Главная
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
Интерферометрические методы контроля астрозеркал Печать E-mail

Magomed A. Abdulkadyrov*, Sergey P. Belousov, Vladimir E. Patrikeev, Alexander P. Semenov

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

 

ABSTRACT
 

Since last years and at present days LZOS, JSC has been producing a range of primary mirrors of astronomical telescopes with diameter more than 1m under contracts with foreign companies. Simultaneous testing of an aspherical surface figure by means of a lens corrector and CGH (computer generated hologram) corrector, testing of the corrector using the CGH allow challenging the task of definite testing of the mirrors surfaces figure. The results of successful figuring of the mirrors with diameter up to 4m like VISTA Project (Sothern European Observatory), TNT (Tai National telescope, Australia - Thailand), LCO telescopes (Las Cumbres Observatory, USA) and Russian national projects and meeting these mirrors specifications' requirements are all considered as the sufficient evidence.

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

1. INTRODUCTION

 

Тенденция к увеличению поля зрения современного телескопа путем уменьшения фокусного расстояния, а, следовательно, увеличения апертуры зеркала и величины асферичности поверхностей - характерная особенность последнего времени в области телескопостроения. Современные крупногабаритные оптические системы астрономического и космического назначения включают в себя линзы диаметром до 1 м и зеркала диаметром до 8 метров с асферическими поверхностями в основном второго порядка, с апертурой до f/1 и более, с асферичностью до 17 мм (внеосевое зеркало диаметром 8 м Большого телескопа Магеллана, США). Отсюда усложнение методов контроля таких поверхностей и, как следствие, требования заказчиков использовать два независимых метода контроля формы поверхности для достоверного достижения требований спецификации.

В ОАО «ЛЗОС» для тестирования особо важных астрономических зеркал используются линзовые и зеркальные корректоры волнового фронта, а в качестве второго метода выполняется контроль с использованием дифракционного оптического элемента (ДОЭ) (ДОЭ-корректор или CGH - Computer-generated Hologram). Использование двух корректоров для контроля в значительной степени позволяет исключить ошибки при изготовлении поверхности, особенно со значительной асферичностью. Кроме того, для проверки и аттестации как линзового корректора, так и CGH-корректора используются CGH-имитаторы контролируемого зеркала для проверки самого корректора и определения его собственных ошибок, которые можно учесть при изготовлении поверхности зеркала.

 

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗЕРКАЛА VISTA M1 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРРЕКТОРОВ И CGH-ИМИТАТОРА
 

Главное зеркало проекта VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)1 диаметром 4100 мм имеет значительную асферичность, составляющую 881 мкм, и большую апертуру f/0.98, а также очень высокие требования к точности изготовления оптической поверхности. Именно этим и объясняются основные технологические сложности как процесса контроля формы поверхности зеркала, так и его изготовления. Спецификация зеркала представлена в таблице 1.

Для сравнения в таблице 2 приведены характеристики ряда крупнейших зеркал телескопов последнего времени с характеристиками апертуры и асферичности, чтобы представить сложность изготовления и контроля главного зеркала телескопа VISTA. Наиболее близкими аналогами являются зеркала телескопов MMT, MAGELLAN и LBT, которые имеют подобную асферичность и апертуру, но на большем диаметре.


Таблица 1

Материал

Форма

Внешний диаметр

Диаметр отверстия

Толщина

Световая апертура

Радиус кривизны

Коническая константа

Асферичность от ближайшей сферы

СКО (RMS) волнового фронта

СКО (RMS) наклона волнового фронта

Церодур

Вогнутый гиперболоид

4100 мм

1200 мм

170 мм (мениск)

3960 мм

8094 ± 20 мм

-1.129792± 0.00005

881 мкм

< 40 нм

< 0.06 угл. сек.

