Главная arrow Поиск
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
Производство заготовок, формообразование, полировка и контроль астрономических зеркал Печать E-mail

М.А. Абдулкадыров*, С.П. Белоусов, А.Н. Игнатов, А.П. Патрикеев, В.Е. Патрикеев, В.В.Придня, А.В. Полянщиков, А.В. Самуйлов, А.П. Семенов, и др.

РЕЗЮМЕ

Производственные мощности ОАО "ЛЗОС" позволяют изготавливать оптику, начиная с отлива и отжига заготовок из Ситалла СО-115М и заканчивая формообразованием и финальной полировкой готовых изделий. ОАО "ЛЗОС" имеет возможности по производству более чем 100 тонн Ситалла в год. В настоящий момент Ситалл широко используется в изготовлении высокоточных астрономических зеркал как на ОАО "ЛЗОС", так и на других компаниях.

В течение 1997 – 2002 годов ОАО "ЛЗОС" изготовил несколько астрономических зеркал, включая первичные зеркала с гиперболической формой поверхности, диаметром 2050 мм (F/3) и два вторичных зеркала диаметром 645 мм (F/2,5) для компании Telescope Technologies Ltd, Великобритания; первичное зеркало 2280 мм (F/2,3) и вторичное зеркало 753 мм (F/2) для телескопа NOA (Астрономический Институт – Национальная обсерватория Афин, Греция); первичное зеркало 2650 мм (F/1,8) и вторичное зеркало 938 мм (F/2,3) с асферичностью 100 микрон для телескопа ВСТ (VLT телескоп наблюдения).

Наше предприятие также изготовило несколько астрономических зеркал диаметром до 1300 мм для ряда европейских стран и США. Среднеквадратичная ошибка качества поверхности всех данных зеркал была в пределах 9 – 12 нм. На предприятии используется процесс автоматизированной обработки формы поверхности, полировки и контроля. Для производства зеркал использовался как Ситалл, так и Церодур (производства компания Шотт, Германия).

В настоящий момент наиболее крупнейшими проектами, осуществляемыми на ОАО "ЛЗОС", являются: производство 96 шестигранных сегментных заготовок размером 1019 мм х 55 м для Главного составного зеркала SALT (Южноафриканский крупный телескоп); Главное и вторичное зеркала для проекта VISTA (Астрономический телескоп наблюдения в видимом и инфракрасном диапазоне (волн)), где Главное зеркало имеет диаметр 4 метра и вторичное – 1,2 м; а также ОАО "ЛЗОС" производит обработку 40 шестигранных сегментов для Главного составного зеркала Мб, габаритами 6,7 м х 6 м по проекту LAMOST (Многоцелевой широкоугольный спектроскопический телескоп).

Ключевые слова: телескопы, оптическая заготовка, оптическое производство, оптический контроль, асфера

* 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

Для создания зеркальных систем телескопов, наземного и космического базирования, ОАО "ЛЗОС" широко использует зеркала, изготовленные из стеклокерамического материала собственного производства Ситалл СО-115М (Астроситалл®, аналог материала Церодур, производства компании Шотт, Германия. Многолетний опыт в производстве оптических компонентов показал надежность и пригодность материала Ситалл для изготовления астрономических и космических приборов, имеющих как монолитную, облегченную и тонкую конфигурацию, так и крупную круглую оптическую и сегментную форму оптических элементов1.

В ОАО "ЛЗОС" накоплен большой опыт по проектированию и изготовлению оптики крупных астрономических телескопов, созданию новых конструкций облегченных зеркал и высокоточному автоматизированному формообразованию оптических асферических поверхностей облегченных, тонких и внеосевых деталей с произвольной конфигурацией внешнего периметра и отверстий2.

Плодотворное и успешное сотрудничество ОАО "ЛЗОС" с фирмой Карл-Цейсс (Йена, Германия) по производству крупногабаритной оптики для ряда европейских стран позволило влиться в процесс изготовления оптики для телескопов 2-3 метрового класса с современными требованиями к качеству поверхности и сложности оптических изделий3,4.

В течение 1997-2001 г. OAO "ЛЗОС" изготовил 4 главных зеркала с гиперболической поверхностью диаметром 2050 мм и 2 вторичных зеркала диаметром 645 мм из ситалла СО-115М для проекта TTL (Telescope Technologies Limited, Великобритания). Асферичность от ближайшей сферы на главном зеркале около 20 мкм, на вторичном около 12 мкм. RMS волнового фронта главных зеркал около 0.03 (=0.6328 мкм). Аналогичное качество было достигнуто и на вторичных зеркалах.

