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

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

РЕЗЮМЕ

В течение 1999-2001 г. OAO "ЛЗОС" по контракту с Карл-Цейсс (Германия) изготовил вторичное зеркало диаметром 645 мм (F/2.5) для проекта TTL (Telescope Technologies Limited, Великобритания). Асферичность около 12 мкм от ближайшей сферы сравнения. RMS поверхности около 9 нм. Система зеркал главное + вторичное имеет концентрацию энергии на оси 80% в кружке менее 0.2". Изготовлено вторичное зеркало диаметром 753 мм (F/2) телескопа NOA (Astronomical Institute - National Observatory of Athens, Греция). Асферичность около 26 мкм. RMS поверхности около 12 нм. Поле зрения телескопа около 1.04o. Система зеркал главное + вторичное имеет конценнтрацию энергии на оси 80% в кружке менее 0.3". Изготовлено вторичное зеркало для телескопа VST (VLT Survey Telescope, Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli) диаметром 938 мм (F/2.3) с асферичностью около 100 мкм. С корректором поля телескоп будет иметь поле зрения 1.5o. Для контроля трех вторичных зеркал использовались три сферы Хиндла диаметром 1610 мм, 1640 мм и 1985 мм с радиусами 6300 мм, 3995 мм и 2708 мм. Контроль каждой из выпуклых гипербол производился с парой сфер Хиндла и волновой фронт контролируемого зеркала определялся методом переналожения волновых фронтов.

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 течение 1999-2000 г., как описано в предыдущей статье, OAO "ЛЗОС" по контракту с Карл-Цейсс (Германия) изготовил вторичное зеркало диаметром 645 мм из ситалла СО-115М для проекта TTL (Telescope Technologies Limited, Great Britain). Вторичное зеркало имеет D/f = 1:2.5. Поле зрения телескопа около 40’. В 2000 г. закончено изготовление комплекта оптики телескопа NOA (Astronomical Institute - National Observatory of Athens, Greece) со вторичным зеркалом диаметром 753 мм. Поле зрения всего телескопа около 1.04o. Телескоп будет установлен на Балканах. В 1999-2001 г. изготовлен комплект оптики для обзорного телескопа VST1 (VLT Survey Telescope, Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli) со вторичным зеркалом диаметром 938 мм. С корректором поля телескоп будет иметь поле зрения 1.5o. Место установки телескопа - обсерватория Паранал в Чили.

2. СПЕЦИФИКАЦИЯ ЗЕРКАЛ

Изготовленные вторичные зеркала проектов TTL , NOA и VST имеют следующие параметры:

характеристикапроект
TTLNOAVST
материалСиталл CO-115M
формавыпуклый гиперболоид
внешний диаметр645 мм753 мм938 мм
центр. экранирование59 мм139 мм176 мм
толщина110 мм115 мм130 мм
световая апертура617 мм740 мм900 мм
радиус кривизны4813.19 ± 10 мм4602.2 - 2 мм4374.46 ± 2 мм
коническая константа-4.179-4.2087-5.421864
макс. асферичность12 мкм24 мкм98 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. ВЫБОР СХЕМ КОНТРОЛЯ ВТОРИЧНЫХ ЗЕРКАЛ

Для изготовления вторичных зеркал было рассмотрено и проанализировано несколько вариантов схем контроля, включая классическую схему Хиндла. Но контроль вторичного зеркала с одной сферой Хиндла трудно реализовать из-за технических сложностей и высокой цены. Трудность расчета заключалась в том, что необходимо проконтролировать высокоапертурные зеркала с различными параметрами и малым центральным экранированием. В частности, для контроля этих вторичных зеркал понадобилось бы изготовить зеркало Хиндла диаметром 2800 мм.

