eng
Выпуск #4/2022
А. П. Семенов, М. А. Абдулкадыров, В. Е. Патрикеев, А. Б. Морозов, Р. К. Насыров
Методы контроля формы осевых и внеосевых асферических поверхностей с дифракционным оптическим элементом, определением децентрировки и учетом дисторсии при их формообразовании. Часть 1
Методы контроля формы осевых и внеосевых асферических поверхностей с дифракционным оптическим элементом, определением децентрировки и учетом дисторсии при их формообразовании. Часть 1
Просмотры: 1159
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.4.318.327
В АО ЛЗОС уже много лет для контроля поверхностей крупногабаритных оптических деталей астрономического и космического назначения используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) или Computer Generated Holograms (CGH). С их помощью выполняется контроль формы асферических поверхностей, контроль формы внеосевых асферических поверхностей с фиксированием внеосевых параметров и ориентации зеркал, контроль положения вершины асферической поверхности относительно геометрического центра зеркала, учет дисторсии в изображении интерферограмм, контроль взаимной юстировки зеркал в схемах контроля и т. д. Таким образом, ДОЭ стали неотъемлемой частью современного контроля асферических поверхностей крупногабаритных оптических зеркал и оптических систем.
В АО ЛЗОС уже много лет для контроля поверхностей крупногабаритных оптических деталей астрономического и космического назначения используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) или Computer Generated Holograms (CGH). С их помощью выполняется контроль формы асферических поверхностей, контроль формы внеосевых асферических поверхностей с фиксированием внеосевых параметров и ориентации зеркал, контроль положения вершины асферической поверхности относительно геометрического центра зеркала, учет дисторсии в изображении интерферограмм, контроль взаимной юстировки зеркал в схемах контроля и т. д. Таким образом, ДОЭ стали неотъемлемой частью современного контроля асферических поверхностей крупногабаритных оптических зеркал и оптических систем.
Теги: distortion during formation large-sized optical systems synthesized diffraction gratings testing of aspherical surfaces дисторсия при формообразовании контроль асферических поверхностей крупногабаритные оптические системы синтезированные дифракционные решетки
Методы контроля формы осевых и внеосевых асферических поверхностей с дифракционным оптическим элементом, определением децентрировки и учетом дисторсии при их формообразовании. Часть 1
А. П. Семенов1, М. А. Абдулкадыров1, В. Е. Патрикеев1, А. Б. Морозов1, Р. К. Насыров2
АО «Лыткаринский завод оптического стекла», Лыткарино, Моск. обл., Россия
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск, Россия
В АО ЛЗОС уже много лет для контроля поверхностей крупногабаритных оптических деталей астрономического и космического назначения используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) или Computer Generated Holograms (CGH). С их помощью выполняется контроль формы асферических поверхностей, контроль формы внеосевых асферических поверхностей с фиксированием внеосевых параметров и ориентации зеркал, контроль положения вершины асферической поверхности относительно геометрического центра зеркала, учет дисторсии в изображении интерферограмм, контроль взаимной юстировки зеркал в схемах контроля и т. д. Таким образом, ДОЭ стали неотъемлемой частью современного контроля асферических поверхностей крупногабаритных оптических зеркал и оптических систем.
Ключевые слова: контроль асферических поверхностей, крупногабаритные оптические системы, синтезированные дифракционные решетки, дисторсия при формообразовании
Статья получена: 05.04.2022
Статья принята: 04.05.2022
Современные оптико-электронные системы позволяют решать проблемы, которые еще 10–15 лет назад казались недосягаемыми. Во многом это связано с развитием компьютерных технологий приема и передачи информации, совершенствованием устройств на ПЗС-приемниках, созданием лазерных измерительных систем и появлением уникальных технологий контроля формы поверхности с использованием корректоров волнового фронта – дифракционных оптических элементов (ДОЭ или CGH – Computer-Generated Holograms) [1–6], а также усложнением оптических элементов, включая высокоапертурные внеосевые зеркала, контроль и формообразование которых ранее выполнить не представлялось возможным.
Контроль и формообразование асферической поверхности оптической детали с отклонением от осевой симметрии
Для описания процессов контроля и формообразования поверхностей крупногабаритных астрономических зеркал воспользуемся результатами формообразования 4‑х метрового главного зеркала турецкого телескопа DAG (Doğu Anadolu Gözlemevi). DAG – телескоп системы Ричи-Кретьена с активной и адаптивной оптикой, который будет установлен в новой обсерватории, расположенной на горе высотой 3170 м, вблизи Эрзурума в Турции [7–8]. Телескоп имеет фокусное расстояние 56 м и поле зрения 30 угловых минут, два фокуса Несмита. Телескоп включает вогнутое гиперболическое зеркало M1 и выпуклое гиперболическое зеркало M2, плоское зеркало M3, поворачивающее оптическую ось по направлению к двум фокусам Несмита при помощи системы вращения.
Разработкой конструкции и изготовлением телескопа занимается бельгийская фирма AMOS. АО ЛЗОС по контракту с AMOS выполнил работы по изготовлению оптики для данного телескопа. Главное вогнутое гиперболическое зеркало имеет диаметр 4 м, вершинный радиус Rс = 1 4420 мм ± 12 мм (F / 1.80), коническую константу K = –1,006574 ± 0,0004, асферичность 153 мкм на полном диаметре и 139 мкм в световой области, материал зеркала Zerodur фирмы SCHOTT.
