Методы изготовления и контроля уникальной крупногабаритной оптики в ОАО "ЛЗОС"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В ОАО ЛЗОС за последние два десятилетия разработаны компьютерно-управляемые методы обработки крупногабаритной астрономической и космической оптики, которые позволили изготовить зеркала для крупных российских и зарубежных телескопов. Это главное и вторичное зеркала обзорных телескопов VST (VLT Survey Telescope, 2.6 м) и VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, 4 м)1-6,, сеть 17-ти телескопов LGOGT (Las Cumbres Observatory Global Telescope Network) с диаметром главных зеркал 1 м и вторичных диаметром 345 мм3, телескоп TNT (Thai National telescope, Australia - Thailand) с главным зеркалом диаметром 2.4 м7,8, зеркала телескопа DOT ARIES (Devasthal Optical Telescope, DOT, for Aryabhatta Research Institute of Observational Sciences, ARIES) с главным зеркалом диаметром 3.7 м9, Зеркала телескопов SALT и LAMOST10,11. Зеркала этих телескопов имеют значительную асферичность и высокую апертуру, что создает существенные трудности не только при обработке данных зеркал, но и при их контроле. Для успешного изготовления таких оптических элементов необходим контроль процесса производства оптики на всех стадиях обработки, начиная с предварительного шлифования и кончая финишной доводкой.

ОАО ЛЗОС имеет значительный запас заготовок из Астроситалла для изготовления как отдельных зеркал, так и для составных сегментированных зеркал. Технологический процесс обработки заготовок включает в себя изготовление окончательных геометрических параметров заготовки, шлифование задней базовой поверхности, фрезерование пазов, фасок, фрезерование центрального отверстия, и облегченной структуры (рис. 1). Точность изготовления геометрической структуры достигает величины 20 мкм на диаметре до 4000 мм. Фрезерование заготовок осуществляется на станках с программным управлением. Также производится предварительное фрезерование асферической поверхности на деталях с асферичностью более 200 мкм.

Рис. 1. Пример облегченного космического зеркала диаметром 1200 мм. Облегчение около 70%

юстировка оптический асферичность

Для создания управляющей программы обработки рабочей поверхности на стадии шлифования необходима информация о топографии поверхности. Ее можно получить тремя разными способами.

- для деталей диаметром до 1400 мм механическим способом с помощью 6-координатной измерительной машины KIM-1400 российского производства, дающей точность отклонений от требуемой асферической поверхности в 2-3 мкм3;

- для деталей любых размеров, выпуклых и вогнутых, но осесимметричных, применим метод трехточечного линейного сферометра, который успешно используется в настоящее время;

- для деталей произвольной формы, на стадии шлифования может быть использован ИК-интерферометр13 в сочетании с зеркальным корректором волнового фронта. Зеркальный корректор для ИК-диапазона (=10.6 мкм) использовался для автоматизированной асферизации главных зеркал проектов VST и VISTA3.

Как на стадии шлифования, так и на стадии полирования, и особенно на этапе финишной доводки зеркала, оно базируется либо на штатной разгрузке, на которой будет использоваться в телескопе, либо на мембранно-пневматической технологической разгрузке. Так, например, зеркало TNT диаметром 2.4 м обрабатывалось на штатной механической разгрузке, а зеркала VST, VISTA3 на мембранно-пневматической.

Для контроля вогнутых асферических поверхностей на этапе полирования используются линзовые или зеркально-линзовые корректоры волнового фронта или ДОЭ-корректоры (CGH-корректоры-Computer Generated Hologram) c CGH-имитаторами зеркала8,9. Причем CGH-имитаторы зеркала позволяют проконтролировать и линзовый корректор волнового фронта. Такой перекрестный контроль оптической поверхности позволяет избежать ошибок при изготовлении зеркала и получить правильные значения вершинного радиуса и эксцентриситета рабочей поверхности. При этом выполняются измерения радиуса обрабатываемой поверхности с лазерным трекером, что позволяет получить точность в измерениях радиуса до 0.1 мм на длине до 15 метров. Такие методы позволили получить высокоточные зеркала, которые сейчас успешно функционируют в действующих телескопах.

