CC BY
132
УДК 681.7.08
РАЗРАБОТКА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО-ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИК СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА ОБСЕРВАТОРИИ «МИЛЛИМЕТРОН»
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Руслан Камильевич Насыров
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Алексей Евгеньевич Маточкин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер-технолог, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Владимир Николаевич Хомутов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Вадим Владимирович Черкашин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Антон Евгеньевич Качкин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Александр Григорьевич Верхогляд
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, заместитель директора, тел. (383)306-62-08, e-mail: [email protected]
Леонид Борисович Касторский
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, главный конструктор, тел. (383)306-62-08, e-mail: [email protected]
Владимир Михайлович Михалкин
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», 662972, Россия, Красноярский край, г. Железногорск, ул. Ленина, 52, заместитель директора ОТМС, тел. (3919)72-24-39, e-mail: office@iss-reshetnev
Предложен интерференционный метод контроля качества центрального вогнутого параболического зеркала (f/0.8) с диаметром 3 м, входящего в состав телескопа космической
обсерватории "Миллиметрон". Метод основан на применении инфракрасного интерферометра (длина волны 10.6 мкм) в сочетании с отражательной синтезированной голограммой.
Ключевые слова: миллиметрон, космическая обсерватория, интерферометр, синтезированная голограмма, контроль асферических поверхностей.
DEVELOPMENT OF INTERFERENCE-HOLOGRAPHIC INFRARED SYSTEM FOR TEST OF CENTRAL PARABOLIC MIRROR OF MILLIMETRON SPACE OBSERVATORY
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Science, head of laboratory of diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Ruslan K. Nasyrov
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Science, head of laboratory of the diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Alexey E. Matochkin
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, leading engineer, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Vladimir N. Khomutov
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, junior research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Vadim V. Cherkashin
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Anton E. Kachkin
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, engineer, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Alexander G. Verkhoglyad
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB of RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaia str, deputy director, tel. (383)306-62-08, e-mail: [email protected]
Leonid B. Kastorsky
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB of RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaia str, main designer, tel. (383)306-62-08, e-mail: [email protected]
Vladimir M. Mikhalkin
JSC «"Information Satellite Systems" Academician M.F. Reshetnev Company», 662972, Russia, Krasnoyarsk region, Zheleznogorsk, 52, Lenin Str., deputy director of the OTMS, tel. (3919)72-24-39, e-mail: office@iss-reshetnev
Interference method of quality control of the central concave 3-m parabolic mirror (f / 0.8), which is a part of the telescope of "Millimetron" Space Observatory is proposed. The method is
based on the use of infrared interferometer (wavelength 10.6 um) in combination with reflective computer generated hologram.
Key words: Millimetron Space Observatory, IR interferometer, computer generated hologram, test of asphere.
Введение. Миллиметрон (проект Спектр-М) - это космическая обсерватория, оптимизированная для работы в миллиметровом и дальнем ИК диапазонах (20 мкм - 20 мм) с 10-м охлаждаемым (~4.5 K) криогенным телескопом [1, 2]. Запуск обсерватории планируется в 2017-2020 годах. В качестве оптической системы телескопа [2] выбрана схема Кассегрена (рис. 1). Форма отражающей поверхности - параболоид вращения, заданный уравнением Z=(X2+Y2)/4F, где F = 2400 мм - фокусное расстояние. Максимальное отклонение от ближайшей сферы составляет 1.425 мм. Зеркало телескопа образуется из раскладывающихся 24 лепестков и 3-метрового монолитного центрального зеркала (ЦЗ) с апертурой f/0.8. Допустимое отклонение формы отражающей поверхности ЦЗ от номинальной - не более 3 мкм.