Формообразование зеркала включает операции по шлифованию и полированию оптической асферической поверхности. При обработке и контроле зеркала использовалась мембранно-пневматическая оправа, которая удерживала зеркало на 66 опорных интерфейсных элементах [9–11]. Контроль зеркала выполнялся в вертикальном стенде, на верхней площадке которого установлено контрольное оборудование с ДОЭ корректором.
Разгрузка на опорах мембранно-пневматической оправы отличается от разгрузки на штатной оправе телескопа, где задействованы еще дополнительные торцевые интерфейсные элементы и, кроме того, прикладываются различные усилия к каждой опоре.
Разгрузка на мембранно-пневматических опорах рассчитана на то, чтобы равномерно разгрузить зеркало с одинаковыми усилиями, или с одинаковым весом на каждую мембрану. Поэтому необходимо было произвести модельные расчеты деформаций рабочей поверхности зеркала на мембранно-пневматической оправе в сравнении с разгрузкой на штатной оправе и учитывать эту разницу в процессе формообразования [12].
Мембранно-пневматическая оправа обеспечивает погрешности в деформациях формы поверхности зеркала в процессе технологического и аттестационного контроля в пределах, меньших по амплитуде, чем требуемый размах ошибок поверхности обрабатываемого зеркала. Каждая мембранная опора тарируется, чтобы обеспечить одинаковое усилие на зеркало, с точностью менее 10 г, в заданной точке тыльной поверхности зеркала, на каждую опору приходится нагрузка в 65 кг. Оправа снабжена системой автоматической стабилизации положения зеркала при изменении внешних условий (атмосферного давления, влажности) во время контроля, что обеспечивает неизменное состояние формы поверхности с необходимой точностью при повторном контроле. Оправа представлена на рис. 1–2.
В соответствии с результатами моделирования было рассчитано, что если располагать мембраны в точках приложения усилий штатной оправы, то возникают деформации на поверхности, основные из которых расфокусировка, астигматизм, триангулярная кома и сферическая аберрация. Остальные деформации, «следы» от элементов разгрузки – высокочастотные деформации, одинаковые на штатной оправе и на технологической, малы и устраняются в процессе формообразования. Расфокусировка составляет величину 1,5 мкм и вносит ошибку в радиусе всего в 0,12 мм, но и ее можно учесть при формообразовании.
Вычитая смоделированный волновой фронт из получаемого волнового фронта в процессе контроля поверхности зеркала, мы тем самым устраним разницу между разгрузкой на штатной оправе и на технологической при обработке до требований спецификации. Возможные погрешности в моделировании различия в разгрузках зеркала при обработке и при эксплуатации будут скомпенсированы активной системой воздействия на зеркало.
Форма волнового фронта и соответствующая ему интерферограмма, которые необходимо было получить на мембранно-пневматической оправе, представлены на рис. 3–4.
Вычитаемая карта волнового фронта была подтверждена взаимными независимыми расчетами AMOS и ЛЗОС. Также даны требуемые величины ошибок волнового фронта. Т.е. необходимо формообразовать поверхность «свободной формы» (free form) с отклонениями от осесимметричной асферической поверхности. Такую поверхность можно получить только с использованием автоматизированной системы формообразования поверхности малыми инструментами.
Для контроля зеркала использовался ДОЭ корректор, рассчитанный и изготовленный в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск [13–17]. Корректор рассчитан на номинальные параметры зеркала. Схема контроля представлена на рис. 5 [20]. Расстояние от корректора до точки фокуса 1170 мм. ДОЭ преобразует сферический волновой фронт в асферический и работает в автоколлимации. Корректор изготовлен на кварцевой пластине диаметром 102 мм (рис. 6,7). Он имеет рабочую зону диаметром 80 мм и вспомогательную настроечную кольцевую поверхность диаметрами от 82 до 92 мм. Расстояние от голограммы до точки фокуса 1170 мм. Для тестовой проверки ДОЭ корректора изготовлен ДОЭ имитатор на подложке из Астроситалла диаметром 102 мм с рабочей зоной диаметром 92 мм.
Для описания и анализа формы отраженного волнового фронта в настоящее время используются полиномы Цернике или степенные полиномы. Дополнительно определяют степень «гладкости» поверхности, вычисляя среднеквадратичный наклон нормалей к волновому фронту (RMS Slope), который измеряется в угловых секундах. Также могут быть заданы требования на аберрации отраженного волнового фронта, описываемые отдельными членами ряда полиномов Цернике. В частности, на отклонения волнового фронта для зеркала M1 были даны ограничения, представленные в таблице. Вычисленные значения полиномиальных коэффициентов в нанометрах представлены также в таблице.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ
Контроль зеркал на финишной стадии полирования выполняется с использованием ДОЭ. ДОЭ позволяет не только определять форму отраженного волнового фронта контролируемой асферической поверхности, но и положение вершины асферической поверхности и вычислять ее смещение относительно геометрического центра детали. Ранее для этих целей использовался метод контроля с линейным трехточечным сферометром [18–19]. В настоящее время смещение можно определить с помощью ДОЭ. В качестве примера снова рассмотрим главное зеркало DAG M1 диаметром 4 000 мм c соответствующим корректором.
