Главная arrow Поиск
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
Интерференционные методы производственного контроля оптических поверхностей зеркал телескопов 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

OAO "ЛЗОС" выполняет изготовление астрономических зеркал от стадии изготовления заготовки до получения готового астрономического зеркала. В течение 1997-2002 г. OAO "ЛЗОС" изготовил серию астрономических зеркал по контракту с Карл-Цейсс (Германия) диаметром до 2.6 м с асферичностью до 100 мкм. Для контроля формы вогнутых поверхностей используются линзовые и зеркально-линзовые корректора волнового фронта специальной конструкции. Для контроля выпуклых гиперболоидов используется схема Хиндла, причем для высокоапертурных гиперболоидов используются две сферы Хиндла для контроля одного зеркала. В настоящее время разработаны схемы контроля для высокоапертурных поверхностей главного (диаметр 4100 мм, асферичность около 881 мкм) и вторичного (диаметр 1240 мм, асферичность около 364 мкм) зеркал проекта VISTA, а также схема Физо для контроля сегментов составного зеркала Mb проекта LAMOST.

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

Интерференционные методы контроля зеркал телескопов при их изготовлении и аттестации применяются в ОАО "ЛЗОС" не одно десятилетие для определения отступлений поверхности и получения количественной оценки этих отступлений1,2. При этом контроль плоских, сферических, асферических (вогнутых, выпуклых) оптических поверхностей выполняется от стадии шлифования до стадии финишной доводки зеркала. Для каждого вида поверхности разрабатывается и реализуется свой метод контроля.

2. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНТРОЛЬ ГЛАВНЫХ ЗЕРКАЛ

В период с 1997 года ЛЗОС изготовил ряд главных зеркал для различных проектов, в том числе главные зеркала для проектов TTL, NOA и VST3 с диаметром главных зеркал от 2050 мм до 2650 мм4. В настоящее время выполняются работы по изготовлению и контролю главного зеркала проекта VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)7 диаметром 4100 мм. Телескоп VISTA – широкоугольный наземный телескоп 4-метрового класса для проведения наблюдений неба одновременно в видимом и инфракрасном спектрах волн. Телескоп оснащен альт азимутальной оправой и фокусом Кассегрена.

Наиболее сложными из вышеперечисленных являются зеркала проектов VST и VISTA, поскольку они имеют значительную асферичность для данных диаметров главных зеркал и высокие требования к точности изготовления поверхностей.

Базирование главных зеркал при проведении интерференционного контроля осуществляется на мембранно-пневматической технологической оправе в вертикальном стенде контроля4. Оправа мембранно-пневматического типа обеспечивает стабильное состояние оптической детали в процессе контроля. 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.

2.1. Спецификация зеркал VST и VISTA
СпецификацияЗеркало
VSTVISTA
МатериалСиталл CO-115MЦеродур
ФормаВогнутый гиперболоидВогнутый гиперболоид
Внешний диаметр2650 мм4100 мм
Диаметр отверстия600 мм1200 мм
Толщина140 мм (мениск)170 мм (мениск)
Световая апертура2600 мм4020 мм
Радиус кривизны9509 ± 4 мм8094 ± 20 мм
Коническая константа-1.139899-1.129792
Асферичность от ближайшей сферы105 мкм881 мкм
Концентрация энергии (80%) с выделением регулярных ошибок< 0.15 arc sec-
RMS волнового фронта-< 40 nm
RMS наклона волнового фронта-< 0.06 arc sec
2.2. Контроль главного зеркала VST

В процессе выполнения асферизации (шлифованием) поверхности главного зеркала VST использовался ИК-интерферометр с СО2-лазером ( = 10.6 мкм) и зеркальный корректор волнового фронта (рис.1). Зеркальный корректор волнового фронта представляет собой трехзеркальную оптическую систему. Поверхности всех зеркал сферические. На стадии финишной доводки контроль производился с использованием линзовых корректоров волнового фронта. В качестве интерферометра используется интерферометр Тваймана-Грина. Полученные интерферограммы регистрируются с помощью камеры с ПЗС-приемником. Несмотря на большую величину асферичности удалось рассчитать и изготовить компактную двухлинзовую оптическую систему c нулевой апертурой корректора волнового фронта. Диаметр входного параллельного пучка не более 20 мм (рис.2).

