Главная
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
M2 Secondary Mirror Manufacturing for VISTA Project Печать E-mail

Magomed A. Abdulkadyrov*, Alexey P. Patrikeev, Sergey P. Belousov, Vitaliy V. Pridnya, Vladimir E. Patrikeev, Alexandr N. Ignatov, Andrey V. Polyanchikov,  Alexandr P. Semenov, Yury A. Sharov

JSC “Lytkarino Optical Glass Factory” (LZOS), Lytkarino, 140080, Moscow region, Russia

 

ABSTRACT

 

“LZOS”, JSC has completed the fabrication of M2 Primary mirror for VISTA Project (Visible and  Infrared Survey Telescope for Astronomy). M2 Mirror has diameter 1241mm and hyperbolic figure surface. The Vertex Radius of the Mirror is 4018.81mm (F/0.96), the Conical constant is -5.548792, aspherical value is 306 μm. The Project works results are presented.  

 

Key words: telescopes, optical fabrication, optical testing, aspheres

 

1. INTRODUCTION

 

ОАО “ЛЗОС” завершил работы по изготовлению комплекта оптики для телескопа VISTA. Телескоп VISTA (Visible and  Infrared Survey Telescope for Astronomy) – 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 оснащен альт азимутальной оправой и фокусом Кассегрена. Оптическая схема -  модернизированная система Ричи-Кретьена1.

Изготовленный узел вторичного зеркала включает в себя облегченное зеркало диаметром 1241.5 мм с  выпуклой гиперболической поверхностью  и посадочными местами для системы разгрузки зеркала, и оправу зеркала. Одновременно с зеркалом М2 изготовлен и макет зеркала М2. Основное зеркало и макет зеркала изготовлены из АстроситаллаÒ производства ОАО “ЛЗОС”.  Узел зеркала (зеркало с оправой) крепится к пластине влияния при установке в стенд контроля. Для доставки   зеркала, макета зеркала и оправы  к месту функционирования используются транспортировочные контейнеры, в которые зеркало и оправа устанавливаются с использованием двух ГЗУ, одно ГЗУ  для зеркала и второе для узла зеркала. Для изготовления зеркала используются станки для фрезеровки габаритных размеров и облегченной структуры, станки для шлифовки и полировки поверхности зеркала, включая станки для финишной автоматизированной доводки формы поверхности. Контроль зеркала выполнялся в вертикальном стенде контроля, на площадке которого установлено контрольное оборудование и интерферометры. Контроль формы поверхности осуществлялся в схеме Хиндла  с использованием эталонной сферы диаметром  2420 мм  и радиусом кривизны 2510 мм.

 

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВКИ М2 И  ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

В процессе работ по проекту VISTA M2  изготавливается вспомогательное оборудование для транспортировки  и подъема  заготовки зеркала из Астроситалла® CO-115M2. Для этого были  спроектированы и изготовлены два транспортировочных контейнера (рис. 1,2), в котором  зеркало М2 и макет зеркала М2 перевозились  в Чили, а также контейнеры для оправы зеркала и ГЗУ. Контейнеры снабжены системой амортизации для предотвращения резких вибраций в процессе транспортировки. Для контроля вибраций в контейнере устанавливался пишущий датчик вибраций. Для манипуляций с узлом зеркала М2 и зеркалом М2 были изготовлены ГЗУ. ГЗУ (рис. 3)  используются для установки зеркала на технологическую оправу, в контейнер и в телескоп. Зеркало в процессе контроля и обработки устанавливалось в штатную оправу и окончательное формообразование и доводка зеркала М2, а также контроль выполнялись  в ней.

 

Рис. 1. Два металлических транспортировочных контейнера

Рис. 2. Контейнер с зеркалом на Паранале

 

Рис. 3. ГЗУ для транспортировки зеркала М2

Зеркало представляет собой диск (рис. 4) со сплошной лицевой поверхностью со средней толщиной 18 мм, ужесточенной ребрами с сотовой радиально-кольцевой структурой. Толщина ребер 8 мм. В процессе проектирования проводились оптимизационные расчеты с целью обеспечения заданной массы и габаритов при выполнении технических требований по качеству рабочей поверхности зеркала и изгибным свойствам узла, при опоре на интерфейсе сборки зеркала М2, проводилось определение оптимальных геометрических размеров зеркала и определение расположения радиусов разгрузки. Расчет выполнялся методом конечных элементов. Проведенные расчеты показывают, что конструкция узла М2 удовлетворяет требованиям технического задания  в части сохранности формы рабочей поверхности зеркала в пределах положения оси визирования от 0° до 90° (таблица 1).