Неравноплечий интерферометр с эталонным сферическим зеркалом и светоделительным кубиком (позиция 1 на рис. 5) содержит ДОЭ 2, 3 – это контролируемая поверхность.
На оптической круглой подложке ДОЭ 4 изготовлена основная дифракционная структура 5, вокруг нее дополнительная фокусирующая кольцевая структура 6, и вторая дополнительная кольцевая центрирующая структура 7 для центрирования ДОЭ относительно интерферометра. Фокусирующая структура 6 располагается в кольце с радиусами от 80,4 до 84,4 мм и центрирующая структура 7 – в кольце с радиусами от 86 до 96 мм. Расстояние от фокуса F объектива 1 до ДОЭ 2 равно 1 170 мм, расстояние от ДОЭ 2 до зеркала 3 L = 14 274 мм.
Точность позиционирования точки, имитирующей вершину асферической поверхности, зависит от точности установки ДОЭ относительно интерферометра. В том случае, когда ДОЭ работает из расходящегося пучка, он юстируется при помощи вспомогательной отражающей центрирующей структуры поверхности ДОЭ. Такая отражающая структура рассчитывается так, что на ней возникает бесконечная полоса, когда ДОЭ точно выставлен относительно интерферометра.
В реальности точка в вершине отображается пятном. Размер пятна определялся по критерию Рэлея 2,44 λL / D, где D – диаметр фокусирующей структуры, а λ = 0,6328 мкм – длина волны интерферометра. Очевидно, что смещение вершины (48 мкм) меньше размера самого пятна (260 мкм). Однако на практике, даже одну полосу сложно стабильно выставить, обычно их может быть три-четыре. Поэтому, смещение вершины необходимо умножить на количество полос. Это верно для небольшого числа полос на интерферограмме. Таким образом, погрешность указанного метода позволяет определить положение вершины зеркала с точностью порядка 300 мкм.
Во время контроля зеркала настраивают и центрируют ДОЭ 2 относительно интерферометра по интерферограмме волнового фронта от центрирующей структуры 7, а также, чтобы светящаяся точка (пятно) 8 от фокусирующей структуры 6 совпадала с геометрическим центром зеркала. Для материализации геометрического центра детали использовался имитатор вершины в виде вставки с перекрестием (рис. 8, 9).
Наличие децентрировки оптической оси рабочей поверхности детали выражается в ассиметричной аберрации комы третьего порядка в отраженном от поверхности волновом фронте. Для синхронизации процесса центрировки оборудования контроля с контролируемой поверхностью и процесса интерферометрического контроля в районе имитатора вершины для наблюдения лазерной точки маркера вершины была установлена видеокамера (рис. 8) с передачей информации по Wi-Fi, что позволило наблюдать одновременно положение маркера вершины и интерференционную картину.
С помощью основной структуры 5 ДОЭ проводился интерферометрический контроль формы асферической поверхности. По смещению светящейся точки 8 (рис. 5) от центра квадрата (рис. 9–11) определялась децентрировка.
Когда во время интерферометрического контроля устраняется децентрировочная кома, по смещению светящегося пятна, имитирующего физическую вершину зеркала, замеряем величину децентрировки (рис. 10). И наоборот, совместив светящееся пятно с положением геометрического центра, определяем величину децентрировочной комы и по ней определяем величину децентрировки (рис. 9–11). В результате определяется величина и направление децентрировки оптической оси по децентрировочной коме (рис. 12, 13).
Смещение оптической оси на 1 мм дает коэффициент комы C3 = 4,05. Величина коэффициента децентрировочной комы по результатам аттестации зеркала составляла С3 = 0,689l, что соответствует величине смещения оптической оси 0,2 мм.
Следует отметить, что в данном случае децентрировка устранялась в процессе формообразования, что требовалось по условиям спецификации. Указанный метод теоретически позволяет определить положение вершины зеркала с точностью порядка 300 мкм, а предложенный способ измерения и устранения децентрировки значительно эффективнее применяемого механического способа измерения с помощью сферометра [18–19].
И еще одно важное преимущество способа по сравнению с указанным выше аналогом: он может использоваться для измерения децентрировки внеосевых асферических деталей, когда на ДОЭ есть несколько фокусирующих структур, с помощью которых выполняют юстировку ДОЭ относительно внеосевой детали и определяют положение оптической вершины, находящейся вне детали, с необходимой точностью.
Таким образом, с использованием специальных фокусирующих структур на ДОЭ можно не только определить смещение оптической оси относительно геометрического центра детали, но и устранить децентрировку в процессе формообразования в соответствии с требованиями спецификации.
В продолжение статьи будут рассмотрены особенности контроля внеосевых асферических поверхностей с ДОЭ и контроль и формообразование внеосевого асферического зеркала.
REFERENCES
Poleshchuk A. G., Matochkin A. E. Lazernye metody kontrolya asfericheskoj optiki. Photonics Russia. 2011;2:38–44.
Полещук А. Г., Маточкин А. Е. Лазерные методы контроля асферической оптики. Фотоника. 2011;2:38–44.
Poleshchuk A. G., Homutov V. N., Matochkin A. E., Nasyrov R. K., CHerkashin V. V. Lazernye interferometry dlya kontrolya formy opticheskih poverhnostej. Photonics Russia. 2016;4: 38–50.
