Главная arrow Поиск
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
Изготовление главных зеркал из ситалла СО-115М для европейских проектов TTL, NOA и VST Печать E-mail

Магомед А. Абдулкадыров*, Сергей П. Белоусов, Александр Н. Игнатов, Владимир Е. Патрикеев, Виталий В. Придня, Андрей В. Полянщиков, Виктор В. Румянцев, Анатолий В. Самуйлов, Александр П. Семенов, Юрий А. Шаров

РЕЗЮМЕ

В течение 1997-2001 г. OAO "ЛЗОС" по контракту с Карл-Цейсс (Германия) изготовил три главных зеркала с гиперболической поверхностью диаметром 2050 мм (F/3) для проекта TTL (Telescope Technologies Limited, Великобритания). Асферичность около 20 мкм от ближайшей сферы. Поле зрения телескопа около 40 минут. На всех зеркалах была получена концентрация энергии на оси 80% в кружке рассеяния диаметром менее 0.2". RMS поверхности зеркал менее 9 нм. Изготовлено главное зеркало телескопа NOA (Astronomical Institute - National Observatory of Athens, Греция) диаметром 2280 мм (F/2.3). Асферичность зеркала около 40 мкм. Поле зрения телескопа с корректором около 1.04o. Главное зеркало является классическим с толщиной 300 мм и отношением толщины зеркала к диаметру 1:7.6. Главное зеркало имеет концентрацию энергии на оси 80% в кружке менее 0.2" и RMS поверхности менее 9 нм. Изготовлено главное зеркало телескопа VST (VLT Survey Telescope, Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli) диаметром 2650 мм (F/1.8) с асферичностью около 100 мкм. С корректором поля телескоп будет иметь поле зрения 1.5o. Зеркало телескопа VST является адаптивным и выполнено в виде мениска толщиной 140 мм. Отношение толщины зеркала к его диаметру 19:1.

Ключевые слова: телескопы, обработка оптики, оптический контроль, асферика

* Correspondence: e-mail: Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script ; Telefone: 007-095-552-15-72; Fax 007-095-552-15-86

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ведутся разработки серии оптических инструментов 2-х, 3-х, 4-х метрового класса с повышенными требованиями к качеству изображения и исполнительному оборудованию, значительному увеличению поля зрения при существенном сокращении габаритных размеров за счет увеличения апертуры главного и вторичного зеркал до 1:3. ОАО "ЛЗОС" совместно с фирмой Карл-Цейсс (Йена) выполнил ряд заказов по производству оптики для телескопов 2-3 метрового класса с современными требованиями к качеству поверхности и сложности оптических компонентов.

Для создания телескопических зеркальных систем наземного и космического базирования в ОАО "ЛЗОС" широко используется производство зеркал из стеклокерамики ситалл СО-115М, который по своим оптическим и физико-механическим свойствам является аналогом церодура фирмы Шотт (Германия). Многолетний опыт формообразования оптических компонентов показал его надежность и эффективность при создании астрономических и космических приборов и инструментов с монолитными, облегченными и тонкими крупногабаритными оптическими элементами.

В течение 1997-2000 г. OAO "ЛЗОС" по контракту с Карл-Цейсс (Германия) изготовил три главных зеркала с гиперболической поверхностью диаметром 2050 мм и вторичное зеркало диаметром 645 мм из ситалла СО-115М для проекта TTL (Telescope Technologies Limited, Great Britain). Главные зеркала имеют относительное отверстие D/f = 1:2.9, характерное для современных телескопов. Вторичное зеркало имеет D/f = 1:2.5.

Параллельно изготовлен комплект оптики телескопа NOA (Astronomical Institute - National Observatory of Athens, Greece) с главным зеркалом диаметром 2280 мм, D/f = 1:2.3, вторичным зеркалом диаметром 753 мм и трехлинзовым корректором поля. Поле зрения телескопа около 1.04o. Телескоп будет установлен на Балканах. Главное зеркало является классическим с толщиной 300 мм и отношением толщины зеркала к диаметру 1:7.6.

В 1999-2001 г. изготовлен комплект оптики для обзорного телескопа VST (VLT Survey Telescope, Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli1) с главным зеркалом диаметром 2650 мм, D/f = 1:1.8, и вторичным зеркалом диаметром 938 мм. С корректором поля телескоп будет иметь поле зрения 1.5o. Зеркало телескопа VST является адаптивным и выполнено в виде мениска толщиной 140 мм. Таким образом, отношение толщины зеркала к его диаметру составляет 1:19. Место установки телескопа - обсерватория Паранал в Чили, рядом с комплексом 4-х 8-метровых телескопов VLT.