 

рис.1 Контроль формы поверхности VST c ИК-интерферометром.

 

рис.2 Корректор волнового фронта и интерферометр для контроля главного зеркал VST. 80% energy concentration in a diameter 0.12 arc sec after removal of the coefficients 3rd order spherical aberration, 3rd order astigmatism, triangular coma, quadratic astigmatism.

2.3. Особенности контроля зеркала проекта VISTA

Как видно из спецификации на зеркало, отступление гиперболической поверхности от вершинной сферы составляет почти 4 мм, что и определяет специфичность средств контроля. Решить задачу контроля с помощью двухлинзовой системы корректора (как для VST) не удалось. В результате анализа была рассчитана трехлинзовая система корректора волнового фронта (рис. 3). Для обеспечения контроля процесса асферизации шлифованием, а также для получения более надежной информации о поверхности был рассчитан зеркально-линзовый корректор волнового фронта, работающий как в ИК-диапазоне ( = 10.6 мкм), так и на длине волны =0.6328 мкм (рис. 3) Все компоненты линзового и зеркально-линзового корректоров имеют только плоские и сферические поверхности. Компоненты линзового корректора также обладают тем свойством, что некоторые из них могут контролироваться попарно. Это позволяет выполнить дополнительную проверку качества изготовленных линз корректора. Переход из ИК-диапазона в видимый в зеркально-линзовом корректоре осуществляется заменой коррегирующей линзы.

На главном зеркале была получена концентрация 80% энергии в кружке рассеяния диаметром менее 0.15 arc sec и RMS волнового фронта < 20 нм. Для повышения достоверности результатов контроля был изготовлен второй корректор с учетом предварительно измеренного фактического вершинного радиуса зеркала. На рис.2 приведена конечная итерферограмма главного зеркала VST.

Погрешность изготовления обоих корректоров достаточна для достижения требований спецификации RMS волнового фронта < 40 нм.

 

 

рис.3 Схема контроля зеркала с линзовым и зеркально-линзовым корректором.

3. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНТРОЛЬ ВТОРИЧНЫХ ЗЕРКАЛ

3.1. Спецификация вторичных зеркал VST и VISTA

Также, как и для главных зеркал, наиболее сложными в изготовлении были вторичные зеркала VST и VISTA.

характеристиказеркало
VSTVISTA
МатериалСиталл CO-115MСиталл CO-115M
ФормаВып. гиперболоидВып. гиперболоид
Внешний диаметр938 мм1241.5 мм
Экранирование176 мм350 мм
Толщина130 мм156.6 мм
Световая апертура900 мм1241 мм
Радиус кривизны4374.46 ± 2 мм4018.81 ± 2 мм
Конич. константа-5.421864-5.548792
Асферичность от ближайшей сферы94 мкм364 мкм
Концентрация энергии (80%) с выделением регулярных ошибок< 0.15 arc sec-
RMS волнового фронта-< 40 nm
RMS наклона волнового фронта-< 0.15 arc sec

3.2. Схемы контроля вторичных зеркал TTL, NOA, VST

Для контроля выпуклых гиперболических поверхностей наиболее распространенными являются схемы Физо и схемы Хиндла. Реализация схемы Физо требует изготовления дополнительной линзы диаметром несколько большим контролируемой детали с эталонной асферической поверхностью. Изготовление эталонной асферической поверхности требует применения специальных средств и схем контроля данной поверхности. При этом качество такой поверхности должно быть не хуже требуемого качества вторичного зеркала. При наличии в изготовлении одновременно нескольких вторичных зеркал с близкими параметрами, такое решение могло оказаться технически трудоемким и дорогостоящим.