Полещук А. Г., Хомутов В. Н., Маточкин А. Е., Насыров Р. К., Черкашин В. В. Лазерные интерферометры для контроля формы оптических поверхностей. Фотоника. 2016;4: 38–50.
Tom L. Zobrist, James H. Burge, Warren B. Davison, Hubert M. Martin. Measurements of large optical surfaces with a laser tracker. Proc. of SPIE. 2008; 701:70183U1–70183U‑12. DOI: 10.1117/12.789934.
Martin H. M., Burge J. H., Cuerden B., Davison W. B., Kingsley J. S., Kittrell W. C., Lutz R. D., Miller S. M., Zhao C., Zobrist T. Progress in manufacturing the first 8.4 m off-axis segment for the Giant MagellanTelescope. Advanced Optical and Mechanical Technologies in Telescopes and Instrumentation. Proc. SPIE. 2008;7018. DOI: 10.1117/12.789805.
Burge J. H., Kot L. B., Martin H. M., Zehnder R., Zhao C. Design and analysis for interferometric measurements of the GMT primary mirror segments. Proc. SPIE. 2006;6273: 6273-22-16273-22-12. DOI: 10.1117/12.672484.
Martin H. M., Allen R. G., Burge J. H. et al. Production of primary mirror segments for the Giant Magellan Telescope», in Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation. Proc. SPIE. 2014; 9151: 91510J. DOI: 10.1117/12.2057012.
Sahmali A. E., Yesilyaprak C., Sinan K. Yerli S. K., Keskin O. Observatory building design: a case study of DAG with infrastructure and facilities. Proc. SPIE. 2016;9911: 99112S‑1-99112S‑4. DOI:10.1117/12.2234386.
Pirnay O., Lousberg G. et al. DAG 4m telescope: assembly, integration and testing. Proc. SPIE. 2018; 10700, Ground-based and Airborne Telescopes VII, 107001Y (6 July). DOI:10.1117/12.2313476.
Semenov A. P., Abdulkadyrov M. A., Patrikeev A. P., Patrikeev V. E., Pridnya V. V. M1 and M2 mirror manufacturing for ARIES project: current status. Proc SPIE. 2010;7739: 773907. DOI: 10.1117/12.856107.
Semenov A. P. Accomplished the task of production of the primary and secondary mirrors of Devasthal Optical Telescope under the project ARIES (India, Belgium, Russia): fabrication features. Proc SPIE. 2012;8450: 84504R‑1-84504R‑14. DOI: 10.1117/12.924645.
Abdulkadyrov M. A., Semenov A. P. et al. Production of M1, M2 and M3 mirrors for DAG project (Belgium, Russia). Current status. Proc. SPIE. 2018;10706: 1070631-1-1070631-14. DOI: 10.1117/12.2311637.
Abdulkadyrov M. A., Semenov A. P., Dobrikov N. S., Ignatov A. N., Patrikeev V. E. Factors, affectting the mirror figure stability, and methods used to eliminate them. Proc. SPIE. 2020;11451. Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation IV, 114514C‑1–114514C‑8 (). DOI: 10.1117/12.2561085.
Poleshchuk A. G., Korolkov V. P., Nasyrov R. K., Asfour J.-M. Computer generated holograms: fabrication and application for precision optical testing. Proc SPIE. 20087102, 710206. DOI: 10.1117/12.797816.
Poleshchuk A. G. Computer generated holograms for aspheric optics testing. Proc SPIE. 2009; 7133:713333-1-713333-9. DOI: 10.1117/12.821243.
Poleshchuk A. G. Fabrication and application of diffractive optical elements. Proc. SPIE. 2010;7544:75443L‑1-75443L‑12. DOI: 10.1117/12.887434.
Semenov A. P., Abdulkadyrov M. A. et al. Difrakcionnye opticheskie elementy (CGH) dlya kontrolya, yustirovki i pozicionirovaniya asfericheskih poverhnostej astronomicheskih i kosmicheskih zerkal. Kontenant. 2019; 18(4): 72–74.
Семенов А. П., Абдулкадыров М. А. и др. Дифракционные оптические элементы (CGH) для контроля, юстировки и позиционирования асферических поверхностей астрономических и космических зеркал. Контенант. 2019; 18(4): 72–74.
Semenov A. P., Abdulkadyrov M. A. et al. Experience of Computer Generated Holograms (CGH) Application for Testing, Alignment and Positioning of Astronomical and Space Mirrors Aspherical Surfaces. Proc. SPIE. 2019; 11341: 113411L‑1-113411L‑8. DOI: 10.1117/12.2547477.
Semenov A. P. Metod opredeleniya decentrirovki asfericheskoj poverhnosti otnositel’no geometricheskogo centra astronomicheskogo zerkala. Opticheskij zhurnal. 2015; 82(2):43–50. OCIS: 220.0220; 220.0230; 220.4610; 350.1260; DOI: 10.1364/JOT.82.000095.
Семенов А. П. Метод определения децентрировки асферической поверхности относительно геометрического центра астрономического зеркала. Оптический журнал. 2015; 82(2):43–50. OCIS: 220.0220; 220.0230; 220.4610; 350.1260; DOI: 10.1364/JOT.82.000095.
RU Patent 2534815. A method for measuring the decentering of the optical axis of an aspherical surface and a spherometer for implementing the method / Semenov A. P., Patrikeev V. E.