Таблица 2
Telescope M1 Diameter (mm)  Aperture Max. asphericity  Conical constant 

VLT

8200  f/1.75 358  -1.004616± 0.003

GEMINI

8100  f/1.78 337  -1.00376± 0.0005

MMT

MAGELLAN

6500 f/1.25 810 Parabolic mirror 

LBT

8400 f/1.14 1300  Parabolic mirror

VISTA

4100  f/0.98 881  -1.129792± 0.00005 

 

 

Из спецификации на зеркало видно, что отступление гиперболической поверхности от вершинной сферы составляет почти 4 мм, что и определяет специфичность средств контроля. Поскольку зеркало является высокоапертурным и контрольное оборудование очень чувствительно к погрешностям изготовления оптики, было принято решение изготовить два корректора волнового фронта принципиально разной конструкции, что могло гарантировать требуемую точность и достоверность изготовления поверхности. Первый корректор является линзовым и содержит три линзы, плоскую пластину с эталонным клином, объектив, преобразующий плоский волновой фронт в сферический и интерферометр типа Тваймана-Грина (рис. 1). Второй корректор зеркально-линзовый, который состоит из четырех зеркальных поверхностей и фокусирующей линзы (рис. 2). Он преобразует сферический волновой фронт в асферический и обратно. Оптические схемы корректоров приведены на рис. 3. Для обеспечения контроля процесса асферизации шлифованием зеркальный корректор работает также в ИК-диапазоне (λ = 10.6 мкм). Переход из ИК- диапазона в видимый в зеркальном корректоре осуществляется заменой коррегирующей линзы. Все компоненты линзового и зеркального корректоров имеют только плоские и сферические поверхности.

Наибольшая сложность при изготовлении корректоров состояла в том, чтобы обеспечить изготовление и измерение параметров линз и зеркал с точностью 2-5 мкм (короткие радиусы поверхностей, толщины линз, разнотолщинность), выставить с такой же точностью воздушные промежутки, убрать наклоны поверхностей в процессе юстировки и получить высокую точность изготовления самих поверхностей.

Важность всех параметров корректора, влияющих на результирующее оптическое качество, настолько высока, что неоднородности в материале линз могут существенно исказить форму получаемого волнового фронта. Поэтому в заготовках линз исследовалась однородность стекла. Результаты определения однородности в заготовках показали, что она лучше, чем 0.3Ч10-6 ё 0.5Ч10-6, что достаточно для выполнения требований спецификации на корректора волнового фронта, с учетом всех остальных допусков на конструктивные параметры корректора, чтобы получить требуемую точность оценки формы волнового фронта главного зеркала.

image

 

image

 

Рис. 1. Линзовый корректор волнового фронта

 

image

 

image

 

Рис. 2. Зеркально-линзовый корректор волнового фронта
 

Несмотря на тщательное измерение всех параметров и выставление воздушных промежутков в корректорах, необходимо было проверить качество волнового фронта корректоров, поскольку все параметры корректора изготавливались на пределе технологических возможностей. Для проверки корректоров Институтом автоматики и электрометрии (Новосибирск, Россия) был успешно изготовлен CGH-имитатор зеркала диаметром 159 мм (рис. 4). Изготовление такого имитатора само по себе является весьма непростой задачей.

Результаты первой аттестации линзового корректора волнового фронта с ДОЭ-имитатором показали наличие зональной ошибки 0.212 l rms (l=633 нм, интерферограмма приведена на рис. 3). За вычетом зональной ошибки остаточная ошибка волнового фронта составляет 0.044 l rms.

imageimage

 

Рис. 3. Оптические схемы линзового (слева) и зеркально-линзового (справа) корректоров волнового фронта

 

image

 

image

 

image

 

Рис. 4. CGH-имитатор зеркала Рис. 5. Интерферограмма линзового корректора волнового фронта до и после коррекции параметров сборки.

 

 


image

 

Рис.6. Волновой фронт зеркального корректора с ДОЭ-имитатором

                    

Данная ошибка является результатом погрешностей в измерении радиусов поверхностей линз, толщин линз, измерений воздушных промежутков и т.д. Задача выявления основных параметров, вносящих наибольшую погрешность в собственный волновой фронт корректора весьма сложна и требует большого количества повторных измерений. Поэтому, для устранения данной зональной ошибки был применен способ компьютерного моделирования по программе ZEMAX для того, чтобы скорректировать и минимизировать полученную зональную ошибку корректора. В результате такой коррекции была получена ошибка волнового фронта менее 0.1 l rms (рис.5). Остаточная ошибка корректора вычиталась из суммарного волнового фронта зеркало+корректор, что позволило достичь требуемой точности изготовления поверхности.

