Transcript Презентация_АстроФест-Новосибирск 2011

Лазерные методы контроля
асферической оптики
А.Г. Полещук
д.т.н., заведующий лабораторией дифракционной оптики
Институт автоматики и электрометрии СО РАН
г. Новосибирск
Содержание
IA&E SB RAS
1.
Введение
2.
Асферическая оптика и методы ее контроля.
3.
Синтезированные голограммы.
4.
Оптические схемы контроля асферической оптики.
5.
Методы и устройства изготовления прецизионных СГ
6.
Новые методы контроля асферических зеркал
2
Введение
IA&E SB RAS
Создание современных оптических систем уже невозможно без асферической
оптики. В фотообъективе современной камеры можно найти, по крайней мере, 12 асферики. Одна асферическая линза заменяет несколько обычные
сферические линзы.
В CD и DVD проигрывателях, мобильных телефонах используется только
асферические линзы. В приборах ночного видения, телескопах,
микролитографии и космических системах, необходима оптика с большим
числом асферических поверхностей.
Применение асферики обеспечивает существенное уменьшение массы и
габаритов оптических приборов, улучшение качества изображения, светосилы и
угла поля зрения.
Изготовление асферической оптики невозможно без эффективных и доступных
методов контроля изготавливаемых асферических поверхностей.
3
Асферическая оптика
IA&E SB RAS
Асферическая линза – это линза, форма поверхности
которой отлична от сферы.
Линза
7 сферических
линз
2 асферики
+ 1 сфера
z(h)- sagitta value
R - radius of basic sphere
e=(1+k) - conic constant
A2n, - aspheric coefficients
Применение асферики позволяет уменьшить количество линз
в оптических системах. Это позволяет изготавливать более
компактные и «простые» оптические системы.
4
IA&E SB RAS
Поверхности свободной формы
5
IA&E SB RAS
Оптика телескопов
Параболическая поверхность
Уравнение асферической поверхности
6
IA&E SB RAS
Точность формообразования
Точность формообразования асферических поверхностей:
DWtransmission~=(n-1)ds;
DWreflection~=2ds;
Оптика массового
применения
DW~l/4 (ds~100 nm)
Ø < 100 мм
Телескопы, военная
техника
DW~l/20 (~20 nm)
Ø > 8 -10 m
ГУФ и рентгеновская
литография
DW~l/1000 (~0.5-2 nm)
Ø ~ 0.5 m
Следовательно, при изготовлении асферической оптики точность
измерительной системы должна быть несколько нанометров при
размере контролируемой поверхности до 10 м и более.
Аксиома: Если нельзя измерить, то невозможно изготовить!
Как достичь такой точности в измерениях?
7
Контроль сферических и
асферических зеркал
IA&E SB RAS
Эталонный
объектив
Сферическая
волна W1
Зеркало
Интерферометр
Физо
Интерферограммы сферического
и асферического зеркал
Схема контроля сферического зеркала
Эталонный
объектив
Корректор
Асферическая
волна W2
Зеркало
Интерферометр
Физо
Схема контроля асферики с помощью корректора
8
IA&E SB RAS
Классические нулевые
(компенсационные) методы
Интерферометр регистрирует разность волновых фронтов:
DW = Wsurface – Wetalon
.
Необходимо: DW = 0
Компенсатор преобразует сферический волновой фронт в асферический
Парабола  1 м, f/4
Компенсатор Офнера с двумя сферическими
линзами (1969)
1.6 м
Компенсатор для контроля
зеркала LBT (8.4м)
2 сферические линзы, диаметр
290 и 220 мм
Проблемы:
- Коэффициент преломления линз должен быть определен: dn =3 x 10-6 !!!
- Точность юстировки и центровки линз: 1-5 µm
9
IA&E SB RAS
Проблемы с линзовыми
компенсаторами
Недостатки: Классический компенсатор состоит из 2-х или 3-х сферических
линз большого диаметра.
Фотографии с телескопа Хабл (до и после ремонта на орбите).
[1]. L. Allen, J. Angel, J. Mongus etc. The Hubble Space Telescope optical system
failure report// NASA report (NASA Washington D.C., November 1990).
10
После этой истории, были разработаны несколько новых методов контроля асферики
IA&E SB RAS
Компенсатор на основе
синтезированной голограммы
TS
W1
CGHcorrector
W2
Fizeau
interferometer
W1 – spherical wavefront;
W2 – aspherical wavefront.
Схема контроля асферики с помощью синтезированной голограммы
Чувствительность метода:
E=(dN/T)(λ/2),
где dN – регистрируемое смещение полосы при отношении сигнал/шум ≥ 1, T- период полос, L длина волны. Если (dN/T) ~ 1/200-1/1000, то E ~ 1.5-3 нм
Реализуется принцип «оптического компаратора».