Патент RU 2534815. Способ измерения децентрировки оптической оси асферической поверхности и сферометр для осуществления способа / Семенов А. П., Патрикеев В. Е.
АВТОРЫ
Семенов Александр Павлович, к.т.н., ведущий инженер, АО «ЛЗОС», www.lzos.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORSID ID 0000-0001-8769-8111
Участие: программно-математическая реализация обработки результатов контроля, формообразование асферической оптики, анализ и подготовка технических материалов.
Абдулкадыров Магомед Абдуразакович, к.т.н., помощник главного инженера АО «ЛЗОС», www.lzos.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
Участие: общее руководство, административное сопровождение.
Патрикеев Владимир Евгеньевич, зам. начальника, АО «ЛЗОС»
Участие: математическое моделирование обработки результатов оптического контроля.
Морозов Алексей Борисович, начальник бюро, АО «ЛЗОС».
Участие: разработка и монтаж стенда контрольного оборудования, проведение контроля асферики, разработка методики контроля и его анализа.
Насыров Руслан Камильевич,к.т.н., зав. лаборатории, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск, Россия.
Участие: расчет и изготовление корректоров волнового фронта.
А. П. Семенов1, М. А. Абдулкадыров1, В. Е. Патрикеев1, А. Б. Морозов1, Р. К. Насыров2
АО «Лыткаринский завод оптического стекла», Лыткарино, Моск. обл., Россия
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск, Россия
В АО ЛЗОС уже много лет для контроля поверхностей крупногабаритных оптических деталей астрономического и космического назначения используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) или Computer Generated Holograms (CGH). С их помощью выполняется контроль формы асферических поверхностей, контроль формы внеосевых асферических поверхностей с фиксированием внеосевых параметров и ориентации зеркал, контроль положения вершины асферической поверхности относительно геометрического центра зеркала, учет дисторсии в изображении интерферограмм, контроль взаимной юстировки зеркал в схемах контроля и т. д. Таким образом, ДОЭ стали неотъемлемой частью современного контроля асферических поверхностей крупногабаритных оптических зеркал и оптических систем.
Ключевые слова: контроль асферических поверхностей, крупногабаритные оптические системы, синтезированные дифракционные решетки, дисторсия при формообразовании
Статья получена: 05.04.2022
Статья принята: 04.05.2022
Современные оптико-электронные системы позволяют решать проблемы, которые еще 10–15 лет назад казались недосягаемыми. Во многом это связано с развитием компьютерных технологий приема и передачи информации, совершенствованием устройств на ПЗС-приемниках, созданием лазерных измерительных систем и появлением уникальных технологий контроля формы поверхности с использованием корректоров волнового фронта – дифракционных оптических элементов (ДОЭ или CGH – Computer-Generated Holograms) [1–6], а также усложнением оптических элементов, включая высокоапертурные внеосевые зеркала, контроль и формообразование которых ранее выполнить не представлялось возможным.
Контроль и формообразование асферической поверхности оптической детали с отклонением от осевой симметрии
Для описания процессов контроля и формообразования поверхностей крупногабаритных астрономических зеркал воспользуемся результатами формообразования 4‑х метрового главного зеркала турецкого телескопа DAG (Doğu Anadolu Gözlemevi). DAG – телескоп системы Ричи-Кретьена с активной и адаптивной оптикой, который будет установлен в новой обсерватории, расположенной на горе высотой 3170 м, вблизи Эрзурума в Турции [7–8]. Телескоп имеет фокусное расстояние 56 м и поле зрения 30 угловых минут, два фокуса Несмита. Телескоп включает вогнутое гиперболическое зеркало M1 и выпуклое гиперболическое зеркало M2, плоское зеркало M3, поворачивающее оптическую ось по направлению к двум фокусам Несмита при помощи системы вращения.
Разработкой конструкции и изготовлением телескопа занимается бельгийская фирма AMOS. АО ЛЗОС по контракту с AMOS выполнил работы по изготовлению оптики для данного телескопа. Главное вогнутое гиперболическое зеркало имеет диаметр 4 м, вершинный радиус Rс = 1 4420 мм ± 12 мм (F / 1.80), коническую константу K = –1,006574 ± 0,0004, асферичность 153 мкм на полном диаметре и 139 мкм в световой области, материал зеркала Zerodur фирмы SCHOTT.
Формообразование зеркала включает операции по шлифованию и полированию оптической асферической поверхности. При обработке и контроле зеркала использовалась мембранно-пневматическая оправа, которая удерживала зеркало на 66 опорных интерфейсных элементах [9–11]. Контроль зеркала выполнялся в вертикальном стенде, на верхней площадке которого установлено контрольное оборудование с ДОЭ корректором.
Разгрузка на опорах мембранно-пневматической оправы отличается от разгрузки на штатной оправе телескопа, где задействованы еще дополнительные торцевые интерфейсные элементы и, кроме того, прикладываются различные усилия к каждой опоре.
Разгрузка на мембранно-пневматических опорах рассчитана на то, чтобы равномерно разгрузить зеркало с одинаковыми усилиями, или с одинаковым весом на каждую мембрану. Поэтому необходимо было произвести модельные расчеты деформаций рабочей поверхности зеркала на мембранно-пневматической оправе в сравнении с разгрузкой на штатной оправе и учитывать эту разницу в процессе формообразования [12].