 

Таблица  1

Angle position

 

RMS(W)

designed

RMS slope

designed

RMS(W-A)

Designed

0°

27 nm (0.042 l)

0.08”

27 nm (0.042 l)

70°

18 nm (0.028 l)

0.05”

17 nm (0.027 l)

90°

16 nm (0.025 l)

0.05”

15 nm (0.024 l)

D(0°-70°)

22.8 nm (0.036 l)

0.07”

22.2 nm (0.035 l)

 

Максимальная остаточная деформация поверхности зеркала не превышает 27 nm RMS(W) (для положения 0°). Максимальные местные напряжения в зеркале при расчетных нагрузках не превышают величины 4.5 МПа. Смещение зеркала вдоль оптической оси равно dS ОС = 16.5 мкм.  Смещение зеркала поперек оптической оси равно dS Р = 3.8 мкм.  Угол разворота зеркала равен a = 16.2². Низшая собственная частота колебаний конструкции узла М2 равна 40.69 Гц. Масса узла зеркала 232.7 кг а масса самого зеркала М2  119.36 кг. Облегчение зеркала составляет 74% (рис. 4c).

a)

b)

c)

Рис. 4 Облегченное вторичное зеркало M2

 

 

Рис. 5. Вклейка инваровых элементов крепления системы разгрузки.

Рис. 6. Юстировка центрального элемента оправы зеркала

В отверстия тыльной поверхности облегченного зеркала вклеены инваровые элементы крепления радиально-торцевой  разгрузки зеркала (рис. 5). Элементы системы разгрузки зеркала изготовлены и съюстированы с микронной точностью. Только в этом случае могут быть обеспечены необходимые тонкие перемещения узла зеркала в стенде контроля при изготовлении и в   телескопе (рис. 6). Изготовление и юстировка оправы  - процесс весьма трудоемкий и сложный, он занял много времени, чтобы обеспечить стабильность и повторяемость результатов контроля зеркала после  разборки и сборки узла зеркала, а также в процессе проведения виброиспытаний узла зеркала на специальном стенде. Поэтому сборка оправы зеркала и установка зеркала на оправу выполнялась и в присутствии специалистов VPO, чтобы выявить все особенности данного процесса (рис. 7). Вид оправы зеркала с тыльной стороны представлен на рис. 8, а процесс установки зеркала в оправу с помощью ГЗУ представлен на рис. 9. Оправа помещена в специальный кантователь для разворота ее из горизонтального положения в вертикальное и обратно.

Рис. 7. Сборка узла зеркала совместно с представителями VPO.

 

Для контроля зеркала в основном рабочем положении был создан вертикальный стенд, когда узел зеркала установлен оптической осью вниз. Кроме того, для проверки работоспособности системы разгрузки зеркала, выполнялась дополнительная проверка формы поверхности зеркала в стенде с горизонтальным расположением оптической оси. В обоих случаях в стенде контроля использовались сферы Хиндла. Таким образом выполнялась проверка работоспособности радиальных и осевых элементов разгрузки зеркала и оценивалась величина  деформации зеркала в оправе в положении 0° и 90° относительно вертикальной оси.

Рис. 8. Оправа зеркала M2

Рис. 9. Установка зеркала M2 в оправу.

 

 

3. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНТРОЛЬ ВТОРИЧНОГО ЗЕРКАЛА

 

3.1. Спецификация вторичного зеркала  VISTA

Таблица 2

Материал

Форма

Внешний диаметр

Световая апертура

Толщина

Вершинный радиус кривизны

Коническая константа

Экранирование

Асферичность от ближайшей сферы

RMS волнового фронта

RMS наклона волнового фронта

Ситалл CO-115M

Вып. гиперболоид

1241.5 мм

1241 мм

156.6 мм

4018.81 ± 2 мм

-5.548792

350 мм

306  мкм

< 40 nm

< 0.15 arc sec

 

3.2. Особенности контроля вторичного зеркала VISTA

 

Таблица 3

Telescope

M2 Diameter (mm)

Aperture

Max. asphericity

Conical constant

VLT

1120

f/1.77

53

-1.66926

GEMINI

1024

f/1.80

46

-1.618

VST

938

f/1.40

98

-5.421864

VISTA

1241.5

f/0.96

306

-5.548792± 0.001

Главная особенность и сложность в изготовлении зеркала  M2 заключается в его большой апертуре и высокой асферичности (таблица 3). Для сравнения - ближайшие аналоги вторичных зеркал VLT, GEMINI и других проектов имеют асферичность около 40-50 mm. Изготовленное ОАО “ЛЗОС” вторичное зеркало проекта VST3 имеет асферичность 98 mm. Зеркало VISTA M2 имеет асферичность 364 mm и 306 mm с учетом центрального экранирования.