2. СПЕЦИФИКАЦИЯ ЗЕРКАЛ

Три изготовленных главных зеркал проекта TTL , зеркало NOA и главное зеркало VST имеют следующие параметры:

характеристикапроект
TTLNOAVST
материалСиталл CO-115M
формавогнутый гиперболоид
внешний диаметр2050 мм2280 мм2650 мм
диаметр отверстия450 мм460 мм600 мм
толщина200 мм300 мм140 мм (мениск)
световая апертура2000 мм2200 мм2600 мм
радиус кривизны12000 ± 50 мм10560 + 50 мм9509 ± 10 мм
коническая константа-1.0703-1.07943-1.139899
макс. асферичность19 мкм40 мкм100 мкм

В соответствии со спецификацией требуются следующие выходные параметры оптики телескопов.

TTL проект:
концентрация света (80%) в кружке диаметром 0.2".
NOA проект:
качество изображения (80% энергии в кружке диаметром)
на оси без коррекции: 0.35"
на оси с коррекцией: 0.35"
вне оси на расстоянии 5 угл. мин. без коррекции: 0.5"
вне оси на расстоянии 20 угл. мин. с коррекцией: 0.5"
VST проект:
Геометрическая концентрация энергии (80%) на оси, системы двух зеркал, в кружке диаметром 0.30", после удаления коэффициентов константы, наклона расфокусировки и децентрировочной комы
Геометрическая концентрация энергии (80%) на оси, системы двух зеркал, в кружке диаметром 0.15", после дополнительного удаления коэффициентов сферической аберрации, астигматизма, триангулярной комы и квадратичного астигматизма

3. БАЗИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ ГЛАВНЫХ ЗЕРКАЛ


рис.2 Грузозахватное устройство для транспортировки детали диаметром 2650 мм.
  Производственно-технический комплекс ОАО "ЛЗОС" включает термостатированные оптические залы, вакуумные стенды контроля, контрольно-измерительное оборудование, оборудование для формообразования и автоматизированные станки с программным управлением для финишной доводки. В ОАО "ЛЗОС" накоплен большой опыт по созданию новых конструкций облегченных зеркал и автоматизированному формообразованию оптических асферических поверхностей облегченных и тонких деталей с произвольной конфигурацией внешнего периметра и отверстий. Созданная технология существенным образом ускоряет процесс получения высокоточной оптики и позволяет уверенно прогнозировать форму поверхности и время изготовления оптической детали.

 

3.1. Изготовление заготовок главных зеркал

Для изготовления главных зеркал использовалось технологическое оборудование ОАО “ЛЗОС” и заготовки из ситалла СО-115М производства ОАО “ЛЗОС”2. Производственный потенциал ОАО “ЛЗОС” позволил выполнить работы по изготовлению оптических деталей от стадии отлива и отжига заготовок из ситалла до окончательного формообразования.

Для манипуляций с заготовками для зеркал изготовлен кантователь (рис. 1) оптических деталей диаметром до 4 м. Для зеркала VST разработано и изготовлено грузозахватное устройство (рис. 2), которое использовалось для транспортировки зеркала в процессе предварительной обработки и контроля, и в дальнейшем будет использовано для транспортировки зеркала в процессе установки в рабочую оправу телескопа. Для доставки зеркала на алюминирование и перевозку в обсерваторию разработан и изготовлен специальный транспортный контейнер (рис. 4).

 
рис.1 Кантователь для деталей диаметром до 4 м.

Для системы адаптивного управления зеркалом изготовлены специальные площадки для 84 опор на тыльной выпуклой стороне зеркала. К данным площадкам и к образующей зеркала специалистами фирмы Карл-Цейсс приклеены элементы системы адаптивного зеркала. На рис. 3 показан вид зеркала c приклеенными элементами системы адаптивной разгрузки.

 


рис.3 Зеркало VST с приклееными элементами.
 
рис.4 Транспортный контейнер.

 

3.2. Базирование и контроль главных зеркал

На стадии асферизации главных зеркал профиль поверхности измерялся комплектом сферометров по специально разработанной методике и математическому алгоритму. Данная методика позволяет успешно выполнить асферизацию поверхности с отклонением от заданного профиля до 1-2 мкм.