Мембранно-пневматическая оправа обеспечивает погрешности в деформациях формы поверхности зеркала в процессе технологического и аттестационного контроля в пределах, меньших по амплитуде, чем требуемый размах ошибок поверхности обрабатываемого зеркала. Каждая мембранная опора тарируется, чтобы обеспечить одинаковое усилие на зеркало, с точностью менее 10 г, в заданной точке тыльной поверхности зеркала, на каждую опору приходится нагрузка в 65 кг. Оправа снабжена системой автоматической стабилизации положения зеркала при изменении внешних условий (атмосферного давления, влажности) во время контроля, что обеспечивает неизменное состояние формы поверхности с необходимой точностью при повторном контроле. Оправа представлена на рис. 1–2.
В соответствии с результатами моделирования было рассчитано, что если располагать мембраны в точках приложения усилий штатной оправы, то возникают деформации на поверхности, основные из которых расфокусировка, астигматизм, триангулярная кома и сферическая аберрация. Остальные деформации, «следы» от элементов разгрузки – высокочастотные деформации, одинаковые на штатной оправе и на технологической, малы и устраняются в процессе формообразования. Расфокусировка составляет величину 1,5 мкм и вносит ошибку в радиусе всего в 0,12 мм, но и ее можно учесть при формообразовании.
Вычитая смоделированный волновой фронт из получаемого волнового фронта в процессе контроля поверхности зеркала, мы тем самым устраним разницу между разгрузкой на штатной оправе и на технологической при обработке до требований спецификации. Возможные погрешности в моделировании различия в разгрузках зеркала при обработке и при эксплуатации будут скомпенсированы активной системой воздействия на зеркало.
Форма волнового фронта и соответствующая ему интерферограмма, которые необходимо было получить на мембранно-пневматической оправе, представлены на рис. 3–4.
Вычитаемая карта волнового фронта была подтверждена взаимными независимыми расчетами AMOS и ЛЗОС. Также даны требуемые величины ошибок волнового фронта. Т.е. необходимо формообразовать поверхность «свободной формы» (free form) с отклонениями от осесимметричной асферической поверхности. Такую поверхность можно получить только с использованием автоматизированной системы формообразования поверхности малыми инструментами.
Для контроля зеркала использовался ДОЭ корректор, рассчитанный и изготовленный в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск [13–17]. Корректор рассчитан на номинальные параметры зеркала. Схема контроля представлена на рис. 5 [20]. Расстояние от корректора до точки фокуса 1170 мм. ДОЭ преобразует сферический волновой фронт в асферический и работает в автоколлимации. Корректор изготовлен на кварцевой пластине диаметром 102 мм (рис. 6,7). Он имеет рабочую зону диаметром 80 мм и вспомогательную настроечную кольцевую поверхность диаметрами от 82 до 92 мм. Расстояние от голограммы до точки фокуса 1170 мм. Для тестовой проверки ДОЭ корректора изготовлен ДОЭ имитатор на подложке из Астроситалла диаметром 102 мм с рабочей зоной диаметром 92 мм.
Для описания и анализа формы отраженного волнового фронта в настоящее время используются полиномы Цернике или степенные полиномы. Дополнительно определяют степень «гладкости» поверхности, вычисляя среднеквадратичный наклон нормалей к волновому фронту (RMS Slope), который измеряется в угловых секундах. Также могут быть заданы требования на аберрации отраженного волнового фронта, описываемые отдельными членами ряда полиномов Цернике. В частности, на отклонения волнового фронта для зеркала M1 были даны ограничения, представленные в таблице. Вычисленные значения полиномиальных коэффициентов в нанометрах представлены также в таблице.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ
Контроль зеркал на финишной стадии полирования выполняется с использованием ДОЭ. ДОЭ позволяет не только определять форму отраженного волнового фронта контролируемой асферической поверхности, но и положение вершины асферической поверхности и вычислять ее смещение относительно геометрического центра детали. Ранее для этих целей использовался метод контроля с линейным трехточечным сферометром [18–19]. В настоящее время смещение можно определить с помощью ДОЭ. В качестве примера снова рассмотрим главное зеркало DAG M1 диаметром 4 000 мм c соответствующим корректором.
Неравноплечий интерферометр с эталонным сферическим зеркалом и светоделительным кубиком (позиция 1 на рис. 5) содержит ДОЭ 2, 3 – это контролируемая поверхность.
На оптической круглой подложке ДОЭ 4 изготовлена основная дифракционная структура 5, вокруг нее дополнительная фокусирующая кольцевая структура 6, и вторая дополнительная кольцевая центрирующая структура 7 для центрирования ДОЭ относительно интерферометра. Фокусирующая структура 6 располагается в кольце с радиусами от 80,4 до 84,4 мм и центрирующая структура 7 – в кольце с радиусами от 86 до 96 мм. Расстояние от фокуса F объектива 1 до ДОЭ 2 равно 1 170 мм, расстояние от ДОЭ 2 до зеркала 3 L = 14 274 мм.
Точность позиционирования точки, имитирующей вершину асферической поверхности, зависит от точности установки ДОЭ относительно интерферометра. В том случае, когда ДОЭ работает из расходящегося пучка, он юстируется при помощи вспомогательной отражающей центрирующей структуры поверхности ДОЭ. Такая отражающая структура рассчитывается так, что на ней возникает бесконечная полоса, когда ДОЭ точно выставлен относительно интерферометра.