В результате анализа была выбрана схема контроля каждого из гиперболоидов с помощью двух сфер Хиндла2. Одна из сфер диаметром 1610 мм (диаметр отверстия 230 мм) с радиусом кривизны 6300 мм (М 1) уже имелась в наличии для ранее изготавливаемых вторичных зеркал. Для контрольных схем были изготовлены еще две сферы. Одна из них имеет диаметр 1640 мм и радиус кривизны 3995 мм (М 2), другая диаметром 1985 мм имеет радиус кривизны 2708.15 мм (М3). На сфере диаметром 1640 мм и радиусом кривизны 3995 мм, получено отклонение волнового фронта 0.05 (RMS). Определенный риск был связан с принципиальной возможностью изготовления второй крупногабаритной высокоапертурной сферы диаметром 1985 мм и радиусом кривизны 2708.15 мм (f/D=1:0.7). Но задача была успешно решена, получено отклонение волнового фронта 0.07 (RMS) (Рис.1).

 

 
рис.1 Сферическое зеркало диаметром 1985 мм и радиусом кривизны 2708.15 мм.

На рис.2-4 изображены принятые схемы контроля выпуклых гиперболических зеркал с использованием двух вспомогательных зеркал М 1 диаметром 1610 мм, М 2 диаметром 1640 мм и М 3 диаметром 1985 мм. Каждое вторичное зеркало поочередно контролируются совместно с двумя вспомогательными зеркалами. При контроле с зеркалом М 3 контролируется зона 270-900 мм для вторичного зеркала VST и 309-740.6 мм для вторичного зеркала NOA, соответственно при контроле с М 2 имеем зоны 112-500 мм и 128-600 мм. В обоих случаях мы имеем зону перекрытия (зона которая контролируется как с зеркалом М 2 так и с М 3 около 200 и более миллиметров. Наличие этой зоны позволяет произвести построение топографии методом переналожения волновых фронтов, полученных после расшифровки результатов интерференционного контроля с использованием зеркал М 2 и М 3 и построить общую топографию контролируемого вторичного зеркала. По аналогичной схеме с использованием сферических зеркал M 1 и M 2 выполнялся контроль вторичного зеркала телескопа TTL диаметром 645 мм. С зеркалом М 2 контролируется внешняя световая зона вторичного зеркала 123-617 мм и с зеркалом М 1 контролируется центральная часть 59-353 мм. Реализация данного метода существенно удешевляет процесс контроля и уменьшает сроки изготовления приведенных выше вторичных зеркал.


рис.2 Контроль зеркала TTL.


рис.3 Контроль зеркала NOA.


рис.4 Контроль зеркала проекта VST.

4. МЕТОД КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ

Сложность процесса автоматизированной обработки выпуклых крупногабаритных оптических поверхностей заключается прежде всего в необходимости получения достоверной информации о форме поверхности по результатам ее контроля. Известен способ получения формы волнового фронта методом переналожения с использованием полиномов Цернике. Но при таком описании волнового фронта сглаживаются локальные ошибки. Поэтому разрабатывался способ построения топографической карты методом переналожения, приемлемый для автоматизированной доводки данной поверхности.

На рис. 5 приведены интерферограммы контроля зеркала NOA с двумя сферическими зеркалами. Слева интерферограмма внешней части зеркала (область 1) диаметром 741 мм (экранируемая зона 309 мм), а справа интерферограмма внутренней части зеркала диаметром 600 мм (экранируемая зона 128 мм), контролируемой с другой сферой (область 2). Общая область, диаметром от 309 мм до 600 мм, на обоих интерферограммах (на левой - центральная часть, а на правой верхняя часть) используется для сопряжения волновых фронтов (область 12). Расчет топографии поверхности выполняется следующим образом. Пусть вся поверхность детали разбита на прямоугольную сетку с координатами Xn, Ym, где m= 1,2,...,M, n = 1,2,...,M. В каждой области отдельно вычисляются нормальные отклонения формы от ближайшей поверхности сравнения. В результате вычисляем нормальные отклонения Wm,n(k)(Xn,Ym) в области k. Необходимо связать области для построения общей топографии относительно единой ближайшей поверхности сравнения.

