11. Современные интерференционные методы контроля

реклама
СОВРЕМЕННЫЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ
АСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
А.П. Семенов, М. А. Абдулкадыров, В. Е. Патрикеев; А.С. Воробьев
ОАО “Лыткаринский завод оптического стекла”, Лыткарино, Московская обл.
В течение последних лет OAO ЛЗОС по контрактам с зарубежными фирмами
изготовил и ведет изготовление целого ряда главных зеркал астрономических
телескопов диаметром более 1 м. Одновременный контроль асферической формы
поверхности линзовым и голограммным корректорами волнового фронта, проверка
корректора с помощью голограммного имитатора, позволяют успешно решить задачу
изготовления и контроля формы поверхности зеркал с заданными параметрами.
Тенденция к увеличению поля зрения современного телескопа путем уменьшения
фокусного расстояния, а, следовательно, увеличения апертуры зеркала и величины
асферичности поверхностей – характерная особенность последнего времени в области
телескопостроения.
Современные
крупногабаритные
оптические
системы
астрономического и космического назначения включают в себя линзы диаметром до 1
м и зеркала диаметром до 8 метров с асферическими поверхностями в основном
второго порядка, с апертурой до f/1 и более, с асферичностью до 17 мм (внеосевое
зеркало диаметром 8 м Большого Телескопа Магеллана, GMT, США). Отсюда
усложнение методов контроля таких поверхностей и, как следствие, требования
заказчиков использовать два независимых метода контроля формы поверхности для
достоверного достижения требований спецификации.
В ОАО ЛЗОС при формообразовании астрономических оптических деталей [1,2]
для тестирования асферических поверхностей используются линзовые и зеркальные
корректоры волнового фронта [2,3], а в качестве альтернативного метода выполняется
контроль с использованием дифракционного оптического элемента (ДОЭ) [4] в
качестве голограммного корректора (ДОЭ-корректор, в зарубежной терминологии
CGH – Computer-generated Hologram – компьютерная синтезированная голограмма).
Использование двух корректоров для контроля в значительной степени позволяет
исключить ошибки при изготовлении поверхности, особенно со значительной
асферичностью. Кроме того, для проверки и аттестации как линзового корректора, так
и ДОЭ-корректора используются ДОЭ-имитаторы контролируемого зеркала для
проверки самого корректора и определения его собственных ошибок, которые можно
учесть при изготовлении поверхности зеркала.
Контроль главного зеркала телескопа VISTA
В 2008 году ОАО ЛЗОС завершил работы по изготовлению комплекта оптики для
телескопа VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) [5], который
успешно вступил в строй действующих в декабре 2009 года. Телескоп VISTA –
широкоугольный наземный телескоп с главным гиперболическим зеркалом диаметром
4100 мм и вторичным зеркалом диаметром 1240 мм, предназначенный для обзорных
наблюдений южного полушария неба одновременно в видимом и инфракрасном
спектрах волн. Телескоп имеет альт азимутальную монтировку, изображение
формируется в фокусе Кассегрена. Оптическая схема - модернизированная система
Ричи-Кретьена.
55
Главное зеркало телескопа VISTA диаметром 4100 мм и толщиной 170 мм (мениск)
имеет асферичность 881 мкм, и большую апертуру f/0.98, а также очень высокие
требования к точности изготовления оптической поверхности (Среднеквадратичное
отклонение (СКО) волнового фронта менее 40 нм и СКО наклона волнового фронта
менее 0.06 угловых секунд). Именно этим и объясняются основные технологические
сложности как процесса контроля формы поверхности зеркала, так и его изготовления.
Для сравнения, наиболее близкими аналогами являются зеркала телескопов MMT,
MAGELLAN (диаметр 6500 мм, апертура f/1.25, асферичность 810 мкм) и LBT
(диаметр 8400 мм, апертура f/1.14, асферичность 1300 мкм), которые имеют подобную
асферичность и апертуру, но на большем диаметре.
Из спецификации на
зеркало
видно,
что
отступление
гиперболической
поверхности
от
вершинной
сферы
составляет почти 4 мм,
что
и
определяет
специфичность
средств
контроля.
Поскольку
зеркало
является
высокоапертурным
и
контрольное
оборудование
очень
чувствительно
к
погрешностям
а)
изготовления
оптики,
было принято решение
изготовить
два
корректора
волнового
фронта
принципиально
разной конструкции, что
может
гарантировать
достижение
требуемой
достоверности и точности
изготовления
поверхности.
Первый
корректор
является линзовым и
содержит три линзы,
плоскую
пластину
с
эталонным
клином,
объектив,
б)
преобразующий плоский
Рис. 1. Схема контроля зеркала с линзовым (а) и зеркальным (б)
волновой
фронт
в
корректорами волнового фронта
сферический
и
интерферометр типа Тваймана-Грина (рис. 1а). Второй корректор зеркально-линзовый,
который состоит из четырех зеркальных поверхностей и фокусирующей линзы (рис.
