Лазерные методы контроля асферической оптики А.Г. Полещук Лазерные методы контроля асферической оптики А.Г. Полещук д.т.н., заведующий лабораторией дифракционной оптики Институт автоматики и электрометрии СО РАН г. Новосибирск

2 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

3 Введение IA&E SB RAS Создание современных оптических систем уже невозможно без асферической оптики. В фотообъективе современной камеры можно найти, по крайней мере, 1-2 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.

4 Асферическая оптика Асферическая линза – это линза, форма поверхности которой отлична от сферы. z(h)- sagitta value R - radius of basic sphere e=(1+k) - conic constant A 2n, - aspheric coefficients Применение асферики позволяет уменьшить количество линз в оптических системах. Это позволяет изготавливать более компактные и «простые» оптические системы. IA&E SB RAS 7 сферических линз 2 асферики + 1 сфера Линза

5 Поверхности свободной формы IA&E SB RAS

6 Оптика телескопов IA&E SB RAS Параболическая поверхность Уравнение асферической поверхности

7 Точность формообразования Точность формообразования асферических поверхностей: W transmission ~=(n-1) s ; W reflection ~=2 s ; IA&E SB RAS Следовательно, при изготовлении асферической оптики точность измерительной системы должна быть несколько нанометров при размере контролируемой поверхности до 10 м и более. Как достичь такой точности в измерениях? Аксиома: Если нельзя измерить, то невозможно изготовить! Оптика массового применения W~ s nm Ø < 100 мм Телескопы, военная техника W~ nm Ø > m ГУФ и рентгеновская литография W~ nm Ø ~ 0.5 m

8 Контроль сферических и асферических зеркал IA&E SB RAS Интерферограммы сферического и асферического зеркал Схема контроля асферики с помощью корректора Эталонный объектив Сферическая волна W1 Интерферометр Физо Зеркало Эталонный объектив Интерферометр Физо ЗеркалоКорректорАсферическая волна W2 Схема контроля сферического зеркала

9 Классические нулевые (компенсационные) методы IA&E SB RAS W = W surface – W etalon. Необходимо: W = 0 Интерферометр регистрирует разность волновых фронтов: Компенсатор преобразует сферический волновой фронт в асферический Компенсатор Офнера с двумя сферическими линзами (1969) Парабола 1 м, f/4 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 !!! - Точность юстировки и центровки линз: 1-5 µm 1.6 м

10 Проблемы с линзовыми компенсаторами IA&E SB RAS Недостатки: Классический компенсатор состоит из 2-х или 3-х сферических линз большого диаметра. [1][1]. L. Allen, J. Angel, J. Mongus etc. The Hubble Space Telescope optical system failure report// NASA report (NASA Washington D.C., November 1990). Фотографии с телескопа Хабл (до и после ремонта на орбите). После этой истории, были разработаны несколько новых методов контроля асферики

11 Компенсатор на основе синтезированной голограммы IA&E SB RAS W 1 – spherical wavefront; W 2 – aspherical wavefront. Схема контроля асферики с помощью синтезированной голограммы TS W2W2 W1W1 CGH- corrector Fizeauinterferometer Реализуется принцип «оптического компаратора». Проблемы: СГ структура, ее не идеальность, юстировка и т.п. 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 ~ нм

12 Основы дифракционной оптики IA&E SB RAS Дифракционные элементы могут заменять обычные, классические компоненты

13 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 Особенности голограмм для оптического контроля 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. Pattern is formed in a thin Cr film ~0.1 μ thick Pattern is etched into glass to give λ/2 phase shift IA&E SB RAS

14 Запись простых кольцевых структур на установке CLWS-300IAE Изготовление синтезированных голограмм IA&E SB RAS CLWS-300 CLWS-200 Writing spot diameter, m 0.5 Writing field diameter, mm Substrate thickness1-25 mm Radial coordinate accuracy Angular accuracy 0.05 m 1-2 arc.sec Light-sensitive films Cr, a-Si, LDW