Аттестация зеркального корректора для контроля зеркала VISTA M1 была выполнена также с данным имитатором. Интерферограмма полученного волнового фронта представлена на рис.6. Ошибка волнового фронта корректора, проконтролированного с CGH-имитатором составила 0.112 l rms (l=633 nm). С помощью CGH-имитатора и полученной картины волнового фронта удалось устранить астигматизм зеркал корректора. Зональная ошибка корректора менее 0.04 l rms. С учетом того, что корректор состоит из двух зеркал достаточно больших габаритов (492 мм и 312 мм) и работает на отражение, а не на просвет, как линзовый корректор, данный результат весьма удовлетворительный. Остаточную ошибку можно также вычитать при контроле главного зеркала. Зеркальный корректор не пришлось корректировать и исправлять, что подтвердило правильность его сборки и аттестации его параметров. Основная проблема с зеркальным корректором - это собственные деформации конструкции корректора, которые оказывали влияние на суммарную форму волнового фронта при переустановке корректора.

Таким образом, контроль формы поверхности двумя корректорами принципиально разной конструкции позволил обеспечить достоверность получаемой формы волнового фронта. Весьма малая зональная ошибка при контроле зеркального корректора с CGH-имитатором свидетельствует о том, что корректор и имитатор собраны и изготовлены правильно, а наличие зональной ошибки в первоначальном контроле линзового ькорректора с CGH-имитаторм как раз указало на наличие ошибок в линзовом корректоре, которые были успешно исправлены.

image

image

Рис. 7. Интерферограммы волнового фронта: слева с выделением регулярных ошибок и собственной ошибки корректора волнового фронта, справа реальная интерферограмма на малом количестве полос.

На рис. 7 приведены интерферограммы волнового фронта: слева с выделением регулярных ошибок, дисторсионного искажения изображения корректора и собственной ошибки корректора волнового фронта, полученная по результатам построения карты поверхности, а справа реальная интерферограмма на малом количестве полос. На ней видна остаточная расфокусировка и зональная ошибка, эквивалентная остаточной зональной ошибке линзового корректора волнового фронта, которая вычиталась из суммарного волнового фронта. Ввод телескопа VISTA в строй действующих телескопов с декабря 2009 г. и отличные результаты наблюдений подтверждают правильность выбранной методики контроля и достоверность полученных результатов в соответствии со спецификацией.

 

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗЕРКАЛА TNT С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ КОРРЕКТОРОВ

 

Зеркало телескопа TNT (Thai National Telescope - тайский национальный телескоп, изготавливаемый фирмой EOS Technology, США и Австралия) диаметром 2.4 м имеет следующие параметры (таблица 3):


Таблица 3

Материал

Форма

Внешний диаметр

Диаметр отверстия

Толщина

Световая апертура

Радиус кривизны

Коническая константа

Асферичность от ближайшей сферы

Размах (P-V) волнового фронта

СКО (RMS) волнового фронта

Размах (P-V) наклона волнового фронта

Астроситалл

Вогнутый гиперболоид

2400 мм

310 мм

150 мм (мениск)

2350 мм

7200 ± 10 мм

-1.0134 ± 0.0005

168 мкм

< 200 нм

< 50 нм

< 5 микро радиан

 

Для контроля отраженного волнового фронта зеркала использовались два корректора: линзовый корректор (изготовлен в ОАО «ЛЗОС», рис. 8) и CGH-корректор (рис. 10), а для проверки обоих корректоров был изготовлен CGH-имитатор зеркала (рис. 9). Корректор и имитатор рассчитаны и изготовлены Институтом автоматики и электрометрии СО АН (Новосибирск).