ОАО "ЛЗОС" изготовил комплект оптики телескопа NOA (Astronomical Institute - National Observatory of Athens, Греция) с главным зеркалом диаметром 2280 мм, вторичным зеркалом диаметром 753 мм и трехлинзовым корректором поля. Асферичность главного зеркала около 40 мкм, вторичного около 26 мкм. Система зеркал главное + вторичное имеет концентрацию энергии 80% в кружке менее 0.3".

В 2001 году закончены работы по изготовлению уникального комплекта оптики для телескопа VST (VLT Survey Telescope, Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli) с главным зеркалом диаметром 2650 мм и вторичным зеркалом диаметром 938 мм с асферичностью около 100 мкм на каждом зеркале. Зеркало телескопа VST является адаптивным и выполнено в виде мениска толщиной 140 мм, отношение толщины зеркала к его диаметру составляет 1:19. В настоящее время изготавливается второе аналогичное зеркало.

В настоящий момент ОАО "ЛЗОС" работает над выполнением нескольких крупных контрактов, среди которых следует выделить изготовление 96 заготовок сегментов главного зеркала проекта SALT (South African Large Telescope)5, зеркала М1 и М2 для проекта VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)6 и 37 сегментов составного зеркала MB проекта LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Spectroscopic Telescope)7,8.

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК КРУПНОГАБАРИТНЫХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ

С 1959 года на ОАО "ЛЗОС" было освоено производство стеклокристаллического материала со сверхнизким КТР - ситалла СО-115М, который по своим оптическим и физико-механическим свойствам является аналогом материала Церодур фирмы Шотт (Германия). В течение всего этого времени проводились многочисленные испытания, подтверждающие стабильность свойств этого материала во времени, на деталях специального назначения Сравнительные свойства ситалла СО-115М с церодуром приведены в таблице 1:

Таблица 1. Свойства ситалла СО-115М и Церодура

материалСиталл СО-115МЦеродур
Средний коэффициент линейногo расширения в диапазоне температур от -60oС до +60o, (К-1)±1.5 x 10-7±1.0 x 10-7 температура от 0oС до +50oС
Показатель преломления (ND)1.5361.542
Плотность (г/см3)2.462.35
Модуль Юнга (МПа)9.2x1049.3x104
Коэффициент Пуассона0.280.24
Удельная теплоемкость (Дж/г x К)0.920.80
Теплопроводность (Вт/м x К)1.181.46
Температуропроводность (м2/с)0.52 x 10-60.72 x 10-6

Технические возможности ОАО "ЛЗОС" позволяют выполнять работы по изготовлению оптических деталей от стадии отлива и отжига заготовок из ситалла до окончательного формообразования. Производственный потенциал ОАО "ЛЗОС" позволяет получить до 100 тонн ситалла в год. В настоящий момент этот материал широко используется для изготовления высокоточных астрономических зеркал как непосредственно на ОАО "ЛЗОС", так и другими фирмами. На приведенных ниже фотографиях показан момент отлива (рис.1) и отбор заготовок из ситалла СО-115М (рис.2).

ОАО "ЛЗОС" обладает производственными мощностями которые обеспечивают полный цикл обработки оптических деталей от навара стекла до получения готовых деталей и включают в себя:

 

  • оборудование для предварительной обработки заготовок - распиловки, кругления, обработки торцев, плоскостей и закладку сфер на заготовках габаритом до 6 метров;
  • оборудование (координатно-расточные, плоскошлифовальные и др. станки), которое обеспечивает получение геометрических размеров с точностью до 10 мкм на заготовках диаметром до 4 м;
  • оборудование для изготовления и автоматизированного формообразования поверхностей крупногабаритных оптических деталей диаметром до 4 метров.

 

 
рис.1 Отлив заготовок из ситалла СО-115М.

Процесс получения требуемых геометрических размеров деталей включает в себя стандартные процедуры распиливания и фрезерования отлитых заготовок на специализированном оборудовании с использованием алмазного обрабатывающего инструмента (рис.3).

 

 
рис.2 Отбор заготовок из ситалла СО-115М.

 
рис.3 Обработка заготовок из ситалла СО-115М.