После предварительной обработки поверхности деталь устанавливается на мембранно-пневматическую технологическую оправу на автоматизированном станке, входящем в состав вертикального стенда контроля. Стенд вертикального контроля оптических деталей (рис. 6) имеет контрольную площадку, которая устанавливается на различной высоте, в зависимости от радиуса контролируемой детали. Стенд позволяет выполнять контроль деталей с радиусом кривизны до 12 м. Для защиты от воздушных потоков и более точного определения формы поверхности контролируемой детали в стенде смонтирован потокозащитный чехол (рис. 5). Для каждой детали рассчитывалось оптимальное расположение опор мембранно-пневматической разгрузки.

 
рис.5 Потокозащитный чехол.


рис.6 Стенд вертикального контроля.
 Оправа мембранно-пневматического типа обеспечивает стабильное состояние оптической детали в процессе контроля, для обеспечения успешного сеанса автоматизированного формообразования. Разгрузочная оправа снабжена системой автоматической стабилизации положения зеркала на оправе при изменении внешних условий (атмосферного давления, влажности) во время контроля формы поверхности, что обеспечивает неизменное состояние формы поверхности с необходимой точностью. В результате более стабильного положения зеркала в процессе контроля удалось получить высокое качество обрабатываемых оптических поверхностей.

В процессе выполнения асферизации поверхности на главном зеркале VST использовался контроль формы поверхности с помощью ИК-интерферометра с СО2-лазером и зеркальным корректом волнового фронта. Зеркальный корректор волнового фронта преобразует сферический волновой фронт в асферический, соответствующий форме поверхности главного зеркала VST. Контроль на стадии финишной доводки производился в вертикальной схеме. Для контроля формы поверхности использовался интерферометр с корректором волнового фронта и автоматической обработкой интерферограмм волнового фронта с помощью камеры с ПЗС-приемником. Двухлинзовый корректор волнового фронта имеет входную апертуру около 60 мм и преобразует плоский волновой фронт в асферический. Расчет и изготовление корректоров волнового фронта выполняется на нашем предприятии (рис. 8).

 

3.3 Формообразование главных зеркал

Формообразование оптических деталей включает стадию предварительного формообразования и автоматизированную доводку поверхностей. Процесс предварительного формообразования главных зеркал проекта TTL, NOA и VST выполнялся по классической технологии. Вначале изготавливалась ближайшая сфера, а затем производилась асферизация поверхности методом шлифования и последующего полирования (рис. 9).

В процессе выполнения асферизации поверхности на главном зеркале VST использовалось автоматизированное формообразование шлифованием. После предварительного изготовления асферической поверхности на зеркале методом шлифования, на нем была определена форма поверхности с помощью ИК-интерферометра с СО2-лазером и зеркального корректора волнового фронта (рис.7). По построенной топографии поверхности детали были рассчитаны сеансы обработки на автоматизированном станке. После устранения локальных ошибок и астигматизма на поверхности детали автоматизированным методом была продолжена асферизация поверхности по классической технологии. При этом, деталь располагалась на технологической оправе мембранно-пневматического типа в вертикальном стенде контроля, как в процессе обработки, так и на стадии контроля формы поверхности.

 

рис.7 Контроль формы поверхности VST c ИК-интерферометром.

 
рис.8 Корректор волнового фронта для контроля главного зеркала NOA.


рис.9 Зеркало VST в процессе предварительного формообразования.
 Для доводки поверхностей зеркал использовался автоматизированный комплекс по обработке результатов контроля и формообразованию оптических поверхностей деталей диаметром до 4 м. В основу разработанной технологии положено программное управление автоматизированным комплексом с автоматизированной обработкой информации о форме поверхности, расчетом, уточнением и прогнозированием технологических режимов, управлением движением малого осциллирующего инструмента. Комплекс технологических программ применяется для обработки интерферограммы волнового фронта контролируемой детали в реальном масштабе времени, расчета технологических параметров автоматизированного формообразования, автоматической коррекции технологического процесса по результатам сеанса автоматизированной обработки, прогнозирования получаемой формы поверхности3.

Перед автоматизированной доводкой оптических деталей форма поверхностей имела размах ошибки, как правило, около 10. Исходная поверхность зеркала VST имела отклонения после предварительной обработки около 25. Для окончательной доводки детали использовался автоматизированный комплекс с программным управлением. Автоматизированная доводка (рис.10) занимала в среднем около 1.5-2 месяцев для зеркал TTL и NOA и около 3 месяцев для зеркала VST, поскольку данное зеркало имело большую исходную ошибку и обладает наибольшей асферичностью.  
рис.10 Доводка поверхности оптической детали.