1б). Он преобразует сферический волновой фронт в асферический и обратно. Для
56
обеспечения контроля процесса асферизации шлифованием зеркальный корректор
работает также в ИК-диапазоне (λ = 10.6 мкм). Переход из ИК- диапазона в видимый в
зеркальном корректоре осуществляется заменой коррегирующей линзы. Все
компоненты линзового и зеркального корректоров имеют только плоские и
сферические поверхности.
Наибольшая сложность при изготовлении корректоров состояла в том, чтобы
обеспечить изготовление и измерение параметров линз и зеркал с предельно
возможной точностью в 2-5 мкм (короткие радиусы поверхностей, толщины линз,
разнотолщинность), выставить с такой же точностью воздушные промежутки, убрать
наклоны поверхностей в процессе юстировки и получить высокую точность
изготовления самих поверхностей.
Для обеспечения необходимой точности корректора важную роль играет и
однородность материала линз. Неоднородности в стекле могут существенно исказить
волновой фронт. Результаты определения неоднородности в заготовках показали, что
она находится в пределах 0.3⋅10-6 ÷ 0.5⋅10-6, что удовлетворяет требованиям
спецификации на корректора волнового фронта, с учетом всех остальных допусков на
конструктивные параметры корректора, чтобы получить требуемую точность оценки
формы волнового фронта главного зеркала.
Несмотря на тщательное измерение всех параметров и выставление воздушных
промежутков в корректорах, необходимо было проверить качество волнового фронта
корректоров, поскольку все параметры корректора изготавливались на пределе
технологических возможностей. Для проверки корректоров Институтом автоматики и
электрометрии (Новосибирск, Россия) был успешно изготовлен ДОЭ-имитатор зеркала.
Результаты первой аттестации линзового корректора волнового фронта с ДОЭимитатором показали наличие зональной ошибки СКО = 0.212 λ (λ=633 нм,
интерферограмма приведена на рис. 2а). За вычетом зональной ошибки остаточная
ошибка волнового фронта составляет 0.044 λ.
Данная ошибка
является
результатом
погрешностей
в
измерении радиусов
поверхностей линз,
толщин
линз,
измерений
а)
в)
б)
воздушных
Рис. 2. а) и б) промежутков и т.д.
интерферограммы
Задача выявления
линзового корректора
основных
волнового фронта до и
после коррекции
параметров,
параметров сборки; в)
вносящих
интерферограмма
наибольшую
волнового фронта
погрешность
в
зеркального корректора
собственный
с
ДОЭ-имитатором;
д)
г)
волновой
фронт
г) и д) интерферограммы волнового фронта: слева с выделением
корректора весьма
регулярных ошибок и собственной ошибки корректора волнового фронта,
справа реальная интерферограмма на малом количестве полос.
сложна и требует
большого количества повторных измерений. Поэтому, для устранения данной
зональной ошибки был применен способ компьютерного моделирования по программе
ZEMAX для того, чтобы скорректировать и минимизировать полученную зональную
57
ошибку корректора. В результате такой коррекции была получена ошибка волнового
фронта менее 0.1 λ (СКО) (рис. 2б). Остаточная ошибка корректора вычиталась из
суммарного волнового фронта зеркало+корректор, что позволило достичь требуемой
точности изготовления поверхности.
Аттестация зеркального корректора для контроля зеркала VISTA M1 была
выполнена также с данным имитатором. Интерферограмма полученного волнового
фронта представлена на рис.2в. Ошибка волнового фронта корректора,
проконтролированного с ДОЭ-имитатором составила СКО=0.112 λ
(λ=633 nm). С
помощью ДОЭ-имитатора и полученной картины волнового фронта удалось устранить
астигматизм зеркал корректора. Зональная ошибка корректора менее 0.04 λ. С учетом
того, что корректор состоит из двух зеркал достаточно больших габаритов (492 мм и
312 мм) и работает на отражение, а не на пропускание, как линзовый корректор,
данный результат весьма удовлетворительный. Остаточная ошибка также вычиталась
при контроле главного зеркала. Зеркальный корректор не пришлось корректировать и
исправлять, что подтвердило правильность его сборки и аттестации его параметров.
Таким образом, контроль формы поверхности двумя корректорами принципиально
разной конструкции позволил обеспечить достоверность получаемой формы волнового
фронта.
На рис. 2г и 2д приведены интерферограммы волнового фронта: слева с
выделением регулярных ошибок, дисторсионного искажения изображения корректора
и собственной ошибки корректора волнового фронта, полученная по результатам
построения карты формы поверхности, а справа реальная интерферограмма на малом
количестве полос. На ней видна остаточная расфокусировка и зональная ошибка,
эквивалентная остаточной зональной ошибке линзового корректора волнового фронта,
которая вычиталась из суммарного волнового фронта.
Изготовление главного зеркала телескопа TNT
Зеркало телескопа TNT (Thai National Telescope – Тайский Национальный
Телескоп, изготавливаемый фирмой EOS Technology, США и Австралия) диаметром 2.4
м и толщиной мениска 150 мм (вершинный радиус 7200 мм, асферичность 168 мкм,
размах волнового фронта< 200 нм, СКО волнового фронта < 50 нм, размах наклона
волнового фронта < 5 микро радиан) было изготовлено в 2009 году.