Совершенствование технологии формообразования в настоящее время идет по ряду направлений. Но наиболее эффективными для крупногабаритной оптики в настоящее время являются три способа: компьютерное управление смоляным или синтетическим полирующим инструментом, ионно-лучевая полировка и магнитореологическая полировка. А для деталей диаметром более 2-х метров только первая. Все остальные способы требуют своего дальнейшего развития.

На рис. 2, 3 приведены примеры формообразования оптических деталей малыми инструментами с компьютерным управлением. Для формообразования высокоапертурных зеркал и линз используется станок с заклоном и вращением стола для обеспечения притира инструмента к детали по нормали в вертикальном положении (рис. 5). На нем можно обрабатывать детали диаметром до 1000 мм.

Рис. 2. Процесс полировки зеркала диаметром 6 метров БТА на станке КУ-168АДМ

Рис. 3. Финишная полировка зеркала ARIES диаметром 3700 мм на станке с компьютерным управлением

Для юстировки и согласования положения зеркал в пространстве во время контроля используются гексаподы и лазерный трекер (рис. 4).

Рис. 4. Юстировка оптических элементов с внеосевой асферикой с использованием гексапода и лазерного трекера APIT3

Рис. 5. Финишная полировка зеркала с наклоном стола для обеспечения работы инструмента по нормали к зеркалу

Рис. 6. Интерферограммы волнового фронта: слева с выделением регулярных ошибок и собственной ошибки корректора волнового фронта, справа реальная интерферограмма на малом количестве полос

В качестве примера результатов обработки крупногабаритного астрономического зеркала на рис. 6 приведены интерферограммы волнового фронта главного зеркала телескопа VISTA диаметром 4100 мм и асферичностью около 850 мкм: слева с выделением регулярных ошибок, дисторсионного искажения изображения корректора и собственной ошибки корректора волнового фронта, полученная по результатам построения топографической формы 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.

Для измерений вершинного радиуса оптической поверхности используется лазерный трекер. Радиус R0 зеркала определяется по формуле:

R0=C + h - S'F', где

C - линейный размер, измеряемый трекером между площадкой на штоке имитатора вершины и первой линзы корректора, или голограммой ДОЭ-корректора;

h - измеренное значение штока имитатора вершины;

S'F' - расчетное значение отрезка от вершины последней линзы 0-корректора до точки пересечения параксиального луча с оптической осью (определяется в программе “ZEMAX”).

Для оценки степени сложности изготовленных поверхностей воспользуемся графиком (рис. 7), приведенным P. Dierickx в 1999 году14, дополним ее данными последнего десятилетия и укажем на ней положение обработанных в ОАО ЛЗОС главных и вторичных зеркал по основным проектам. График показывает степень сложности изготовленного зеркала в зависимости от параметра dy и достигнутого качества обработки RMS(W):

dy=8N3/k

где N - апертура (аfocal ratio) оптической поверхности, а k - коническая константа. Таким образом, получается, что чем ближе точка на графике находится к началу координат, тем сложнее изготовленная поверхность.

Рис. 7. График зависимости достигнутого среднеквадратичного отклонения волнового фронта (RMS) от асферичности зеркал. На графике представлены следующие обозначения. ¦ - зеркала телескопов изготовленные до 1985 года (Wavefront RMS error (nm) Pre-1985), ¦ - зеркала телескопов с пассивной оптикой (Wavefront RMS error (nm) Passive), ^- зеркала телескопов с активной оптикой (Wavefront RMS error (nm) Active), ? - сегменты телескопа Keck, включая сегменты , обработанные с использованием ионной полировки (Wavefront RMS error (nm) Segment, Wavefront RMS error (nm) Segment IB. All Keck data assume most difficult segment, ? - зеркала наиболее важных телескопов, изготовленные в ОАО ЛЗОС за период с 1990 года

Рис. 8. Градиент асферичности для зеркал ряда телескопов

На рисунке 8 представлен график максимального градиента асферичности в мкм/мм для главного (ось абсцисс) и вторичного (ось ординат) зеркал телескопов: треугольники - ряд зарубежных проектов по изготовлению оптики телескопов. Кружками обозначены ряд выполненных в ОАО ЛЗОС проектов по изготовлению оптики различных телескопов, в основном в последнее время. Точки, лежащие на оси абсцисс - не изготавливали вторичное зеркало для данного проекта - только главное зеркало. Как видно из данного графика, комплект оптики телескопа VISTA (3.74; 4.02) по сложности изготовления, по градиенту асферичности, существенно превосходит все предыдущие изготовленные главные и вторичные зеркала.