В результате на оптических поверхностях была получена ошибка волнового фронта:
TTL 1,2,3: 17-21 нм (RMS волнового фронта)
NOA: 19 нм (RMS)
VST: < 20 нм (RMS)
На рис. 11 приведены конечные интерферограммы трех зеркал проекта TTL. На всех главных зеркалах была получена концентрация 80% энергии в кружке рассеяния диаметром менее 0.2".
На рис. 12 приведены исходная и конечная итерферограммы главного зеркала NOA. На главном зеркале была получена концентрация 80% энергии в кружке рассеяния диаметром менее 0.18".
На рис. 13 приведены исходная и конечная итерферограммы главного зеркала VST. На главном зеркале была получена концентрация 80% энергии в кружке рассеяния диаметром менее 0.15".

 


wavefront error 17nm (RMS) 80% energy concentration in a diameter 0.16 arcsec

wavefront error 21nm (RMS) 80% energy concentration in a diameter 0.20 arcsec

wavefront error 19nm (RMS) 80% energy concentration in a diameter 0.19 arcsec

рис.11 Интерферограммы 3-х зеркал проекта TTL.

Следует отметить, что в процессе изготовления зеркал проекта TTL использовалось два корректора волнового фронта с различной входной апертурой. Это позволило получить более надежные данные о форме волнового фронта главных зеркал и параметрах зеркала, вершинного радиуса и эксцентриситета поверхности. Для зеркала VST второй компенсатор был изготовлен с учетом предварительно измеренного фактического радиуса кривизны, чтобы получить более точные значения вершинного радиуса и эксцентриситета поверхности, соответствующего спецификации.

 


wavefront error 7.5 (P-V), 1.5 (RMS)
 
wavefront error 19nm (RMS) 80% energy concentration in a diameter 0.18 arcsec

рис.12 Исходная и конечная интерферограммы зеркала NOA диаметром 2280 мм на стадии автоматизированной доводки.

 


wavefront error 20.5 (P-V), 2.5 (RMS)
 
80% energy concentration in a diameter 0.12 arcsec after removal of the coefficients 3rd order spherical aberration, 3rd order astigmatism, triangular coma, quadratic astigmatism

рис.13 Исходная и конечная интерферограммы зеркала VST диаметром 2650 мм на стадии автоматизированной доводки.

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОАО “ЛЗОС” в течении 1997-2000 изготовил три главных гиперболических зеркала диаметром 2050 мм (F/3) для проекта TTL (Telescope Technologies Limited, Great Britain). Концентрация энергии 80% в кружке диаметром менее 0.2” была получена на всех трех зеркалах. RMS поверхности менее 10 нм. В настоящее время получен первый свет от первого телескопа на предприятии в Ливерпуле.

Изготовлено главное зеркало диаметром 2280 мм (F/2.3) для проекта NOA (Astronomical Institute – National Observatory of Athens, Greece). Получена концентрация энергии 80% в кружке диаметром менее 0.18” и ошибка поверхности (RMS) менее 10 нм.

Изготовлено главное зеркало диаметром 2650mm (F/1.8) для проекта VST (VLT Survey Telescope, Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli).Геометрическая концентрация энергии (80%) на оси, системы двух зеркал, в кружке диаметром менее 0.20”, после удаления коэффициентов константы, наклона расфокусировки и децентрировочной комы. Геометрическая концентрация энергии (80%) на оси, системы двух зеркал, в кружке диаметром 0.12”, после дополнительного удаления коэффициентов сферической аберрации, астигматизма, триангулярной комы и квадратичного астигматизма.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. D. Mancini, G. Sedmak, M. Brescia, F. Cortecchia, D. Fierro, V. Fiume Garelli, G. Marra, F. Perrotta, F. Rovedi, P. Schipani, VST project: technical overview. Proceedings of SPIE, 4004, pp. 79-90, 2000.
2. M. A. Abdulkadyrov, S. P. Belousov, A. N. Ignatov, V. V. Rumyantsev, Non-traditional technologies to fabricate lightweighted astronomical mirrors with high stability of surface shape. Proceedings of SPIE, 3786, pp. 468-473, 1999.
3. A. P. Semenov, V. E. Patrikeev, A. V. Samuylov, Y. A. Sharov, Computer-controlled fabrication of large-size ground and space-based optics from glass ceramic Sitall CO-115M. Proceedings of SPIE, 3786, pp. 474-479, 1999.
 
 
Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru
ОАО "ЛЗОС" 140080, г.Лыткарино, Мос.обл., Россия, ул.Парковая, д.1.
телефон/факс: (007-495) 552-32-95 / 552-17-90 e-mail: office@lzos.ru
© 2017 ЛЗОС - Лыткаринский Завод Оптического Стекла