После предварительной сборки линзового корректора контроль его волнового фронта показал наличие зональной ошибки примерно в 2.5 кольца (рис. 11). После переаттестации всех параметров корректора была обнаружена ошибка в воздушном промежутке между линзами. После исправления данной ошибки и повторной юстировки корректора были получены удовлетворительные результаты (рис. 11). Аналогичным образом был выполнен контроль CGH-корректора с CGH-имитатором (рис. 12). По результатам аттестации корректоров с голограммным имитатором получены значения среднеквадратичного волнового фронта RMS WFE = 0.039l (l=632.8 нм) для линзового корректора и RMS WFE = 0.029l для голограммного корректора. Следует учесть, что остаточные ошибки корректоров волнового фронта учитывались при контроле зеркала на финишной стадии обработки и остаточная погрешность определялась погрешностью формы поверхности подложки, на которой изготовлен CGH-имитатор.

Следует отметить, что в волновом фронте корректоров присутствует осевая дисторсия, т.е линейные отрезки вдоль радиального направления на интерферограмме имеют различные размеры в зависимости от расстояния до центра детали. В зависимости от того, предфокальное или зафокальное изображение строится, искажения имеют разный вид. В линзовом корректоре линейные отрезки вдоль радиального направления уменьшаются к внешнему краю детали, а в CGH-корректоре наоборот увеличиваются (рис. 13). В результате с линзовым корректором хорошо видны ошибки на поверхности детали в центральной зоне и сжимаются в краевых зонах детали, а с CGH-корректором наоборот, подробно просматриваются ошибки в краевых зонах детали. Таким образом, используя два корректора для контроля формы поверхности можно более детально описать локальные ошибки в краевых зонах и в зоне центрального отверстия и успешно устранить эти ошибки формы на поверхности в процессе полировки. При этом в процессе построения карты отклонений поверхности необходимо пересчитывать их геометрическое расположение на этой поверхности, привязывая их к истинному положению. Дисторсионные искажения можно исправить и дополнительной оптической системой за корректором волнового фронта, но в этом случае могут возникнуть дополнительные погрешности в определении формы поверхности, и требуется расчет и изготовление дополнительного объектива. Математический учет дисторсии упрощает данную ситуацию.

image

image

 

Рис. 8. Линзовый корректор волнового фронта для контроля зеркала (схема, корректор в составе интерферометра)
image

 

 

image

 

Рис. 9. ДОЭ-имитатор для проверки корректоров волнового фронта.

image

 

image
Рис. 10. ДОЭ-корректор волнового фронта для контроля зеркала (схема, корректор в составе интерферометра и внешний вид самого корректора.
image

 

image

 

image

 

Рис. 11. Интерферограммы линзового корректора с использованием CGH-имитатора до коррекции и после коррекции параметров линзового корректора Рис. 12. Интерферограмма CGH-корректора с CGH-имитатором 

image

image

Рис 13. Искажения линейных отрезков на изображении детали за счет дисторсии в линзовом и голограммном корректорах волнового фронта

Рис. 13. Финишные интерферограммы волнового фронта изготовленного зеркала, полученные с линзовым (вверху) и с ДОЭ-корректором (внизу) 
   

 

По итогам финишного контроля зеркала двумя корректорами получены следующие результаты.

Линзовый корректор волнового фронта:

RMS WFE (RMSволнового фронта) = 0.054 l

RMS Slope(RMS наклона нормалей волнового фронта) = 0.102 arc sec;

Max Slope(Максимальный наклон нормали волнового фронта) = 0.83 arc sec= 4.02 micro-radians

CGH-корректор:

RMS WFE = 0.049;

RMS Slope = 0.85 arc sec;

Max Slope= 1.03 arc sec = 5.0 micro radians

 

4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗЕРКАЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ С РАЗЛИЧНЫМИ КОРРЕКТОРАМИ И ИМИТАТОРАМИ ЗЕРКАЛ

 

Использование при контроле формы поверхности зеркала комбинированного метода с линзовым корректором и CGH-корректором, или проверка линзового корректора с CGH-имитатором успешно используется в ОАО ЛЗОС. Причем корректоры используются как для полированных поверхностей, так и для шлифованных.