 

 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. Известен способ изготовления большой computer generated hologram (CGH) для контроля выпуклой асферики5,6.  При использовании схемы Хиндла для контроля вторичного зеркала необходимо изготовить и проконтролировать либо одно сферическое зеркало большого диаметра, либо два сферических зеркала меньшего диаметра и использовать метод переналожения3.  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 фронта3.  

 

Основными особенностями контроля вторичного гиперболического зеркала  являются:

-          высокая апертура f/0.96;

-          облегченная конструкция зеркала;

-          обеспечение контроля зеркала в штатной оправе рабочей поверхностью вниз.

Исходя из вышеуказанных требований и анализируя наши возможности, принимается решение совместно с офисом VISTA о контроле формы поверхности в вертикальном стенде с одной сферой Хиндла. Проведенные расчеты по определению параметров сферического зеркала для обеспечения контроля всей поверхности зеркала дали следующие значения: диаметр сферы Хиндла  2420 мм, при радиусе кривизны  R = 2510 мм, что явилось весьма сложной задачей при изготовлении. Но такая сфера была изготовлена и с помощью автоматизированной системы3 доведена до требуемого качества (рис. 10).  На рис. 13 приведена интерферограмма сферы Хиндла для контроля вторичного зеркала в основном положении. RMS(W)=0.088l, за вычетом астигматизма RMS(W)=0.048l. Специальный стенд для контроля зеркала в вертикальной схеме со сферой Хиндла был изготовлен. В стенде выполнялся  контроль формы поверхности как вторичного зеркала (рис. 11), так и  контроль  сферы Хиндла, а также выполнялись измерения вершинного радиуса   R0 и уточнялось значение конической константы К. 

 

Рис. 10. Изготовление сферы Хиндла для контроля зеркала M2 в основном положении: диаметр 2420 мм, R0 = 2510 мм.

 

Рис. 11. Установка зеркала в вертикальный стенд контроля

 

Рис. 12. Контроль узла зеркала M2 в горизонтальной схеме

Механизмы стенда обеспечили 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 выполнялся  дополнительный контроль центральной области зеркала в горизонтальной схеме с имеющейся в наличии от других проектов сферой Хиндла диаметром 1985 мм3 с радиусом кривизны 2710 мм. В этом случае видна область диаметром 892 мм, что составляет 0.72 от полного диаметра зеркала, что достаточно для оценки деформационных свойств системы разгрузки зеркала и общей работоспособности оправы при повороте ее от вертикального до горизонтального положения  (рис. 12). В стенде вертикального контроля сфера Хиндла устанавливалась на специальную мембранно-пневматическую оправу для того, чтобы обеспечить требуемую точность изготовления поверхности и сохранить ее в процессе дальнейшей эксплуатации и контроля вторичного зеркала. Система технологической разгрузки зеркала должна обеспечить  деформационные  изменения формы поверхности зеркала в процессе технологического и аттестационного контроля  в  допустимых пределах,  меньших по амплитуде, чем требуемый размах ошибок поверхности обрабатываемого зеркала.  Мембранно-пневматические элементы оправы выдерживают нагрузку на опору до 100 кг и обеспечивают погрешность разгружающих усилий торцевой разгрузки не более  ±10 г. 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. Технологическая оправа была аттестована на пригодность ее к разгрузке зеркала в процессе контроля формы поверхности.

Рис. 13. Интерферограмма сферы Хиндла для контроля вторичного зеркала в основном положении. RMS(W)=0.088l, за вычетом астигиатизма RMS(W)=0.048l.

