combinado con la ausencia de contaminación lumínica y los tiempos de exposición muy largos permitidos por él, la relación focal f / 2 realmente podría lograr algo interesante, desde un punto de vista de investigación No hay mucho poder de resolución con una apertura de 100 mm, pero rp no es todo. El instrumento f / 2 en el vacío podría ver muy bien objetos extendidos muy débiles (como algunas nebulosas).

— Florin Andrei

La óptica de forma libre es una respuesta al desafío específico de colocar un telescopio en un espacio muy limitado. Un instrumento tradicional tendría todas las ópticas simétricas y alineadas en el mismo eje. Perdería mucho espacio dentro del cubo. Además, los diseños tradicionales tienden a ser mucho más largos que anchos; no encajan bien en un cubo; Es muy difícil hacer instrumentos clásicos que sean tan cortos como anchos.

Pero con la óptica de forma libre, podría hacer rebotar la luz en algunas direcciones dentro del cubo. Aún alcanzaría una distancia focal decente y usaría todo el volumen disponible.

Dado que la luz se refleja desde los espejos en ángulos diferentes a los normales, no puede usar las formas simétricas tradicionales, como parabólicas, esféricas, etc. Necesita básicamente tomar un paraboloide y aplastarlo en una dirección para que funcione casi como un parabólico. espejo (estoy simplificando), pero en un ángulo de reflexión de, digamos, 45 grados.

En dicho instrumento, podría tener múltiples espejos de "papa frita", como en el diagrama anterior. Tienes que diseñar el instrumento como un todo; Las simulaciones por computadora ajustarán la forma de cada espejo hasta que el rendimiento de todo el instrumento esté cerca de un diseño recto clásico.

Por lo que puedo decir, la precisión de fabricación es tal que la óptica de forma libre solo se puede usar en longitudes de onda largas como la infrarroja, donde se pueden usar ópticas menos precisas. Pero la tecnología mejora todo el tiempo. También depende de cuánta aberración pueda tolerar en su imagen.

Para el uso desde el nivel del suelo, esto es menos útil, a menos que necesite absolutamente un telescopio en un factor de forma muy pequeño por alguna razón. La óptica clásica todavía se prefiere cuando el espacio y la forma no están restringidos.

— Florin Andrei
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Esto me ayuda un poco, aunque ni siquiera estoy cerca de poder imaginar esto. Entonces, ¿las paredes internas del cubesat (que también podría ser un 6U, de 6 unidades, no sé dónde está el corte) tienen estos espejos con forma y no interfieren con la abertura? ¿El en forma de silla de montar entra como un espejo primario?

— Kim Holder quiere que Monica regrese el

No puedo encontrar un buen diagrama para el diseño de cubesat. De todos modos, las leyes de la óptica requieren que tengas espejos de "forma libre" donde el ángulo de reflexión esté lejos de ser normal. La idea no es del todo nueva, como es habitual en óptica: google el diseño de Schiefspiegler para una idea similar, aunque las razones son diferentes; usan un espejo toroidal para la reflexión fuera del eje sin aberraciones.

— Florin Andrei