Контр рефлектор с опорами
Центральное зеркало_ ^
Опорная ферма рефлектора с охлаждаемым контейнером
Лепестки рефлектора
Опора А
теплозащитных
экранов ^^^
Н е охл аждае м ый^ отсек
Система
теплозащитных
экранов
Криоэкран
Солнечные батареи
Радиатор '
Служебный модуль\
Рис. 1. Структурная схема обсерватории
Одной из основных проблем создания телескопа является обеспечение высокого качества изображения, для чего требуется применение высокоточных методов измерения и контроля формы асферических поверхностей. Особенностью контроля ЦЗ, выполненного из углепластикового композитного материала [3] является достаточно большая шероховатость отражающей поверхности (0.15 - 2.0 мкм), что делает невозможным применение интерферометров, работающих в видимой области спектра, а также большая асферичность, что требует применения компенсаторов. Обычный линзовый ИК компенсатор по схеме Офнера для контроля параболического зеркала Ш.8 должен состоять из двух
или трех ZnSe линз диаметром до 200 мм, или сложной многолинзовой зеркальной системы [4]. Применение дифракционных оптических элементов (ДОЭ) позволяет существенно упросить изготовление компенсаторов работающих в видимом диапазоне [5]. Однако для ИК диапазона (10.6 мкм) существует ряд проблем, которые ограничивают применение дифракционной оптики. Для изготовления дифракционных ИК компенсаторов необходимы высококачественных подложи из 7пБе или Ое диаметром более 250 мм, установки и технологии для формирования рельефа зон глубиной около 3.3 мкм в этих материалах, разработка ДОЭ для работы одновременно в ИК и видимом диапазонах (измерительный и юстировочный каналы) и т.д.
Для решения указанных проблем авторами предложен и разработан метод контроля формы поверхности ЦЗ (центрального сегмента) основанный на применении инфракрасного интерферометра (длина волны 10.6 мкм) в сочетании с отражательным внеосевым ДОЭ (синтезированной голограммой).
Схема контроля зеркала. Упрощенная оптическая схема предлагаемого метода контроля центрального сегмента зеркала показана на рис. 2, а.
доэ
Центральный сегмент зеркала "Мнллиметрон" (не в масштабе)
а) б)
Рис. 2. Схема контроля ЦЗ (а) и расположение зон на ДОЭ (б) в 100-м дифракционном порядке
Параллельный пучок лучей от ИК интерферометра фокусируется в точке Б с помощью объектива О1. Расходящийся из этой точки сферический волновой фронт Ws (радиус кривизны около 1600 мм) направляется плоскими зеркалами М1 и М2 к отражательному ДОЭ установленному под углом 20о. ДОЭ (рис. 2, б)
состоит из трех основных зон. Основная зона (1) формирует асферический волновой фронт совпадающий с формой контролируемой поверхности зеркала. Юстировочная кольцевая зона (2) отражает и дифрагирует падающий на нее волновой фронт 'в точно назад, в интерферометр. Вспомогательная наво-дочная зона (3) расположена в центре ДОЭ и рассчитана на длину волны вспомогательного лазера видимого диапазона, который установлен в интерферометре. Эта структура формирует узкий пучок лучей, идущих вдоль оптической оси, упрощая тем самым юстировку зеркала относительно ДОЭ и интерферометра.
Оценка точности метода контроля. Погрешность метода (т. е. погрешность контроля формы поверхности) зависит от многих факторов, основными из которых являются:
1. Погрешность ИК интерферометра и оптической системы (качество О1, М1, М2, подложка ДОЭ).
2. Погрешность изготовления дифракционной структуры ДОЭ.
3. Погрешность юстировки ДОЭ относительно интерферометра.
4. Погрешность юстировки контролируемой поверхности относительно ДОЭ.
5. Погрешность длины волны СО2 лазера интерферометра.