 

 

рис.5 Конечные интерферограммы дважды отраженного волнового фронта вторичного зеркала NOA диаметром 753 мм при контроле с двумя сферами Хиндла диаметром 1985 мм и 1640 мм.

Определяем нормальные отклонения в общей зоне областей 1 и 2:

W1,2(1) = A1,2(1) + B1,2(1)Xn + C1,2(1)Ym + D1,2(1)(Xn2 + Ym2) - W1           (1)

где W1,2(1) - отклонения в общей зоне областей 1 и 2, полученные по отклонениям для первой зоны W1, для точек m, n, попадающих в общую зону. Следует отметить, что в данном случае опорной поверхностью является сфера. Таким же образом:

W1,2(2) = A1,2(2) + B1,2(2)Xn + C1,2(2)Ym + D1,2(2)(Xn2 + Ym2) - W2           (2)

где W1,2(2) - отклонения в общей зоне областей 1 и 2, полученные по отклонениям для второй зоны W2, для точек m, n, попадающих также в общую зону. Отсюда определяются RMS1,2(1) и RMS1,2(2) общей части областей 1 и 2. Ясно, что при отсутствии погрешностей метода переналожения погрешностей обработки интерферограмм должно выполняться условие:

RMS1,2(1) RMS1,2(2),           (3)

а разность топографий (1) и (2) должна быть нулевой. По RMS разности топографий для общей зоны можно судить о точности метода контроля в данном конкретном случае. Используя коэффициенты уравнений (1) и (2), определяем нормальные отклонения областей 1 и 2 относительно общей опорной поверхности:

W1' = A1,2(1) + B1,2(1)Xn + C1,2(1)Ym + D1,2(1)(Xn2 + Ym2) - W1           (4)

где Xn, Ym принадлежат области 1;

W2' = A1,2(2) + B1,2(2)Xn + C1,2(2)Ym + D1,2(2)(Xn2 + Ym2) - W2           (5)

где Xn, Ym принадлежат области 2. Если условие (3) выполняется с достаточной точностью, то определяем общую сферу сравнения для зон 1 и 2:

W1,2 = 0.5(W1’ + W2’)

Решая систему уравнений:

A1,2 + B1,2Xn + C1,2Ym + D1,2(Xn2 + Ym2) = W1,2

вычисляем отклонения в области 1-2:

W1,2' = A1,2 + B1,2Xn + C1,2Ym + D1,2(Xn2 + Ym2) - W1,2

для точек m,n, принадлежащих всей области 1-2. Если определить разность волновых фронтов:

S1,2 = W1,2(1) - W1,2(2),

используя результаты, полученные при решении уравнений (1) и (2) для общей части областей 1 и 2, то получим оценку погрешности определения общей поверхности областей 1-2 RMS1,2. В идеале RMS1,2 должна стремиться к нулю. Основными источниками погрешностей метода переналожения являются:

 

  • погрешности измерения интерферограмм;
  • погрешность, обусловленная собственными деформациями контролируемого зеркала, в процессе перенастройки контрольного оборудования с одной сферы на другую и разворота контролируемой гиперболы.

Именно поэтому необходимо получать разность волновых фронтов общей зоны перекрытия для оценки погрешностей схемы контроля. В процессе финишного контроля гиперболической поверхности зеркала с двумя сферами ошибки волнового фронта сферических зеркал вычитались из суммарного волнового фронта зеркало + гипербола на видимом участке поверхностей сферы и гиперболы, что было необходимым условием для получения требуемой точности изготовления гиперболического зеркала.