Проблемы: СГ структура, ее не идеальность, юстировка и т.п.
11
Основы дифракционной оптики
IA&E SB RAS
Дифракционные элементы могут заменять обычные,
классические компоненты
12
IA&E SB RAS
Особенности голограмм для
оптического контроля
 СГ для оптического контроля – это, как правило, бинарные структуры.
 СГ может быть амплитудной или фазовой
– Амплитудные:
Хромовая структура на подложке из стекла.
• 10% дифракционная эффективность
– Фазовые:
Обычно структура травленная в с стекле.
• 40% дифракционная эффективность
Pattern is formed in a thin Cr
film ~0.1 μ thick
Pattern is etched into glass
to give λ/2 phase shift
Если контролируемая асферика очень крутая, то СГ комбинируется с
обычной оптикой, однако возникают трудности с юстировкой.
Исследования по созданию СГ были начаты в ИАиЭ СО РАН в середине 70-х годов.
13
IA&E SB RAS
Изготовление синтезированных
голограмм
CLWS-300 CLWS-200
Writing spot diameter, m
Writing field diameter, mm
Substrate thickness
Radial coordinate accuracy
Angular accuracy
Light-sensitive films
0.5
0.5
300
220
1-25 mm
0.05 m
1-2 arc.sec
Cr, a-Si, LDW
Запись простых кольцевых структур на
установке CLWS-300IAE
14
IA&E SB RAS
Структура синтезированной
голограммы
Center: 8 um spacing
Edge: 1.2 um spacing
175 mm CGH for test of 6.5m primary mirror of
Magellan telescope.
CGH was fabricated at IAE
SR RAS by direct laser
writing.
15
Интерферометр Физо:
принцип работы
IA&E SB RAS
Оптический блок
ЭПП
Узел
наводки
He-Ne
Контролирумая
Блок фазового поверхность
сдвига
Приемная
камера
Интерферометр типа FTI-100PS
разработан в ИАиЭ СО РАН
Интерферометр
основан
на
применении
усовершенствованной
схемы
Физо с изломом оптической оси
для
совмещения
в
одном
компактном корпусе оптической
системы, одночастотного лазера,
контрольной и приемной видео
камер
с
переменным
увеличением и узлом устранения
спекл-шума.
Имеет блок фазового сдвига.
Упрощенная оптическая схема интерферометра
16
IA&E SB RAS
Интерферометр FTI-100 для
контроля оптики
Интерферометр с фазовым сдвигом FTI-100 разработан в ИАиЭ СО РАН совместно с ЗАО Дифракция
Оптическая схема интерферометра
Внешний вид интерферометра
Основные технические
характеристики
 Лазер:
λ = 632.8 nm
 Световой диаметр: 102 mm
 Фокусировка:
-0.5/2 м
 Поле зрения:
до 4 град
 Погрешность:
l/100 (P-V)
 Разрешение:
1024х768
 Время измерений: 0,5 сек
17
Интерфейс программы анализа
IA&E SB RAS
Программное обеспечение
интерферометра
Интерферограмы с фазовым
сдвигом
Аппроксимация фазы
полиномами Zernike
Восстановление фазы по
алгоритму Hariharan
Сшивка фазовой
функции
18
Коррекции
Обработка интерферограмм
IA&E SB RAS
•
Интуитивно понятный
графический интерфейс
•
Высокая скорость
расчетов
•
Невысокие системные
требования
•
Широкий набор опций
•
Возможность включения
дополнительных
функций
Вид графического интерфейса
19
Некоторые применения синтезированных
голограмм разработанных в ИАиЭ СО РАН
для прецизионного контроля асферики
20
IA&E SB RAS
Контроль зеркала телескопа
Магеллан
Телескопы Магеллан, зеркала 6.5 м (Обсерватория Лас Кампанас, Чили )
Изготовлены две синтезированные голограммы для контроля в
ИК и видимом диапазонах длин волн
Обсерватория Лас Кампанас
CGH #1. Контроль в ИК (10.6
um): ошибки 0.02 l (rms).
CGH #2. Контроль l=633nm:
ошибки 0.027 l (rms).
Результат:
Обнаружена ошибка
в коэффициенте
преломления (Dn~105).