В предлагаемой схеме используется интерферометр Тваймана-Грина с фазовым сдвигом. В качестве источника излучения используется стабилизированный СО2 лазер [6], а в качестве приемника излучения - болометрическая не-охлаждаемая камера с размерностью 388х244 пикселей. Для калибровки интерферометра используется отражательный эталонный осесимметричный дифракционный элемент ДОЭ небольшого диаметра, который для этого вводится в измерительный канал. Этот ДОЭ представляет собой дифракционный аналог сферического зеркала.
Погрешность формирования волнового фронта дифракционными элементами определяется формулой [7]:
(1)
где X - рабочая длина волны, к - порядок дифракции, Т - локальный период дифракционной структуры, 5 - локальная погрешность выполнения зоны ДОЭ.
Дифракционные элементы для предлагаемой системы контроля изготавливаются с помощью, разработанной в ИАиЭ СО РАН установки лазерной записи СЬ'8-3001ЛБ [8], которая обеспечивает погрешность формирования дифракционной структуры не более 5~0.1 мкм по полю 220 мм. Эталонный отражательный ДОЭ имеет минимальный период около Тдоэ=10 мкм. Основной ДОЭ имеет следующие параметры: Зона 1 - Т1= 50 мкм и Зона 2 - Т2= 13 мкм. Из выражения (1) следует, что погрешность формирования отраженного волнового фронта, обусловленная технологией изготовления, не превышает А'изг~Х/100 гшб (для длины волны 10.6 мкм). Подложки для зеркал и ДОЭ выполняются из оптического ситалла с плоскостностью ёК~0.3, что на рабочей длине волны составляет А'подл~Х/200 гшб.
Анализ чувствительности метода, выполненный путем численного моделирования (МаШ1аЬ, Ъешах), показал, что основную погрешность в результате измерения вносят погрешности юстировки. В табл. 1 приведены результаты расчета погрешностей измерения при смещении контролируемого зеркала из идеального положения. В табл. 2 приведены результаты расчета погрешностей при смещении юстировочной кольцевой зоны 2 из идеального положения относительно интерферометра (данные представлены в количестве наблюдаемых полос в кольцевой зоне 2). В табл. 3 приведены результаты расчета погрешностей контроля зеркала при смещении ДОЭ из идеального положения с установкой зеркала в положение «наилучшей установки».
Видно, что наибольшее влияние на погрешность измерений имеет стабильность длины волны (то есть перескок мод СО2 лазера должен быть исключен) и угловая юстировка контролируемого зеркала и голограммы. Следует отметить, что зеркало должно юстироваться по всем осям до положения «наилучшей установки», которое соответствует наилучшему качеству изображения. Голограмма юстируется по интерферограмме, получаемой от кольцевой зоны для достижения минимального количества полос (таб. 2). Следует указать, что из-за того, что кольцевая зона 2 имеет небольшую ширину, чувствительность к смещению по оси Z достаточно мала.
Таблица 1
Погрешность юстировки зеркала
Погрешность Величина по- Погрешность измерения, X Погрешность (гшв)
юстировки грешности PV / RMS PV / RMS при смещении 10
зеркала Кома, дефокус вычтены мкм и наклоне 10''
Смещение А X 100 мкм 2.72 / 0.67 0.30 / 0.06 0.006
Смещение А У 100 мкм 9.12 / 1.93 7.11 / 1.80 0.018
Смещение А Ъ 100 мкм 0.62 / 0.16 0.44 / 0.12 0.012
Наклон АфХ 0.1 градус 18.36 / 3.68 11.11 / 2.72 0.01
Наклон АфУ 0.1 градус 10.47 / 2.52 3.67 / 0.82 0.025
Длина волны 20 нм 2.85 / 0.79 0.19 / 0.04 0
RSS1 0.035
Таблица 2
Количество полос на юстировочной кольцевой зоне 2 при смещении ДОЭ
Погрешность юстировки ДОЭ Величина погрешности Количество полос на интерферограмме
Смещение А X 100 мкм 2.06
Смещение А У 100 мкм 2.16
Смещение А Ъ 100 мкм 0.014
Наклон АфХ 0.1 градус 62.12
Наклон АфУ 0.1 градус 58.26
Длина волны 20 нм 45.8
Таблица 3
Погрешность контроля формы зеркала при заданной погрешности установки ДОЭ
Погрешность Величина по- Погрешность измерения, X Погрешность (rms)
юстировки грешности PV / RMS RMS при смещении 10
ДОЭ мкм и наклоне 10''
Смещение Д X 100 мкм 0.87 0.21 0.021
Смещение Д У 100 мкм 0.88 0.21 0.021
Смещение Д Ъ 100 мкм 0.77 0.19 0.019
Наклон ДфХ 0.1 градус 0.88 0.21 0.008
Наклон ДфУ 0.1 градус 0.88 0.21 0.008
Длина волны 20 нм 1.35 0.32 0.01
RSS2 0.038
В результате анализа установлены максимальные допустимые значения ДХ, ДY, AZ , Дфх и Дфу , которые вызывают появление большой погрешности контроля. Они составляют: ДХ ~ ДY ~ ДZ = 10 мкм и Дфх ~ ДфY ~ 10 угл. сек.
