Почему бы не использовать только одну опорную лопасть для вторичного зеркала, чтобы избежать множественных всплесков дифракции?

Я не могу говорить за JWST, но я работаю в компании, которая проектирует телескопы для космических кораблей, и я могу сказать вам, что большая часть конструкции телескопа предназначена для защиты инструментов во время начального подъема в космос, когда стартовые вибрации и g-нагрузка будет худшей. Кроме того, зеркала для таких больших телескопов имеют действительно точные допуски на выравнивание, и если вторичное зеркало не очень жестко прикреплено к космическому кораблю, даже простые микродеформации от тепловых нагрузок или наведения космического корабля могут сместить зеркало. Даже тот факт, что телескоп перемещается из среды 1 g в среду 0 g, может сдвинуть зеркало, потому что оно было выровнено на Земле, когда луч был слегка изогнут, а затем он снова стал прямым в условиях микрогравитации, и зеркало сместилось!

Я любитель телескопов.

Существуют конструкции с одной лопастью. Их главная проблема — отсутствие стабильности. Вам придется использовать очень толстую лопасть, чтобы стабильно удерживать вторичную обмотку на месте. Это блокирует значительное количество света и может повлиять на работу прибора.

Активные системы, хотя и возможны теоретически, были бы очень дорогими. Многие вибрации довольно быстрые, вам понадобится система, чтобы отслеживать выравнивание, обнаруживать отклонения, очень быстро принимать решения и вносить исправления. Между тем для больших телескопов масса вторичного зеркала не имеет значения. Сами приводы будут сгибать и наклонять лопасть, пока они поворачивают зеркало. Это совсем не тривиальная работа.

Гораздо проще просто использовать несколько лопастей.

Один менее известный факт: каждая прямая лопасть на самом деле образует 2 шипа, диаметрально противоположных. Таким образом, даже система с одной лопастью все равно будет давать 2 шипа.

Система с 3 лопастями дает 6 шипов, а система с 4 лопастями дает 8 шипов.

Так почему же системы с 4 лопастями дают только 4 шипа? Потому что они совпадают два на два. В каждой паре противоположных лопастей каждая лопасть тщательно выровнена со своим противоположным партнером. Это объединит шипы по два и упростит общую фигуру.

Вы действительно можете заставить шипы исчезнуть. Каждый шип перпендикулярен лопасти, вызывающей его. Это свет, преломляющийся на краю, идущий вбок от края флюгера. Каждая точка на краю преломляет свет — всплеск является результатом того, что все точки на краю преломляют немного света.

Так что же произойдет, если вы изогните флюгер? Шип «расползается», как при открытии вентилятора. Это уже не четкая линия, это целая область.

Если лопасть изогнута ровно в половину окружности, то шип максимально размывается — становится полноценной 360-градусной фигурой. На практике, когда он так сильно разбросан, шип становится невидимым для глаза наблюдателя. Говорят, что телескопы с изогнутыми лопастями не имеют шипов.

Но бесплатного обеда не бывает. Теперь, когда вы разложили шипы, этот рассеянный свет все еще здесь. Что происходит, так это то, что поле зрения становится в целом немного более «туманным», как в тумане света. Эффект очень незначительный, но он имеет значение для критических наблюдений.

Наконец, всегда можно установить плоскую стеклянную пластину в верхней части прибора и приклеить к ней опору вторичного зеркала. Это определенно устранит всю дифракцию.

Но такую ​​большую оптически плоскую пластину изготовить сложно. Он будет толстым и тяжелым. Это не превысит размеров небольших телескопов-рефлекторов. Также есть проблемы с охлаждением, которое становится медленнее и сложнее, потому что телескоп теперь закрыт сверху.

Телескопы SCT, в которых используется корректирующая пластина (не плоская), в любом случае делают это. То же самое с системами Максутова-Кассегрена (MCT). Пластина нужна для корректировки прибора, можно приклеить к ней вторичку.

(Вообще-то я соврал. Конструкции ККТ и КРТ сделаны специально, чтобы расположение пластины корректора и расположение вторичного зеркала совпадали. Просто на практике так построить проще. Но теоретически пластина и зеркала не должны совпадать.)

Итак, основные варианты:

1. Три или четыре прямых лопатки. Максимальная стабильность. Вы получаете 6 или 4 (номинально 6 или 8) пиков, но изображение между пиками чистое.

2. Одна изогнутая полукруглая лопасть. Иногда два противоположных изогнутых лопасти, например, X с изогнутыми вверх/вниз плечами в два полукруга, или как цифра 8 с обрезанными верхней и нижней крышками (это более стабильно, но создает большую дифракцию). Без видимых шипов. Контрастность несколько снижена из-за того, что шипы размазаны по всему изображению.

3. Одна толстая лопасть. Либо не очень стабильно, либо уменьшает количество света, улавливаемого прибором.

4. Никаких лопастей, просто стеклянная пластина. Дорогой, тяжелый, не масштабируется. Но если пластина не плоская, то с ее помощью можно было внести поправки в инструмент, так что ее существование оправдано.