Наиболее значимым текущем проектом является контракт на поставку 96 шестигранных сегментов габаритами 1019х55 мм для составного главного зеркала телескопа SALT5. Для его успешного выполнения были разработаны и изготовлены интерференционные дилатометры нового поколения9, обеспечивающие погрешность измерений КТР не более 5 х10-9 град С-1. При этом, однородность КТР, измеренная по 18-ти образцам, взятым из различных участков заготовки, не превышала по размаху значения 15 х10-9 град С-1. Распределение значения КТР по 72 изготовленным заготовкам приведено на рис.4. Ряд требований по заготовкам проекта SALT приведены в таблице 2.

Таблица 2. Технические требования на заготовки SALT

Среднее значение КТР0 ± 0.15 x 10-6 K-1
Разница КТР в толщине заготовки 0.015 x 10-6 K-1
Среднее двулучепреломление< 3 nm/cm
Максимальное двулучепреломление< 10 nm/cm

 


рис.4 Распределение среднего значения КТР по 72 заготовкам SALT.

Максимальное двулучепреломление, измеренное на расстоянии 50 мм от края каждой из шести сторон заготовки сегмента должно быть не более 10 нм/см; средняя величина двулучепреломления должна быть не более 3 нм/см.

Заготовки для проекта SALT изготавливались в соответствии с техническими условиями на пузыри и включения. Они должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 3. Процесс изготовления заготовок SALT представлен на рис.5.

 

Таблица 3. Технические требования на включения на заготовки SALT

Требования к пузырям (включениям)Предельное значение пузырей (включений) со средним диаметром более 0.2 мм
Критическая зонаНекритическая зона
Максимальная площадь пузырей (включений), мм2 на 100 см322
Максимальный средний диаметр, мм26
Максимальное среднее число пузырей (включений), шт. на 100 см355

Таким образом, ОАО "ЛЗОС" имеет производственные мощности, технологию и квалифицированный персонал для изготовления заготовок требуемых габаритов, например для проекта OWL. Для обеспечения требуемого количества и графика поставки необходимо развитие мощностей и прежде всего в стекловарении. Произведенные расчеты показывают, что для обеспечения требуемых объемов производства дополнительно необходимо ввести в эксплуатацию 5 ванных печей для навара ситалла и порядка 40 печей для отжига. Следует отметить, что ввод новых печей и станков не потребует строительства дополнительных производственных корпусов и существующая производственная инфраструктура позволяет разместить необходимое оборудование на действующих производственных участках. Предложения ОАО "ЛЗОС" по изготовлению заготовок для проекта OWL приведены в таблице 4. Аналогичным образом могут быть рассмотрены предложения на изготовление заготовок для других проектов зеркал Сверхбольших Телескопов (ELT).

 

 
рис.5 Изготовление шестигранных заготовок для проекта SALT.

 

Таблица 4. Предложения ЛЗОС на технические требования к заготовкам

КТР и двулучепреломление
Среднее значение КТР0±0.15х10-6
Однородность КТРотд.сегм. 0.01х10-6
все сегм. 0.05х10-6
Разница КТР между тыльной и рабочей поверхностями 0.01х10-6
Погрешность измерения КТР 0.005х10-6
Количество образцов на заготовку13
Двулучепреломление, вызванное свилями или включениямив крит.зоне < 25 нм
вне крит.зоны < 50 нм
Знак постоянного напряженияминус
Среднее значение двулучепреломления< 8 нм/см
Максимальное значение двулучепреломления< 15 нм/см
Пузыри/Включения
Средний размер< 5.0 мм
Максимальный размер< 8.0 мм
Макс. кол-во в 10 см-3< 8.0
Среднее кол-во< 0.5 см-3
Макс. кол-во со ср. диаметром > 1 мм, в пределах до 4 мм от рабочей поверхности< 10.0
Макс. размер включения вне критического объема< 20.0 мм

Блок-схема, приведенная ниже, описывает стандартную процедуру производства заготовок сегментов OWL.

Блок-схема техпроцесса изготовления заготовок по проекту OWL

 

Отлив заготовки габаритом 2300 x 450 мм
Предварительный контроль качества материала
Распиловка на заготовки габаритом 2300 x 100 мм
Контроль на пузырность и натяжение, разметка заготовки,
выбор рабочей поверхности
Предварительная опиловка до шестигранника с размером 1850 мм
Шлифование с двух сторон до толщины 80 мм
Фрезерование окончательных габаритных размеров
Изготовление глухого центрального отверстия
Изготовление образцов для контроля КТР
Закладка сферы на рабочей поверхности
Окончательный контроль параметров заготовки,
заполнение сертификата
Упаковка заготовки

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШЕСТИГРАННЫХ СЕГМЕНТОВ ЗЕРКАЛА Mb ПРОЕКТА LAMOST

OAO "ЛЗОС" изготавливает как заготовки оптических деталей, так и готовые изделия из ситалла, церодура и других оптических материалов (рис.6,7).