9 9 V
При этом погрешность контроля зеркала будет RSS = (RSS1 + RSS2 )2 ~ 0.051 X, что почти на порядок выше требуемой.
Конструкция. Конструктивно ИК система контроля выполнена в виде плиты на которой расположены все основные узлы (рис.3). Юстировка зеркал М1 и М2, опорного зеркала интерферометра, перемещение ДОЭ производится дистанционно (Ethernet) с помощью моторизированных микровинтов.
Рис. 3. Конструкция ИК системы для контроля зеркала "Миллиметрон"
Заключение. Предложен и исследован интерференционный метод контроля качества центрального вогнутого параболического зеркала (£/0.8) с диамет-
ром 3 м, входящего в состав телескопа космической обсерватории "Миллиме-трон". Метод основан на применении инфракрасного интерферометра (длина волны 10.6 мкм) в сочетании с отражающим ДОЭ, формирующим измерительный асферический волновой фронт. Анализ погрешностей юстировки показал, что достижимая точность контроля формы поверхности составляет 0.05Х, или 0.5 мкм.
Данная работа поддержана частично грантом РФФИ ОФИ-М № 4-2907227 и междисциплинарным интеграционным проектом № 112 Сибирского отделения РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кардашев Н.С., Новиков И.Д., Лукаш В.Н. и др. Обзор научных задач для обсерватории Миллиметрон // УФН.- т.184.- №12.- С. 1319-1352.
2. Smirnov A.V., Baryshev A.M., Pilipenko S.V., et al. Space mission Millimetron for terahertz astronomy // Proc. of SPIE.- 2012.-V. 8442.- P. 84424C.
3. Спутник ФКИ Спектр-М. http://ecoruspace.me/%D0%A1%D0%BF%D0% B5%D0%B A%D1%82%D1%80-%D0%9C.html
4. 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. - Т. 80. -№4.- С. 33-38.
5. Poleshchuk А . G., Korolkov V. P., Nasyrov R. K. Diffractive optical elements: fabrication and application, Proc. of SPIE.- 2014.- V. 928, P. 928302.
6. Sherstov I.V., Bychkov K.V., Chernikov S.B., Karapuzikov A.I., Spitcin V.V., Vasiliev V.A., Two-channel CO2 laser system for heterodyne applications // Proc. of SPIE.- 2004.-V.5743.- P.411-420.
7. Chang Yu-Chun and Burge J.H. Error analysis for CGH optical testing // Proc. of SPIE. -1999.- 3782.- P. 358-366.
© А. Г. Полещук, Р. К. Насыров, А. Е. Маточкин, В. Н. Хомутов, В. В. Черкашин, А. Е. Качкин, А. Г. Верхогляд, Л. Б. Касторский, В. М. Михалкин, 2015