Для контроля отраженного волнового фронта зеркала использовались два
корректора: линзовый корректор (изготовлен в ОАО ЛЗОС) и ДОЭ-корректор, а для
проверки обоих корректоров был изготовлен ДОЭ-имитатор зеркала. ДОЭ-корректор и
ДОЭ-имитатор рассчитаны и изготовлены Институтом автоматики и электрометрии СО
АН (Новосибирск).
После предварительной сборки линзового корректора контроль его волнового
фронта показал наличие
зональной ошибки примерно в 2.5 кольца. После
переаттестации всех параметров корректора была обнаружена ошибка в воздушном
промежутке между линзами. После исправления данной ошибки и повторной
юстировки корректора были получены удовлетворительные результаты. Аналогичным
образом был выполнен контроль ДОЭ-корректора с ДОЭ-имитатором. По результатам
аттестации корректоров с голограммным имитатором получены значения
среднеквадратичного волнового фронта RMS WFE = 0.039λ (λ=632.8 нм, WFE – Wave
Front Error) для линзового корректора и RMS WFE = 0.029λ для голограммного
корректора. Следует учесть, что остаточные ошибки корректоров волнового фронта
учитывались при контроле зеркала на финишной стадии обработки и остаточная
погрешность определялась погрешностью подложки ДОЭ-имитатора.
58
По итогам финишного контроля зеркала двумя корректорами получены следующие
результаты.
Линзовый корректор волнового фронта:
RMS WFE (СКО волнового фронта) = 0.054 λ
RMS Slope (СКО наклона нормалей волнового фронта) = 0.102 угловых секунд;
Max Slope (Максимальный наклон нормали волнового фронта) = 0.83 угловых
секунд = 4.02 микрорадиан.
ДОЭ-корректор:
RMS WFE = 0.049λ;
RMS Slope = 0.85 угловых секунд;
Max Slope = 1.03 угловых секунд = 5.0 микрорадиан
Изготовление главных зеркал для других проектов телескопов
В первой половине 2008 года в ОАО ЛЗОС были завершены работы по
изготовлению 3-х зеркал диаметром 2050 мм для LCO (Las Cumbres Observatory,
США). В настоящее время для этого же заказчика ЛЗОС ведет изготовление 23-х
комплектов оптики, включающих облегченные главные зеркала диаметром 1043 мм и
вторичные облегченные зеркала диаметром 350 мм. Материал заготовок – борофлот
фирмы SCHOTT. Контроль данных зеркал выполнялся с использованием линзового
корректора. Успешная проверка корректоров была выполнена с помощью ДОЭимитаторов зеркал, также рассчитанных и изготовленных Институтом автоматики и
электрометрии СО АН (Новосибирск). Изготовлено 8 комплектов оптики. Первый
телескоп уже собран и успешно опробован в действии в Санта-Барбаре (Калифорния,
США). Имитаторы использовались и для проверки линзовых корректоров в ряде
других проектов, текущих и выполненных.
Таким образом, контроль зеркал телескопов двумя типами корректоров позволяет
избежать возможных ошибок в изготовлении требуемой формы зеркала и гарантирует
достоверность получаемых параметров, таких как вершинный радиус и коническая
константа, в соответствии с требованиями спецификации.
Литература
1. Abdulkadyrov M. A., Belousov S. P., Ignatov A. N., Rumyantsev V. V. Nontraditional technologies to fabricate lightweighted astronomical mirrors with high stability of
surface shape// Proceedings of SPIE. 1999. V. 3786. P. 468-473.
2. Semenov A. P., Patrikeev V. E., Samuylov A. V., Sharov Y. A. Computer-controlled
fabrication of large-size ground and space-based optics from glass ceramic Sitall CO-115M//
Proceedings of SPIE. 1999. V. 3786. P. 474-479.
3. Abdulkadyrov M.A., Belousov S.P., Ignatov A.N., Patrikeev V.E., Pridnya V.V.,
Polyanchikov A.V., Rumyantsev V.V., Samuylov A.V., Semenov A.P., Sharov Y.A.
Manufacturing of primary mirrors from Sitall CO-115M for European projects TTL, NOA
and VST// Proceedings of SPIE. 2001. V. 4451. P. 131-137.
4. Abdulkadyrov M.A., Ignatov A.N., Patrikeev V.E., Pridnya V.V., Polyanchikov F.V.,
Semenov A.P., Sharov Y.A., Atad-Ettengui E., Egan I., Bennet R.J., Craig S.C. M1 and M2
mirrors manufacturing for VISTA telescope// Proceedings of SPIE. 2004. V. 5494. P. 374381, 2004.
5. McPherson A. M., Born A., Sutherland W., Emerson J., Little B., Jeffers P., Stewart
N., Murray J., Ward K. VISTA: Progect status// Proceedings of SPIE. 2006. V. 6267. P.
626707-1 – 626707-12.
59
Скачать