Вариант №1 наиболее популярен среди профессиональных и любительских телескопов-рефлекторов. № 2 иногда используется людьми, которые возражают против шипов по эстетическим соображениям. № 3 редко встречается на практике. № 4 используется с исправленными системами SCT, MCT и т.п., поскольку пластина уже предусмотрена в конструкции.

Я не могу ответить о JWST. Что касается любительских телескопов, то есть вариант использования изогнутых опор, которые предназначены для устранения дифракционных всплесков и уменьшения общей дифракции. http://www.fpi-protostar.com/crvmnts.htm

Хотя дифракционные всплески устраняются изогнутыми опорами, дифракция происходит симметрично вокруг ярких объектов.

Вкратце: использование одной лопасти может не дать никаких оптических преимуществ по сравнению с тремя лопастями, поскольку главное зеркало уже сильно сегментировано и «резко», и это, безусловно, создает множество механических недостатков с точки зрения жесткости по отношению к переносу поперечной вибрации и разрушению зеркала. симметрия при тепловом расширении!

примечание: я скоро обновлю этот ответ, как только получу доступ к некоторым документам SPIE.

Жесткость

Космические аппараты, даже космические телескопы содержат множество активных источников вибрации. Насосы, клапаны, холодильники, подруливающие устройства, реактивные колеса, приводы (у JWST есть подвижный солнечный отражатель для регулировки радиационного давления), подвижные антенны и солнечные панели (по крайней мере, Хаббл, не уверен насчет JWST, проверит...) и даже научная полезная нагрузка могут иметь подвижные зеркала или механизмы фокусировки.

Крепление с тремя лопастями обеспечивает значительно большую жесткость против движения в плоскости, поскольку изгиб одной лопасти приведет к растяжению и сжатию двух других лопастей.

Для одной лопасти; у вас есть масса на конце палки. Моим первым телескопом был 4-дюймовый ньютоновский телескоп Эдмунда с большой стеклянной прямоугольной призмой на конце металлического стержня. Вы можете постучать по трубке в верхней части, и эта штука зазвенит, делая изображение размытым.

Три лопасти против одной также помогут при осевых вибрациях (по направлению к первичному и от него), но не так сильно, как поперечные, но небольшие поперечные колебания намного хуже, чем небольшие осевые колебания , потому что вторичный криволинейный. Переместите его в сторону, и изображение будет скользить вперед и назад по датчикам изображения, размывая пиксели. Десятки микрон бокового движения изображения убьют разрешение.

Однако осевое движение в десятки микрон вряд ли повлияет на резкость при большом фокусном расстоянии и высоком f/no. система.

Симметрия при тепловом расширении

Благодаря огромному многослойному солнцезащитному козырьку JWST прилагает большие усилия для поддержания очень низкой температуры всей оптики и детекторной системы, чтобы она не способствовала тепловому инфракрасному излучению и чтобы датчики имели низкий тепловой шум.

Однако вы также хотели бы сохранить большие структурные элементы как можно более термически стабильными, чтобы свести к минимуму дрейф фокуса и положения изображения. Крестовина с тремя лопастями обеспечивает некоторую поперечную симметрию, и при изменении температуры она может уменьшить величину бокового дрейфа по сравнению с одиночной лопастью, где расширение-сжатие, очевидно, просто заставит вторичную часть двигаться вперед и назад вдоль лопасти. ось.

Дифракция, ФРТ и Хаббл

Космический телескоп Хаббл действительно страдает от дифракционных эффектов от своих четырех лопастей , а также от его гигантских вторичных и трех зеркальных сквозных отверстий для монтажа , но основные усилия по управлению функцией рассеяния точки HST (например, «оптическое моделирование с использованием Tiny Tim» ), кажется, справляется с этим хорошо.

Из этого ответа в Фотография SE:

(см. также) ответ @scottbb (отличный) ... Для научного анализа изображений с Хаббла необходимо учитывать все аберрации, дифракцию и пикселизацию. По этому поводу есть хорошая статья: 20 лет оптического моделирования космического телескопа Хаббла с использованием Tiny Tim .

Номер лопасти

Важно отметить, что WFIRST пошел другим путем и имел шесть лопастей!

Из Введения в WebbPSF для WFIRST :

Функция распределения точек JWST — не забывайте о сегментированном первичном!

Следующее изображение вырвано из контекста (на данный момент я верну его позже сегодня) из статьи SPIE 2014 года с платным доступом Обновленное моделирование функции распределения точек для JWST с помощью WebbPSF . Учитывая, что первичное зеркало представляет собой гораздо более полную «дифракционную кромку» поперек фронта входящей волны, чем три лопасти вторичного зеркала, возможно или даже вероятно, что вклад крестовины даже с тремя лопастями невелик по сравнению с вкладом от сегментация первичного зеркала.

Из документации webbpsf версии 0.8.0 (щелкните, чтобы увеличить размер)

Рис. 1: Примеры PSF для комплекта инструментов JWST, все в одной угловой шкале и с одинаковым растяжением дисплея.

Заключение

Другими словами, использование одной лопасти может не давать никаких преимуществ по сравнению с тремя лопастями, поскольку главное зеркало и без того сильно сегментировано и «резко», и это, безусловно, создает множество механических недостатков с точки зрения жесткости по отношению к перемещению боковой вибрации и нарушению симметрии. при тепловом расширении!