 

 

4. ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРШИННОГО РАДИУСА ЗЕРКАЛА

 

Измерение вершинного радиуса и вычисление конической константы выполнялось  прямым методом с помощью нутромера (штихмаса) по схеме, изображенной на рис. 14. Здесь 1, 5 – автоколлимационный микроскоп с объективом (S’F’ = 0), 2 – зеркало M2, 3 – сфера Хиндла, 4 – штихмас.

 

a)

b)

Рис. 14. Схема измерения вершинного радиуса зеркала M2

 

Вначале измеряется отрезок F2 (рис. 14a), затем зеркало M2 выводится из схемы и замеряется отрезок L (рис. 14b).

 

 F2 =A ± DF2, P

где          A – значение отрезка с учетом цены деления эталонного средства измерения

DF2 – границы общей (суммарной погрешности измерений)

P – доверительная вероятность

L =B ± DL, P

где          B – значение отрезка с учетом цены деления эталонного средства измерения

DL – границы общей (суммарной погрешности измерений)

P – доверительная вероятность

Следующие соотношения с учетом правила знаков определяют   значения  R0  и  K = -e2:

L=F1 - F2;  F1 = R0/(1+e); F2 = R0/(1-e)

                                                                   R0 = f(L,F2) = 2F2(L+F2)/(L+2F2)        (1)

                                                               K=f(L,F2) = -(L/(L+2F2)2                         (2)

                                                              s = [(df/dL)2 DL2 + (df/dF2)2 DF22]1/2          (3)

Формула (3) позволяет определить погрешность sR0   и  sK  по результатам измерения фактических значений L и F2, а также величин  DL и DF2.

Используя (1),  (2) и  (3) получим следующие выражения:

sR0 = 2/ (L+2F2)2 ´ (F24DL2 + [(L+F2)2+F22]2DF22)1/2     

   sK = 4L/ (L + 2F2)3 ´ (F2 2DL2 + L2DF22)1/2               

Отсюда следует, что для определения  радиуса при вершине c погрешностью sR0=0.7 мм и достижения погрешности конической константы sK=0.001 необходимо обеспечить  измерения L и F2 с погрешностями DL = 0.1 мм и DF2 = 0.07 мм. Кроме того, необходимо выдерживать  отрезки L и F2 в заданных пределах, чтобы получить  требуемые параметры поверхности R0 и К.

Таким образом, при полировке зеркала не только устранялись ошибки на рабочей поверхности, но и выполнялся дополнительный съем материала для устранения отклонений по радиусу  с целью получения требуемых параметров R0 и К. В результате  были получены следующие значения:

 

Требуемые значения параметров зеркала M2

Полученные значения параметров зеркала M2

R0 = 4018.81 ± 2 мм

R0 = 4018.97

К = -5.548792± 0.001

К = -5.549381

 

5.   ОБРАБОТКА ЗЕРКАЛА И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

 

Обработка рабочей поверхности зеркала включает стадию предварительного формообразования и автоматизированную доводку поверхности.      Процесс предварительного формообразования вторичного  зеркала выполнялся по классической технологии  осевой асферизации с использованием малых инструментов Контроль формы поверхности осуществлялся сферометрами. По измерениям сферометром строился профиль поверхности. Причем из-за значительной крутизны поверхности на краю детали пришлось вводить поправки на дополнительные отклонения сферометра, обусловленные его наклоном к горизонту и возникающему при этом прогибу. После того, как классические методы обработки были исчерпаны, выполнялась обработка поверхности с использованием компьютерного управления инструментами3 (рис. 15). Зеркало имеет значительный градиент асферичности в краевой зоне, и под используемыми инструментами разница между сагиттальным и меридиональным сечениями достигала 20 mm для инструмента диаметром 80 мм, что требует создания особой технологии  для формообразования поверхности4. Поэтому для обработки использовались малые   инструменты и специально разработанные технологические приемы обработки. На рис. 16 приведены интерферограммы волнового фронта: слева до автоматизированной обработки поверхности, справа после автоматизированной обработки с выделением регулярных ошибок и собственной ошибки сферы Хиндла. В заключительных сеансах  обработки собственная ошибка сферы Хиндла (RMS(W) = 0.088l) вычиталась из суммарного волнового фронта. В таблице 4 приведены результаты контроля формы волнового фронта зеркала при однократном отражении от поверхности зеркала M2. Достигнутые результаты представлены в колонке “Vertical  (main) position”.

 

Рис. 15. Программно-управляемое формообразование поверхности.