5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВТОРИЧНЫХ ЗЕРКАЛ

Процесс предварительного формообразования вторичных зеркал проекта TTL, NOA и VST выполнялся по классической технологии. Вначале изготавливалась ближайшая сфера требуемой поверхности, а затем производилась асферизация поверхности методом шлифования и после достижения определенной точности методом полирования. На стадии асферизации профиль поверхности измерялся комплектом сферометров по специально разработанному алгоритму. Данная методика позволяет успешно выполнить асферизацию поверхности с отклонением от заданного профиля до 1-2 мкм. После предварительной обработки поверхности каждая деталь устанавливалась в горизонтальный стенд контроля со сферическими зеркалами (рис. 6, рис. 7) и контролировалась с помощью интерферометра. Контроль на стадии предварительной и финишной доводки производился с помощью камеры с ПЗС-приемником. Контролировались два положения гиперболического зеркала с двумя сферическими зеркалами. В одном положении контролировалась внешняя часть поверхности зеркала, а во втором положении внутренняя часть зеркала. Два положения содержат общую часть поверхности гиперболоида, которая является опорной для сопряжения волновых фронтов и построения полной требуемой топографии контролируемой детали.

 

 
рис.6 Стенд контроля вторичного зеркала с двумя сферами Хиндла.

 


рис.7 Вторичное зеркало VST.
 
рис.8 Обработка вторичного зеркала.

Когда отклонения формы поверхности гиперболоида становились сравнимыми с отклонениями сферических зеркал, производилось вычитание волновых фронтов сферических зеркал для получения истинной карты формы поверхности гиперболоида. Следует заметить, что контролируемый суммарный волновой фронт включает в себя дважды отраженный волновой фронт гиперболического зеркала и волновой фронт сферического зеркала Хиндла. Поэтому, ошибки контролируемой гиперболы удваиваются по сравнению с ошибками сферического зеркала. Вычитание волновых фронтов сферических зеркал производилось, когда суммарный волновой фронт, дважды отраженный от поверхности гиперболоида, имел ошибку около 0.15 (RMS).

Для финишной доводки поверхностей вторичных зеркал проектов TTL, NOA и VST использовался автоматизированный комплекс3, описанный в предыдущей статье. Финишная доводка вторичного зеркала TTL была выполнена в течение месяца (рис. 8). Получена поверхность с RMS около 11 нм (RMS волнового фронта при однократном отражении 0.035).

На вторичном зеркале NOA ошибка составила RMS=15 нм (0.048 на волновом фронте). Время финишной автоматизированной доводки около 2 месяцев. На вторичном зеркале VST ошибка составила RMS=13 нм. Данное зеркало было наиболее сложным для обработки, поскольку имело асферичность около 100 мкм на диаметре 900 мм.

 

рис.9 Интерферограммы зеркала TTL.

 

рис.10 Интерферограммы зеркала VST.

На рис.5 представлены интерферограммы зеркала NOA, полученные со сферами M 2 и M 3.
На рис.9 приведены интерферограммы вторичного зеркала TTL, полученные со сферами М 2, М 3.
На рис.10 приведены интерферограммы вторичного зеркала VST, полученные со сферами М 1 и М 2.

 

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, показана возможность изготовления высокоапертурного гиперболического зеркала с помощью двух сфер Хиндла. Обработана поверхность вторичного зеркала телескопа TTL диаметром 645 мм с точностью 11 нм RMS. На поверхности зеркала NOA ошибка составила RMS=15 нм. На вторичном зеркале VST ошибка составила RMS=18 нм. Система трех сферических зеркал может быть использована для изготовления подобных высокоапертурных деталей диаметром до 1 м. В настоящее время она используется для изготовления гиперболических зеркал для других проектов.

После изготовления главного и вторичного зеркал определялась суммарная концентрация энергии на оси системы двух зеркал. Для телескопа TTL она составила менее 0.2", для телескопа NOA менее 0.35".

Для системы зеркал VST:
Геометрическая концентрация энергии (80%) на оси, системы двух зеркал, в кружке диаметром 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