 


рис.6 Предварительная полировка
оптических деталей.
 
рис.7 Автоматизированная полировка
оптических деталей.

В настоящее время в ОАО "ЛЗОС" выполняются работы по обработке готовых сегментов зеркала Mb для проекта LAMOST (Многоцелевой широкоугольный спектроскопический телескоп, Large Sky Area Multi-Object Spectroscopic Telescope), изготовленных из церодура фирмы Шотт. Телескоп является специальной отражающей системой Шмидта. LAMOST состоит из двух крупногабаритных сегментных зеркал: Пластина Шмидта МА и сферическое главное зеркало МВ. Размеры МВ - около 6.7 м х 6 м, оно состоит из 37 шестигранных сегментов зеркала (рис.8).

 

 
рис.8 Общий вид зеркала MB.

Таблица 5. Спецификация сегментов МВ

МатериалЦеродур
Количество зеркал40 шт
ФормаГексагональная
ПоверхностьВогнутая сфера
Размер по диагонали1100 мм
Толщина75 ± 0.25 мм
Радиус кривизны40000 ± 40 мм
RMS поверхности< 20 нм
P-V< 150 нм
Отклонение радиусов сегментов (от зеркала сравнения)< 1.5 мм

Технологический процесс обработки заготовок включает в себя изготовление окончательных геометрических параметров заготовки (рис.9), шлифование задней базовой поверхности, фрезерование пазов, фасок, изготовление центрального отверстия. Затем выполняется процедура приклейки инварных элементов системы разгрузки сегмента (рис.10), и после окончательной полимеризации приклеенных элементов деталь устанавливается на станок для шлифования и полирования рабочей поверхности зеркала. Полировка сегментов выполняется в термостабилизированном помещении с температурой 22 ± 1 oC.

После проведения сеанса обработки поверхности деталь устанавливается на мембранно-технологическую оправу в стенд контроля. Данная система разгрузки обеспечивает деформационные изменения формы поверхности зеркала в процессе технологического и аттестационного контроля в допустимых пределах, меньших по амплитуде, чем требуемый размах ошибок поверхности обрабатываемого зеркала. 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.


рис.9 Фрезеровка заготовок LAMOST.
рис.10 Приклейка элементов опор разгрузки.

В процессе контроля зеркало устанавливается на 18 опор. Были выполнены расчеты системы разгрузки зеркала с использованием модели зеркала Mb с реальными габаритными характеристиками (размеры, отверстия и пазы). Модель разбита на 9453 элемента типа Solid95. Установка на 18 опор выполняется с давлением 81.3633 Ньютона (8.294 кг). Модель сегмента закреплена от перемещения в трех точках, совмещенных с опорами внутреннего круга опор. Реакция опор не более 0.02 Ньютона (2 грамма). На рис.11 представлена модель разбиения зеркала на элементы и карта отклонений формы поверхности от требуемой. Полученная деформация волнового фронта составила по RMS 0.014 (8.86 нм) и по P-V 0.076 (48 нм).

Основной сложностью обеспечения контроля формы сферической поверхности элементов составного зеркала является большой радиус (40000 мм) и допуск на отступление радиусов всех зеркал ±1.5 мм. Обеспечить заданные требования возможно лишь в вертикальной схеме Физо (рис.12). Применение данной схемы позволит сократить трассу контроля до 10184 мм, а также производить контроль относительно одной поверхности сравнения. Появление при контроле дефокусировки более ±0.5 будет свидетельствовать об отступлении радиуса более чем ±1.5 мм. Основным элементом схемы является линза Физо, одна из поверхностей которой имеет радиус кривизны 40000 ± 20 мм и является поверхностью сравнения. Другая поверхность линзы является гиперболической и служит для направления лучей гомоцентрического пучка по нормалям к сферической поверхности. Измеренный нами КТР материала линзы Физо (Fused silica KV) составил 0.3x10-6K-1.

 

 
рис.11 Расчетная модель и топография отклонений сегмента на мембранно-пневматической разгрузке.