 

Рис. 16. Интерферограммы волнового фронта: слева до автоматизированной обработки поверхности, справа с выделением регулярных ошибок и собственной ошибки сферы Хиндла.

На стадии близкой к завершению обработки выполнялся контроль зеркала в горизонтальной схеме с целью выявления собственных погрешностей оправы зеркала. Результаты испытаний показали, что  на зеркале появился астигматизм, триангулярная кома, что, естественно, отражает свойства системы разгрузки узла зеркала M2. Появившиеся регулярные ошибки на поверхности зеркала, основной из которых астигматизм (таблица 4, колонка “Horizontal position”), могут быть успешно исправлены воздействием активной системы разгрузки главного зеркала M1.

 

Зеркало после завершения обработки и аттестации было упаковано в контейнер, снабженный системой амортизаторов, а также пишущим датчиком вибраций, и успешно доставлено в обсерваторию Паранал (Чили).

 

В Чили специалисты “ЛЗОС” выполнили контрольную сборку и монтаж узла зеркала (рис. 17). Был проведен весь комплекс намеченных работ по распаковке контейнеров, демонстрации безопасных приемов работ, сборке макета, сборке и разборке всего узла. Эти операции необходимы для сборки и юстировки узла после нанесения отражающего покрытия и в процессе дальнейшего перепокрытия зеркала. Специалистам по эксплуатации телескопа были продемонстрированы все наиболее сложные моменты сборки и юстировки узла зеркала.

Таблица 4

No.

 

Parameter designation

Requirement as per documentation

Actual value

Vertical

(main) position

Horizontal position

1

RMS wavefront error after removal of constant coefficients, focus, decentering coma, nm

 

39

66

2

RMS wavefront error after additional removal of  3rd order spherical aberration coefficients, 3rd order astigmatism, triangular coma, nm

31.6

 

24

16

3

RMS slope wavefront error after removal of constant coefficients, focus, decentering coma, arc sec

 

0.187

0.115

4

RMS slope wavefront error after additional removal of  3rd order spherical aberration coefficients, 3rd order astigmatism, triangular coma, arc sec

0.13

 

 

0.119

0.064

 

 

Рис. 17. Сборка узла зеркала в обсерватории Паранал (Чили)

 

 

6. CONCLUSION

 

Разработана, рассчитана модель и изготовлен узел вторичного зеркала M2, который включает в себя облегченное зеркало из АстроситаллаÒ, макет зеркала и оправу зеркала.  Разработанная технология и оборудование позволили выполнить операцию по приклейке элементов системы разгрузки зеркала. Изготовлены контейнеры и грузозахватные устройства для манипуляций с зеркалом, макетом зеркала и оправой. Разработанные и реализованные  методы контроля вторичного зеркала проекта VISTA диаметром 1241 мм (асферичность 306 мкм) позволили выполнить контроль формы поверхности высокоапертурного зеркала (f/0.96) и успешно его обработать с требуемой точностью. Разработанный технологический процесс формообразования зеркала позволил выполнить доводку зеркала с высокой апертурой.

 

ACKNOWLEDGEMENTS

 

Авторы выражают глубокую признательность коллективу проекта VISTA (Великобритания) за предоставленную возможность участия в проекте и критический анализ материалов в процессе работы над проектом.

 

 

REFERENCES

 

1.       A. M McPherson, A. Born,  W. Sutherland, et al. VISTA: Progect status.  Proceedings of  SPIE, 6267, pp. 626707-1 – 626707-12,  2006.

2.       M. A. Abdulkadyrov, A. N. Ignatov, V. E. Patrikeev, V.V. Pridnya, A.V. Polyanchikov, A. P. Semenov, Y. A. Sharov, E. Atad-Ettengui, I.Egan, R.J. Bennet, S.C. Craig, M1 and M2  mirrors manufacturing  for VISTA telescope. Proceedings of  SPIE, 5494, pp. 374-381, 2004.

3.       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.

4.       Christian du JEU, Criterion to appreciate difficulties of Aspherical polishing.  Proceedings of  SPIE, 5494-14.

5.       J.H. Burge, Measurement of large convex aspheres. Proceedings of  SPIE, 2871, pp. 362-373, 1996.

6.       B.K. Smith, J.H. Burge, and H. M. Martin. Fabrication of large secondary mirrors for astronomical telescopes. Proceedings of  SPIE, 3134, pp. 51-61, 1997.

 

 
 
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