Por que um espelho dobrado 'como uma batata frita' permite que os telescópios espaciais sejam menores e tenham um campo de visão mais amplo?

Eu estava navegando nos itens em destaque da NASA e me deparei com isso - Fora com o velho, com o novo: os espelhos do telescópio ganham nova forma

Chamada óptica de forma livre, essa tecnologia de espelho emergente, provocada por avanços na fabricação e testes controlados por computador, provocou uma mudança radical na engenharia óptica ... a tecnologia é uma grande promessa para os cientistas que desejam desenvolver telescópios compactos para o CubeSat e outras pequenas satélites - uma alternativa cada vez mais popular e econômica às missões mais tradicionais, mais caras de construir e lançar.

Telescópios para cubesats ?!

O artigo tinha essa ilustração e estou tentando descobrir como isso é convertido em uma imagem clara, sem distorções, e por que eles dizem que isso permite que o telescópio seja muito mais compacto.

Foi um pequeno artigo que nem tentou explicar isso e, quando procurei outros artigos sobre o assunto para não especialistas, encontrei o zip. Talvez isso seja muito difícil de explicar, mas pensei em perguntar de qualquer maneira. Eu disse a um jovem entusiasmado há apenas algumas semanas que não era possível lançar um telescópio capaz de qualquer coisa útil em um cubesat. Opa ...

space-telescope optics

— titular kim
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Você está procurando especificamente um artigo para um público em geral? Eu acho que essa frase deve ser destacada ou alguns podem pensar que você está querendo uma explicação mais profunda.

Uma rápida olhada nos óculos de forma livre, digamos astigmatismo, pode ajudar a simplificar sua pergunta para as pessoas que estão neste quadro.

@ spacer bem, talvez o público em geral seja um termo forte. O que quero dizer é que não encontrei nada, exceto artigos para pessoas da área. Entendo os princípios de modelagem de lentes para o astigmatismo, mas não consigo entender como a luz refletida em um espelho em forma de sela é coletada e salva como uma imagem não distorcida.

— Kim holder #:

Você obtém uma abertura de 100 mm em um cubesat. Com a óptica clássica, você pode "compactá-la" antes do lançamento e abrir no espaço e empurrar a parte de trás do instrumento para mais longe da frente. Com um design totalmente esférico, como um ponto Maksutov-Cassegrain, a colimação não é tão crítica, então acho que a colimação sobreviveria ao lançamento e implantação. Totalmente implantado, teria pouco mais de 300 mm de comprimento, não muito ruim. Agora você tem 100 mm de abertura acima da atmosfera, livre de poluição luminosa, capaz de obter tempos de exposição muito longos. Eu diria que seria útil, você poderia fazer alguma pesquisa com ele.

— Florin Andrei

Melhor ainda, observe o princípio do complemento Hyperstar para SCTs. Proporciona uma taxa focal de f / 2, tremendamente rápida. Requer apenas um espelho primário e o corretor na frente da câmera. Combinada com a ausência de poluição luminosa e os longos tempos de exposição permitidos por ela, a relação focal f / 2 poderia realmente alcançar algo interessante, de um ponto de vista da pesquisa. Não há muito poder de resolução com abertura de 100 mm, mas o rp não é tudo. O instrumento f / 2 no vácuo seria capaz de ver muito bem objetos estendidos muito fracos (como algumas nebulosas).

— Florin Andrei

A óptica de forma livre é uma resposta ao desafio específico de apertar um telescópio em um espaço muito limitado. Um instrumento tradicional teria todas as ópticas simétricas e alinhadas no mesmo eixo. Isso desperdiçaria muito espaço dentro do cubesat. Além disso, os designs tradicionais tendem a ser muito mais longos do que os mais amplos; eles não se encaixam bem em um cubo; é muito difícil criar instrumentos clássicos tão curtos quanto largos.

Mas com a ótica de forma livre, você poderia refletir a luz em algumas direções dentro do cubo. Você ainda alcançaria uma distância focal decente e usaria todo o volume disponível.

Como a luz é refletida pelos espelhos em ângulos diferentes do normal, não é possível usar as formas simétricas tradicionais, como parabólicas, esféricas, etc. espelho (estou simplificando), mas em um ângulo de reflexão de, digamos, 45 graus.

Nesse instrumento, você pode ter vários espelhos "chips de batata", como no diagrama acima. Você precisa projetar o instrumento como um todo; simulações de computador ajustam a forma de cada espelho até que o desempenho de todo o instrumento esteja próximo de um design reto clássico.

Tanto quanto posso dizer, a precisão de fabricação é tal que a óptica de forma livre só é utilizável em comprimentos de onda longos, como o infravermelho, onde é possível usar ópticas menos precisas. Mas a tecnologia melhora o tempo todo. Também depende de quanta aberração você pode tolerar na sua imagem.

Para uso no nível do solo, isso é menos útil, a menos que você precise absolutamente de um telescópio em um fator de forma muito pequeno por algum motivo. As ópticas clássicas ainda são preferidas quando o espaço e a forma não são restritos.

— Florin Andrei
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Isso me ajuda um pouco, embora eu não esteja nem perto de poder imaginar isso. Então as paredes internas do cubesat (que também poderiam ser de 6U - de 6 unidades, não sei onde fica o recorte) têm esses espelhos em forma, e não interferem na abertura? O em forma de sela entra como um espelho primário?

— Kim holder #

Não consigo encontrar um bom diagrama para o design do cubesat. De qualquer forma, as leis da óptica exigem que você tenha espelhos "de forma livre" sempre que o ângulo de reflexão estiver longe do normal. A idéia não é inteiramente nova, como de costume na ótica: pesquise no Google o projeto Schiefspiegler para uma idéia semelhante, embora os motivos sejam diferentes; eles usam um espelho toroidal para reflexão fora do eixo sem aberrações.

— Florin Andrei