Для реализации схемы разработан и изготовлен специальный стенд контроля (рис.13), который позволяет проводить контроль как линзы Физо, так и сферического элемента составного зеркала. Для контроля сферической поверхности линзы было изготовлено эталонное сферическое зеркало из ситалла СО-115М 1200 мм с радиусом 40000 ± 7 мм. Аттестация зеркала производилась в специальном вертикальном стенде на базе вакуумной камеры высотой 70 м. Интерферограмма линзы Физо, контролируемой со сферическим эталонным зеркалом, представлена на рис.14. RMS волнового фронта менее 0.05, для = 632.8 нм. Контролируемый сегмент устанавливается под линзой Физо на строго фиксированном расстоянии, для того, чтобы обеспечить требуемый допуск на разницу между сегментами в пределах допуска < 1.5 мм.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, ОАО "ЛЗОС" изготавливает как заготовки оптических деталей, в том числе из ситалла СО-115М, так и готовые изделия из ситалла, церодура и других оптических материалов. В ОАО "ЛЗОС" накоплен большой опыт по проектированию и изготовлению оптики крупных астрономических телескопов, созданию новых конструкций облегченных зеркал и высокоточному автоматизированному формообразованию оптических асферических поверхностей облегченных, тонких и внеосевых деталей с произвольной конфигурацией внешнего периметра и отверстий.

 


рис.12 Схема Физо для контроля элементов составного зеркала:
1 - контролируемое зеркало; 2 - линза Физо с эталонной поверхностью;
5,6,8 - элементы интерферометра 3; 4 - ПЗС-камера; 7 - диагональное зеркало.


рис.13 Стенд контроля
сферических сегментов.
 
рис.14 Интерферограмма
эталонной поверхности
линзы Физо.

Наиболее значимым текущем проектом по изготовлению заготовок из ситалла СО-115 М является контракт на поставку 96 шестигранных главного зеркала телескопа SALT. Наиболее значимым текущим контрактом по изготовлению сегментов составного зеркала телескопа является контракт на полировку 40 сегментов для проекта LAMOST, изготовленных из церодура. В настоящее время разработан и смонтирован стенд контроля сегментов и начинается формообразование первых оптических элементов.

Производственный потенциал ОАО "ЛЗОС" при наращивании мощностей позволяет выполнить изготовление заготовок для главных и вторичных зеркал Сверхбольших телескопов (ELT) при наращивании мощностей по навару ситалла СО-115М на имеющихся производственных площадях.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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.
2. 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.
3. M. A. Abdulkadyrov, S. P. Belousov, A. N. Ignatov, V. E. Patrikeev, V.V. Pridnya, A.V. Polyanchikov, V. V. Rumyantsev, A. V. Samuylov, A. P. Semenov, Y. A. Sharov, Manufacturing of primary mirrors from Sitall CO-115M for European projects TTL, NOA and VST. Proceedings of SPIE, 4451, pp. 131-137, 2001.
4. A. P. Semenov, M. A. Abdulkadyrov, S. P. Belousov, A. N. Ignatov, V. E. Patrikeev, V.V. Pridnya, A.V. Polyanchikov, V. V. Rumyantsev, A. V. Samuylov, Y. A. Sharov, Manufacturing of secondary mirrors from Sitall CO-115M for European projects TTL, NOA and VST. Proceedings of SPIE, 4451, pp. 138-144, 2001.
5. J.G. Meiring, D.A.H. Buckley, M.C. Lomberg, R.S. Stobie, Southern African Large Telescope (SALT) Project: Progress and Status after Two Years. Proceedings of SPIE, 4837, pp. 11-25, 2002.
6. A. M McPherson, S. Craig, W. Sutherland, Project VISTA, a review of its progress and overview of the current program. Proceedings of SPIE, 4837, pp. 82-93, 2002.
7. Hongjun Su & Xiangqum Cui, LAMOST project and its current status. Proceedings of SPIE, 4837, pp. 26-35, 2002.
8. X. Gong, X. Cui, H. Chen, X. Ye, R. Zhang, Design and analysis of support system of LAMOST primary mirror. Proceedings of SPIE, 4837, pp. 667-674, 2002.
9. O.V. Ponin, A.A. Sharov, I. Galyavov, T.A. Kompan, J. Swiegers, A. Swat, Demonstrating the suitability of Sitall for the SALT primary mirror. Proceedings of SPIE, 4837, pp. 795-804, 2002.
 
 
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