В реальности точка в вершине отображается пятном. Размер пятна определялся по критерию Рэлея 2,44 λL / D, где D – диаметр фокусирующей структуры, а λ = 0,6328 мкм – длина волны интерферометра. Очевидно, что смещение вершины (48 мкм) меньше размера самого пятна (260 мкм). Однако на практике, даже одну полосу сложно стабильно выставить, обычно их может быть три-четыре. Поэтому, смещение вершины необходимо умножить на количество полос. Это верно для небольшого числа полос на интерферограмме. Таким образом, погрешность указанного метода позволяет определить положение вершины зеркала с точностью порядка 300 мкм.
Во время контроля зеркала настраивают и центрируют ДОЭ 2 относительно интерферометра по интерферограмме волнового фронта от центрирующей структуры 7, а также, чтобы светящаяся точка (пятно) 8 от фокусирующей структуры 6 совпадала с геометрическим центром зеркала. Для материализации геометрического центра детали использовался имитатор вершины в виде вставки с перекрестием (рис. 8, 9).
Наличие децентрировки оптической оси рабочей поверхности детали выражается в ассиметричной аберрации комы третьего порядка в отраженном от поверхности волновом фронте. Для синхронизации процесса центрировки оборудования контроля с контролируемой поверхностью и процесса интерферометрического контроля в районе имитатора вершины для наблюдения лазерной точки маркера вершины была установлена видеокамера (рис. 8) с передачей информации по Wi-Fi, что позволило наблюдать одновременно положение маркера вершины и интерференционную картину.
С помощью основной структуры 5 ДОЭ проводился интерферометрический контроль формы асферической поверхности. По смещению светящейся точки 8 (рис. 5) от центра квадрата (рис. 9–11) определялась децентрировка.
Когда во время интерферометрического контроля устраняется децентрировочная кома, по смещению светящегося пятна, имитирующего физическую вершину зеркала, замеряем величину децентрировки (рис. 10). И наоборот, совместив светящееся пятно с положением геометрического центра, определяем величину децентрировочной комы и по ней определяем величину децентрировки (рис. 9–11). В результате определяется величина и направление децентрировки оптической оси по децентрировочной коме (рис. 12, 13).
Смещение оптической оси на 1 мм дает коэффициент комы C3 = 4,05. Величина коэффициента децентрировочной комы по результатам аттестации зеркала составляла С3 = 0,689l, что соответствует величине смещения оптической оси 0,2 мм.
Следует отметить, что в данном случае децентрировка устранялась в процессе формообразования, что требовалось по условиям спецификации. Указанный метод теоретически позволяет определить положение вершины зеркала с точностью порядка 300 мкм, а предложенный способ измерения и устранения децентрировки значительно эффективнее применяемого механического способа измерения с помощью сферометра [18–19].
И еще одно важное преимущество способа по сравнению с указанным выше аналогом: он может использоваться для измерения децентрировки внеосевых асферических деталей, когда на ДОЭ есть несколько фокусирующих структур, с помощью которых выполняют юстировку ДОЭ относительно внеосевой детали и определяют положение оптической вершины, находящейся вне детали, с необходимой точностью.
Таким образом, с использованием специальных фокусирующих структур на ДОЭ можно не только определить смещение оптической оси относительно геометрического центра детали, но и устранить децентрировку в процессе формообразования в соответствии с требованиями спецификации.
В продолжение статьи будут рассмотрены особенности контроля внеосевых асферических поверхностей с ДОЭ и контроль и формообразование внеосевого асферического зеркала.
REFERENCES
Poleshchuk A. G., Matochkin A. E. Lazernye metody kontrolya asfericheskoj optiki. Photonics Russia. 2011;2:38–44.
Полещук А. Г., Маточкин А. Е. Лазерные методы контроля асферической оптики. Фотоника. 2011;2:38–44.
Poleshchuk A. G., Homutov V. N., Matochkin A. E., Nasyrov R. K., CHerkashin V. V. Lazernye interferometry dlya kontrolya formy opticheskih poverhnostej. Photonics Russia. 2016;4: 38–50.
Полещук А. Г., Хомутов В. Н., Маточкин А. Е., Насыров Р. К., Черкашин В. В. Лазерные интерферометры для контроля формы оптических поверхностей. Фотоника. 2016;4: 38–50.
Tom L. Zobrist, James H. Burge, Warren B. Davison, Hubert M. Martin. Measurements of large optical surfaces with a laser tracker. Proc. of SPIE. 2008; 701:70183U1–70183U‑12. DOI: 10.1117/12.789934.
Martin H. M., Burge J. H., Cuerden B., Davison W. B., Kingsley J. S., Kittrell W. C., Lutz R. D., Miller S. M., Zhao C., Zobrist T. Progress in manufacturing the first 8.4 m off-axis segment for the Giant MagellanTelescope. Advanced Optical and Mechanical Technologies in Telescopes and Instrumentation. Proc. SPIE. 2008;7018. DOI: 10.1117/12.789805.
Burge J. H., Kot L. B., Martin H. M., Zehnder R., Zhao C. Design and analysis for interferometric measurements of the GMT primary mirror segments. Proc. SPIE. 2006;6273: 6273-22-16273-22-12. DOI: 10.1117/12.672484.