При использовании схемы Хиндла для контроля вторичного зеркала необходимо изготовить и проконтролировать только одно сферическое зеркало, кроме того, в процессе контроля от сферы Хиндла отражение происходит один раз, а от контролируемой поверхности дважды. Это свойство схемы позволяет более детально анализировать ошибки на вторичном зеркале. При необходимости ошибки сферической поверхности могут вычитаться из суммарного волнового фронта.


рис.4 Схема контроля зеркала проекта VST.


рис.5 Стенд контроля вторичных зеркал с двумя сферами Хиндла.

В некоторых случаях может оказаться, что контрольная сфера имеет очень большой диаметр. Поэтому для контроля вторичных зеркал телескопов TTL, NOA и VST был разработан метод контроля каждого гиперболоида с помощью двух сфер Хиндла5.

На рис.4 приведена схема контроля вторичного зеркала VST с двумя сферами диаметром 1985 мм (R=2708 мм) и диаметром 1640 мм (R=3995 мм). Одна сфера позволяла контролировать внешнюю зону детали, а вторая сфера – внутреннюю часть детали. Общая зона перекрытия при контроле составляла не менее 300 мм. Восстановление топографии поверхности производилась по специально разработанной методике5. Для реализации такой схемы был разработан, изготовлен и смонтирован специальный стенд (рис.5). Стенд позволил за одну установку зеркала провести контроль поверхности на всей апертуре.

Для повышения достоверности результатов контроля производилось вычитание волновых фронтов сферических зеркал, когда суммарный волновой фронт, дважды отраженный от поверхности гиперболоида, имел ошибку около 0.15 (RMS). На рис.6 приведены интерферограммы вторичного зеркала VST. На вторичном зеркале VST ошибка составила RMS=13 нм.

 

 

рис.6 Интерферограммы зеркала VST. 3.3. Особенности контроля вторичного зеркала VISTA

Основными особенностями контроля вторичного гиперболического зеркала (рис.7) являются:

 

  • высокая апертура D/f1 = 1/1;
  • облегченная конструкция зеркала;
  • недостаточная зона перекрытия при контроле с имеющимися на "ЛЗОС" сферами Хиндла;
  • обеспечение контроля зеркала в штатной оправе рабочей поверхностью вниз.


рис.7 Узел вторичного зеркала VISTA.


рис.8 Горизонтальная схема Хиндла.

Исходя из вышеуказанных требований, принимается решение совместно с офисом VISTA о контроле формы поверхности в вертикальном стенде с одной сферой Хиндла диаметром 2420 мм (R = 2510 мм). Для этого проведены расчеты и определены параметры сферического зеркала, обеспечивающие контроль поверхности на всей апертуре. Разработана конструкция и изготавливается специальный стенд (рис.9), реализующий вертикальную схему Хиндла. Стенд позволит проводить контроль формы поверхности вторичного зеркала, контроль самой сферы Хиндла, а также R0 и К. Механизмы стенда обеспечат надежное закрепление узла вторичного зеркала, а также все необходимые юстировочные перемещения для совмещения осей вторичного зеркала, сферы Хиндла и интерферометра типа Тваймана-Грина. Для проверки работоспособности оправы будет проведен дополнительный контроль центральной области зеркала в горизонтальной схеме с имеющейся сферой Хиндла диаметром 1985 мм (рис.8).  
рис.9 Стенд контроля
вторичного зеркала VISTA.

4. КОНТРОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ СОСТАВНОГО ЗЕРКАЛА LAMOST

В настоящее время ОАО "ЛЗОС" выполняет работы по изготовлению готовых сегментов зеркала Mb для проекта LAMOST. Телескоп является специальной отражающей системой Шмидта. LAMOST состоит из двух крупногабаритных сегментных зеркал: Пластина Шмидта МА и Сферическое главное зеркало МВ. Размеры МВ - около 6,7м х 6м. МВ состоит из 37 шестигранных сегментов зеркала, изготовленных из церодура фирмы Шотт.