С помощью CGH-имитатора зеркал был протестирован корректор волнового фронта, предназначенный для контроля 3-х главных зеркал диаметром 2050 мм для Las Cumbres Observatory (США). В настоящее время ОАО ЛЗОС ведет изготовление 23-х комплектов оптики также для Las Cumbres Observatory с главными облегченными зеркалами из боросиликата диаметром 1 м (рис. 15). Линзовый корректор волнового фронта также был протестирован с помощью CGH-имитатора, чтобы была уверенность в достоверности получаемых параметров главного зеркала с учетом того, что это большая серия зеркал телескопов.

Корректоры используются также и для шлифованных поверхностей. Зеркальный корректор для ИК-диапазона (l=10.6 µm), например, использовался для автоматизированной асферизации главных зеркал проектов VST3 и VISTA2,4. Корректор для контроля процесса шлифования на базе CGH в настоящее время используется для контроля зеркала проекта ARIESM1 диаметром 3700 мм. Он имеет диаметр 136 мм и центральное отверстие для прохождения сферического волнового фронта от интерферометра. Волновой фронт дважды отражается от поверхности зеркала в результате чего ошибки волнового фронта удваиваются.

image

image

Рис. 14. CGH-корректор для контроля главного зеркала в ИК-диапазоне

 

Дополнительный контроль шлифованных поверхностей может быть также выполнен механическим способом с помощью 6-координатной измерительной машины KIM-1400, российского производства (Saratov, Russia), дающей точность отклонений от требуемой асферической поверхности в 2-3 µm (рис. 15). Использование такой машины для измерений и построение карты поверхности весьма эффективно для процесса шлифования и особенно для асферизации внеосевых оптических деталей.

Таким образом, комбинированное использование корректоров волнового фронта и измерительных машин на стадии управляемого процесса шлифования оптических деталей ускоряет процесс асферизации крупногабаритной оптики, а использование линзовых корректоров и CGH-корректоров волнового фронта для полированных поверхностей в дополнении с CGH-имитаторами зеркала позволяет гарантированно получить требуемые параметры асферической поверхности (вершинный радиус, коническая константа и т.д.) с требуемыми допусками в соответствии с о спецификацией.

image

Рис. 15. измерительная машина KIM-1400

5. CONCLUSION

 

Развитие мировой технологии обработки и контроля современных крупногабаритных оптических зеркал позволяет выполнять формообразование с высокой точностью зеркал с апертурой до f/1 и более и с асферичностью до 1 мм при диаметре до 8 метров (а в проекте Giant Magellan Telescope и до 17 мм при диаметре внеосевого зеркала 8 м). Изготовление таких зеркал возможно при наличии контрольной оптики, которая изготавливается с высочайшими точностями, измеряемыми микронами в отклонениях радиусов линз и воздушных промежутков. Наличие альтернативного метода контроля крайне необходимо в этом случае. Одновременный контроль формы поверхности линзовым и CGH корректорами, проверка корректора с помощью CGH-имитатора, позволяют решить данную задачу и результаты успешной обработки зеркал диаметром до 4 м для проектов VISTA (Южная Европейская обсерватория), TNT и Las Cumbres Observatory (США), российских проектов до требований спецификации достаточное тому подтверждение.

 

ACKNOWLEDGEMENTS

 

Авторы выражают глубокую благодарность специалистам «Института автоматики и электрометрии СО АН» и особенно д.т.н., заведующему лабораторией Полещуку А.Г. и Насырову Р.К. за плодотворное сотрудничество, оптические расчеты и изготовление CGH для данных и других проектов, выполненных и выполняемых в ОАО «ЛЗОС».

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. 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. M. A. Abdulkadyrov, A. P. Patrikeev, S.P. Belousov, A.P. Semenov, V. E. Patrikeev, A. N. Ignatov, A.V. Polyanchikov, V.V. Pridnya, Y. A. Sharov, A.G. Poleshchuk , R.K. Nasyrov, M1 primary mirror manufacturing for VISTA project. Proceedings of SPIE, 7018, pp. 701804, 2008.

*Correspondence: e_mail: Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script ;'; document.write( '' ); document.write( addy_text24805 ); document.write( '<\/a>' ); //-->\n Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script Telefone: 007 495 552 1547; Fax: 007 495 552 1547; http://www.lzos.ru

 
 
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