Martin H. M., Allen R. G., Burge J. H. et al. Production of primary mirror segments for the Giant Magellan Telescope», in Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation. Proc. SPIE. 2014; 9151: 91510J. DOI: 10.1117/12.2057012.
Sahmali A. E., Yesilyaprak C., Sinan K. Yerli S. K., Keskin O. Observatory building design: a case study of DAG with infrastructure and facilities. Proc. SPIE. 2016;9911: 99112S‑1-99112S‑4. DOI:10.1117/12.2234386.
Pirnay O., Lousberg G. et al. DAG 4m telescope: assembly, integration and testing. Proc. SPIE. 2018; 10700, Ground-based and Airborne Telescopes VII, 107001Y (6 July). DOI:10.1117/12.2313476.
Semenov A. P., Abdulkadyrov M. A., Patrikeev A. P., Patrikeev V. E., Pridnya V. V. M1 and M2 mirror manufacturing for ARIES project: current status. Proc SPIE. 2010;7739: 773907. DOI: 10.1117/12.856107.
Semenov A. P. Accomplished the task of production of the primary and secondary mirrors of Devasthal Optical Telescope under the project ARIES (India, Belgium, Russia): fabrication features. Proc SPIE. 2012;8450: 84504R‑1-84504R‑14. DOI: 10.1117/12.924645.
Abdulkadyrov M. A., Semenov A. P. et al. Production of M1, M2 and M3 mirrors for DAG project (Belgium, Russia). Current status. Proc. SPIE. 2018;10706: 1070631-1-1070631-14. DOI: 10.1117/12.2311637.
Abdulkadyrov M. A., Semenov A. P., Dobrikov N. S., Ignatov A. N., Patrikeev V. E. Factors, affectting the mirror figure stability, and methods used to eliminate them. Proc. SPIE. 2020;11451. Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation IV, 114514C‑1–114514C‑8 (). DOI: 10.1117/12.2561085.
Poleshchuk A. G., Korolkov V. P., Nasyrov R. K., Asfour J.-M. Computer generated holograms: fabrication and application for precision optical testing. Proc SPIE. 20087102, 710206. DOI: 10.1117/12.797816.
Poleshchuk A. G. Computer generated holograms for aspheric optics testing. Proc SPIE. 2009; 7133:713333-1-713333-9. DOI: 10.1117/12.821243.
Poleshchuk A. G. Fabrication and application of diffractive optical elements. Proc. SPIE. 2010;7544:75443L‑1-75443L‑12. DOI: 10.1117/12.887434.
Semenov A. P., Abdulkadyrov M. A. et al. Difrakcionnye opticheskie elementy (CGH) dlya kontrolya, yustirovki i pozicionirovaniya asfericheskih poverhnostej astronomicheskih i kosmicheskih zerkal. Kontenant. 2019; 18(4): 72–74.
Семенов А. П., Абдулкадыров М. А. и др. Дифракционные оптические элементы (CGH) для контроля, юстировки и позиционирования асферических поверхностей астрономических и космических зеркал. Контенант. 2019; 18(4): 72–74.
Semenov A. P., Abdulkadyrov M. A. et al. Experience of Computer Generated Holograms (CGH) Application for Testing, Alignment and Positioning of Astronomical and Space Mirrors Aspherical Surfaces. Proc. SPIE. 2019; 11341: 113411L‑1-113411L‑8. DOI: 10.1117/12.2547477.
Semenov A. P. Metod opredeleniya decentrirovki asfericheskoj poverhnosti otnositel’no geometricheskogo centra astronomicheskogo zerkala. Opticheskij zhurnal. 2015; 82(2):43–50. OCIS: 220.0220; 220.0230; 220.4610; 350.1260; DOI: 10.1364/JOT.82.000095.
Семенов А. П. Метод определения децентрировки асферической поверхности относительно геометрического центра астрономического зеркала. Оптический журнал. 2015; 82(2):43–50. OCIS: 220.0220; 220.0230; 220.4610; 350.1260; DOI: 10.1364/JOT.82.000095.
RU Patent 2534815. A method for measuring the decentering of the optical axis of an aspherical surface and a spherometer for implementing the method / Semenov A. P., Patrikeev V. E.
Патент RU 2534815. Способ измерения децентрировки оптической оси асферической поверхности и сферометр для осуществления способа / Семенов А. П., Патрикеев В. Е.
АВТОРЫ
Семенов Александр Павлович, к.т.н., ведущий инженер, АО «ЛЗОС», www.lzos.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORSID ID 0000-0001-8769-8111
Участие: программно-математическая реализация обработки результатов контроля, формообразование асферической оптики, анализ и подготовка технических материалов.
Абдулкадыров Магомед Абдуразакович, к.т.н., помощник главного инженера АО «ЛЗОС», www.lzos.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
Участие: общее руководство, административное сопровождение.
Патрикеев Владимир Евгеньевич, зам. начальника, АО «ЛЗОС»
Участие: математическое моделирование обработки результатов оптического контроля.
Морозов Алексей Борисович, начальник бюро, АО «ЛЗОС».
Участие: разработка и монтаж стенда контрольного оборудования, проведение контроля асферики, разработка методики контроля и его анализа.
Насыров Руслан Камильевич,к.т.н., зав. лаборатории, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск, Россия.
Участие: расчет и изготовление корректоров волнового фронта.
Отзывы читателей