Литература

1. Abdulkadyrov M.A., Belousov S.P., Ignatov A.N., Patrikeev V.E., Pridnya V.V., Polyanchikov A.V., Rumyantsev V.V., Samuylov A.V., Semenov A.P., Sharov Y.A., “Manufacturing of primary mirrors from Sitall CO-115M for European projects TTL, NOA and VST,” Proceedings of SPIE 4451, 131-137 (2001).

2. Semenov A.P., Abdulkadyrov M.A., Belousov S.P., Ignatov A.N., Patrikeev V.E., Pridnya V.V., Polyanchikov A.V., Rumyantsev V.V., Samuylov A.V., Sharov Y.A., “Manufacturing of secondary mirrors from Sitall CO-115M for European projects TTL, NOA and VST,” Proceedings of SPIE 4451, 138-144 (2001).

3. Семенов А.П., Абдулкадыров М.А., Белоусов С.П., Патрикеев А.П., Патрикеев В.Е., Шаров Ю.А. Технологические особенности изготовления главных зеркал телескопов // Оптический журнал. - 2013. - том 80, № 4. - С. 8-17.

4. 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," Proceedings of SPIE 7739, 773907 (2010).

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

6. Abdulkadyrov M.A., Patrikeev A.P., Belousov S.P., Pridnya V.V., Patrikeev V.E., Ignatov A.N., Polyanchikov A.V., Semenov A.P., Sharov Y.A., “M2 secondary mirror manufacturing for VISTA project,” Proceedings of SPIE 7018, 70180B (2008).

7. Семенов А.П., Абдулкадыров М.А., Патрикеев В.Е., Воробьев А.С., Шаров Ю.А. Интерференционные методы контроля формы поверхностей крупногабаритных асферических деталей на основе линзовых и голограммных корректоров волнового фронта // Оптический журнал. - 2013. - том 80, № 4. - С. 33-38.

8. Abdulkadyrov M.A., Belousov S.P., Patrikeev V.E., Semenov A.P., "Interference testing methods of large astronomical mirrors base on lenses and CGH wavefront correctors," Proceedings of SPIE 7739, 77390P (2010).

9. A.P. Semenov, "Accomplished the task of production of the primary and secondary mirrors of Devasthal Optical Telescope under the project ARIES (India, Belgium, Russia): fabrication features". Proceedings of SPIE, Vol. 8450, p. 84504R, 2012.

10. Semenov A.P., Abdulkadyrov M.A., Ignatov A.N., Patrikeev V.E., Pridnya V.V., Polyanchikov A.V., Sharov Y.A., “Fabrication of blanks, figuring, polishing and testing of segmented astronomic mirrors for SALT and LAMOST project,“ Proceedings of SPIE 5494, 31-38 (2004).

11. Абдулкадыров М.А., Белоусов С.П., Патрикеев А.П., Патрикеев В.Е., Семенов А.П. Изготовление оптических элементов составных зеркал для больших астрономических телескопов // Оптический журнал. - 2013. - том 80, № 4. - С. 18-23.

12. Абдулкадыров М.А., Белоусов С.П., Придня В.В., Полянщиков А.В., Семенов А.П. Оптимизация технологии формообразования и методов контроля выпуклых асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей // Оптический журнал. - 2013. - том 80, № 4. - С. 24-32.

13. Абдулкадыров М.А., Барышников Н.В., Денисов Д.Г., Животовский И.В., Карасик В.Е., Семенов А.П., Шаров Ю.А. Неравноплечий ИК-интерферометр Тваймана-Грина для контроля формы и качества поверхностей крупногабаритных оптических деталей на стадии шлифования. // Оптический журнал. - 2010. - том 77, № 10. - С. 40-47.

14. Dierickx P., “Optical fabrication in the large,” Workshop on Extremely Large Telescopes, Bдckaskog, Sweden, (1999).

Размещено на Allbest.ru