Зеркало 6.5 м в процессе полировки
Голограмма 160 мм для
контроля зеркала
21
IA&E SB RAS
Контроль зеркала телескопа LBT
Большой бинокулярный телескоп, зеркала 2 x 8.4m (Mt. Graham, AZ, USA)
CGH
W(r)
Null corrector
Схема контроля
Телескоп LBT и главное зеркало
после полировки
210-мм голограмма
Карта зеркала 22
Транспортировка 8.4-м зеркала - LBT
23
J. H. Burge University of Arizona
23
IA&E SB RAS
Контроль оптики телескопа SALT
Southern African Large Telescope (SALT) – Большой южноафриканский телескоп:
Диаметр сферического сегментированного зеркала около 10 м (91 1-м сегмент).
Схема телескопа
Главное зеркало
Корректор аберраций
CGH
Интерферометр
230 мм
Схема контроля корректора
Корректор аберраций
Фото голограммы  230mm
IA&E SB RAS
Контроль зеркала телескопа VISTA
Телескоп VISTA: Зеркало 4.1 м, апертура f/1. Зеркало изготовлено в ЛЗОС (г. Лыткарино)
Интерферометр
Линза
302 mm
Зеркало
 492mm
Компенсаторы
Зеркало
Телескоп VISTA и полировка зеркала
в ЛЗОС
Голограмма 210мм для контроля
Линзовый компенсатор
Было: RMS=0.212 λ
Обнаружена ошибка сборки 0,2
мм Стало: 0.044 λ RMS
Зеркальный компенсатор
Было: RMS=0.112 λ
25ошибка
Обнаружена зональная
Стало: 0.04 λ RMS
IA&E SB RAS
Особенности контроля внеосевых
асферических сегментов
Основная проблема при контроле внеосевых сегментов – точность их юстировки (типично 1 мкм).
Решение: на подложке изготавливаются несколько голограмм, часть из которых служит для юстировки.
Пример: контроль 650 мм сегмента вырезанного 1.5 м параболы.
16 m
CCD cameras
Interferometer
CGH
Схема измерения
Вид юстировочного креста около зеркала
Форма поверхности l/20 (rms)
Фотография креста
Вид голограммы
26
IA&E SB RAS
Контроль внеосевого сегмента
зеркала телескопа NST
Новый солнечный телескоп: 1.7 –м главное внеосевое зеркало (New Solar Telescope at Big Bear
Solar Observatory). Отрабатывалась технология контроля сегментов GMT (1:5).
Синтезированная
голограмма  102 мм
Схема телескопа и
полировка сегмента
Схема контроля внеосевого зеркала
Интерферограмма и
карта поверхности
IA&E SB RAS
Контроль внеосевого сегмента
зеркала GMT
Гигантский Магеллановский телескоп: зеркало f/0.7 25-м из 7 сегментов 8.4м. Отступление от
сферы 14.5 мм.
28
IA&E SB RAS
Контроль внеосевого сегмента
зеркала GMT
1.
Центральное зеркало – осевое, контроль как для LBT.
2.
Внеосевые зеркала – контроль с помощью голограмм.
15 micron spacing
Surface with good quality
Точность контроля в 4 нм (СКО) была показана в лабораторных условиях
F. Y. Pan, Jim Burge, D. Anderson, and A. Poleshchuk “Efficient testing of segmented aspherical mirrors by use of a reference plate and
computer-generated holograms”. APPLIED OPTICS Vol. 43, No. 28 pp. 5319-5322, (2004).
29
IA&E SB RAS
Контроль сегментов экстремально
большого телескопа E-ELT
Главное зеркало телескопа E-ELT состоит из 906 сегментов, размером в 1.45 м. Каждый
сегмент – это внеосевое асферическое зеркало. М1=42м и М2 = 6м, (5000 актюаторов)
Зеркало Ø1.4м, R=13.6 м
Сегмент Ø1.5 м, R=84м
Голограмма
Интерферометр
Схема контроля центральных сегментов
Голограмма для контроля
центральных сигментов
Телескоп E-ELT и схема зеркала
Выводы
 Разработана технология и создано прецизионное лазерное
оборудование для изготовления дифракционных элементов с
произвольной структурой диаметром до 300 мм и точностью 25
нм.
 Разработаны методы расчета и исследованы особенности
применения синтезированных голограмм для контроля
асферической оптики.
 Разработан лазерный интерферометр с фазовым сдвигом для
контроля плоской, сферической и асферической оптики.
 Накоплен большой опыт по разработке и практическому
применению разнообразных схем контроля асферической оптики
как осевой, так и внеосевой, начиная от микролинз до 10-м зеркал.
31
Одна из первых фотографий (октябрь 2005г.) галактики DFT-102-56 полученной
большим бинокулярным телескопом (США), голограмма для контроля
которого был изготовлена в ИАиЭ СО РАН
Спасибо за внимание!
32