Спецификация сегментов LAMOST
МатериалЦеродур
ФормаГексагональная
ПоверхностьВогнутая сфера
Размер по диагонали1100 мм
Толщина75 мм
Радиус кривизны40000 ± 20 мм
Количество зеркал40 шт
RMS поверхности20 нм
P-V150 нм
Разница в радиусах между сегментами< 1.5 мм

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.10). Применение данной схемы позволит сократить трассу контроля до 10 м, 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.

Для реализации схемы разработан и изготовлен специальный стенд контроля (рис.11), который позволяет проводить контроль как линзы Физо, так и сферического элемента составного зеркала. Линза изготовлена из кварцевого стекла. 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.12.

 


рис.10 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.11 Стенд контроля
сферических сегментов.
 
рис.12 Интерферограмма
эталонной поверхности
линзы Физо.

5. КОНТРОЛЬ ПЛОСКОГО ЗЕРКАЛА ПРОЕКТА GRANTECAN

ОАО "ЛЗОС" выполняет обработку и контроль третичного плоского зеркала эллиптической конфигурации из церодура для проекта GRANTECAN (Испания)8. Габариты зеркала 1520 x 1073 мм. Для контроля плоской поверхности данного зеркала разработан и смонтирован специальный вертикальный стенд, позволяющий контролировать зеркало в схеме Ричи-Коммона под двумя углами падения главного луча. Угловое положение оптической оси интерферометра к плоскости горизонта составляет 60o.

 


рис.13 Стенд вертикального контроля.

1. Интерферометр Тваймана - Грина;
2. Юстировочный стол;
3. Металлоконструкция оптического цеха;
4. Пол - основание оптического цеха;
5. Несущая рама;
6. Платформа с узлом поворота;
7. Узел осевого перемещения эталонного зеркала;
8. Узел поперечного перемещения плоского зеркала;
9. Несущая вилка с узлом поворота плоского зеркала;
10. Зеркало в штатной оправе;
11. Эталонное зеркало 1580 в штатной оправе.

Стенд спроектирован таким образом (рис.13), чтобы обеспечить контроль двух угловых положений зеркала (углы падения главного луча i=30o и i=60o) в одной позиции интерферометра. Это достигается за счет поворота платформы (6) на высокоточных направляющих рамы (5). Погрешность установки верхней базовой плоскости платформы к уровню горизонта ± 12". Погрешность направляющих на базовом диаметре ± 8". Конструкция платформы (6) спроектирована таким образом, чтобы обеспечить минимум деформаций при повороте.

Зеркало (11) разгружено в штанной оправе рычажного типа, разработанной и изготовленной фирмой AMOS. Конструкция узла (8) обеспечивает точное совмещение оптических осей зеркал в поперечном направлении. Узел (9) обеспечивает поворот и фиксацию зеркала M3 в положениях контроля. Поворот осуществляется относительно оси проходящей вблизи поверхности зеркала с целью минимизации перефокусировки интерферометра.

Зеркало в штатной оправе (10) устанавливается в специальных посадочных местах на несущей вилке (9) и крепится тремя болтовыми соединениями. При помощи узла поворота зеркала производится его поворот и фиксация на 1-ю позицию контроля для угла схемы i=30o. Осуществляется интерферометрический контроль поверхности зеркала. При помощи узла поворота зеркала (9) производится его поворот и фиксация для угла схемы i=60o. Затем платформа с установленным зеркалом разворачивается на угол 180o при помощи узла поворота платформы (6) во 2-ю позицию контроля. Осуществляется интерферометрический контроль поверхности зеркала.

Производится обработка данных интерферометрического контроля двух положений схемы Ричи - Коммона. По результатам обработки двух положений контроля находятся отклонения формы поверхности зеркала от идеальной плоскости. Математическим путем выделяются отдельные составляющие общей ошибки, такие как сферическая аберрация, астигматизм, кома и т.д., а также сферичность и локальные ошибки.

6. КОНТРОЛЬ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ШМИДТА

В 2003 году ОАО "ЛЗОС" закончил изготовление оптики для двух систем Шмидта со сферическим зеркалом диаметром около 600 мм (радиус кривизны 1294 мм) и пластиной Шмидта диаметром 424 мм. Пластина Шмидта имеет асферичность около 84 мкм от ближайшей сферы радиусом 19800 мм. Сферическое зеркало и компенсационные элементы изготавливались отдельно, а окончательный контроль и изготовление пластины Шмидта выполнялись в оптической схеме с крупногабаритным объективом, приведенной на рис. 14. Основное достоинство данной оптической схемы в том, что можно проконтролировать целиком весь комплект телескопа в сборе.

 


рис.14 Схема интерферометрического контроля элементов телескопа Шмидта.

1. He-Ne Лазер;
2. Светоделитель;
3. Поворотное зеркало;
4. Поворотное зеркало + микрообъектив (A=0.4);
5. Компенсационная пластина;
6. Зеркало телескопа Шмидта;
7. Пластина Шмидта;
8. Объектив коллиматора (D=500, D/F'=1/6);
9. Интерферометр (Установлен в фокусе объектива коллиматора);
10. CCD камера;
11. Пучок лазера рабочей ветви интерферометра;
12. Пучок лазера эталонной ветви интерферометра;
13. Плоский волновой фронт (Интерферометр устанавливается по плоскому образцовому зеркалу).

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Производственный потенциал ОАО "ЛЗОС" и разработки в области оптического интерференционного контроля позволили изготовить главные и вторичные зеркала проектов TTL, NOA и VST с требуемым качеством в соответствие с требованиями спецификации. В частности, изготовленный комплект: главное зеркало диаметром 2650mm (F/1.8) и вторичное зеркало диаметром 938 мм (F/2.3) для проекта VST (VLT Survey Telescope, Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli) имеют геометрическую концентрацию энергии (80%) на оси, системы двух зеркал, в кружке диаметром менее 0.20 arc sec, после удаления коэффициентов константы, наклона расфокусировки и децентрировочной комы. Геометрическая концентрация энергии (80%) на оси, системы двух зеркал, в кружке диаметром 0.12 arc sec, после дополнительного удаления коэффициентов сферической аберрации, астигматизма, триангулярной комы и квадратичного астигматизма.

Разработаны методы контроля главного зеркала проекта VISTA диаметром 4100 мм (асферичность 881 мкм) и вторичного зеркала диаметром 1240 мм (асферичность 364 мкм).

Разработана схема контроля для 40 сегментов составного зеркала Mb проекта LAMOST, имеющих радиус кривизны 40 м и разнорадиусность < 1.5 мм. Смонтирован стенд контроля и изготовлена линза Физо.

Разработана схема контроля для третичного зеркала проекта GRANTECAN с плоской поверхностью. Смонтирован стенд контроля и выполняется доводка поверхности зеркала.

Разработана схема контроля комплекта оптики телескопа с пластиной Шмидта. Смонтирован стенд контроля и выполнен контроль двух комплектов телескопов системы Шмидта.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают глубокую признательность профессору D.T.Puryayev (N.E.Bauman Moscow State Technical University) за расчеты оптических схем контроля, W.Heilemann (Carl Zeiss, Германия) и Пьеру P.Gloesener (Бельгия) за совместные работы по проекту GRANTECAN M3, коллективу проекта VISTA (Великобритания), и особенно Eli Atad-Ettdgui, за предоставленную возможность участия в проекте и критический анализ материалов.

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. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Hongjun Su & Xiangqum Cui, LAMOST project and its current status. Proceedings of SPIE, 4837, pp. 26-35, 2002.
7. A. M McPherson, S. Craig, W. Sutherland, Progect VISTA, a review of its progress and overview of the current programme. Proceedings of SPIE, 4837, pp. 82-93, 2002.
8. F.J. Castro, N. Devaney, L. Jochum, B. Rodquillo, L. Cavaller, The status of the design and fabrication of the GTC Mirrors. Proceedings of SPIE, 4003, pp. 24-33, 2000.
 
 
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