15 Структура синтезированной голограммы IA&E SB RAS 175 mm CGH for test of 6.5- m primary mirror of Magellan telescope. CGH was fabricated at IAE SR RAS by direct laser writing. Center: 8 um spacingEdge: 1.2 um spacing

16 Интерферометр Физо: принцип работы 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. Блок фазового сдвига Упрощенная оптическая схема интерферометра IA&E SB RAS

17 Интерферометр FTI-100 для контроля оптики IA&E SB RAS Интерферометр с фазовым сдвигом FTI-100 разработан в ИАиЭ СО РАН совместно с ЗАО Дифракция Основные технические характеристики Лазер:λ = nm Световой диаметр: 102 mm Фокусировка: -0.5/2 м Поле зрения: до 4 град Погрешность: /100 (P-V) Разрешение: 1024х768 Время измерений: 0,5 сек Внешний вид интерферометра Оптическая схема интерферометра Интерфейс программы анализа

18 Программное обеспечение интерферометра Сшивка фазовой функции Восстановление фазы по алгоритму Hariharan Аппроксимация фазы полиномами Zernike Интерферограмы с фазовым сдвигом Коррекции IA&E SB RAS

19 Обработка интерферограмм Интуитивно понятный графический интерфейс Высокая скорость расчетов Невысокие системные требования Широкий набор опций Возможность включения дополнительных функций Вид графического интерфейса IA&E SB RAS

20 Некоторые применения синтезированных голограмм разработанных в ИАиЭ СО РАН для прецизионного контроля асферики

21 Контроль зеркала телескопа Магеллан IA&E SB RAS Телескопы Магеллан, зеркала 6.5 м ( Обсерватория Лас Кампанас, Чили ) Результат: Обнаружена ошибка в коэффициенте преломления ( n~ ). Результат: Обнаружена ошибка в коэффициенте преломления ( n~ ). CGH #2. Контроль =633nm: ошибки (rms). CGH #1. Контроль в ИК (10.6 um): ошибки 0.02 (rms). Зеркало 6.5 м в процессе полировки Голограмма 160 мм для контроля зеркала Обсерватория Лас Кампанас Изготовлены две синтезированные голограммы для контроля в ИК и видимом диапазонах длин волн

22 IA&E SB RAS Контроль зеркала телескопа LBT Большой бинокулярный телескоп, зеркала 2 x 8.4m (Mt. Graham, AZ, USA) 210-мм голограмма W(r) Null corrector CGH Карта зеркала Схема контроля Телескоп LBT и главное зеркало после полировки

23 J. H. Burge University of Arizona 23 Транспортировка 8.4-м зеркала - LBT

Контроль оптики телескопа SALT IA&E SB RAS Southern African Large Telescope (SALT) – Большой южноафриканский телескоп: Диаметр сферического сегментированного зеркала около 10 м (91 1-м сегмент). Схема телескопа Корректор аберраций Главное зеркало Корректор аберраций Интерферометр 230 мм CGH Схема контроля корректора Фото голограммы 230mm

25 Контроль зеркала телескопа VISTA IA&E SB RAS Телескоп VISTA: Зеркало 4.1 м, апертура f/1. Зеркало изготовлено в ЛЗОС (г. Лыткарино) Интерферометр Линза 302 mm Компенсаторы Зеркало 492mm Линзовый компенсатор Было: RMS=0.212 λ Обнаружена ошибка сборки 0,2 мм Стало: λ RMS Зеркальный компенсатор Было: RMS=0.112 λ Обнаружена зональная ошибка Стало: 0.04 λ RMS Голограмма 210мм для контроля Телескоп VISTA и полировка зеркала в ЛЗОС

26 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. Форма поверхности /20 (rms) Вид юстировочного креста около зеркала Особенности контроля внеосевых асферических сегментов IA&E SB RAS CCD cameras Interferometer Axis of parent mrror CGH Parabola Crosshair formation Test beam 16 m Схема измерения Фотография креста Вид голограммы

Контроль внеосевого сегмента зеркала телескопа NST IA&E SB RAS Новый солнечный телескоп: 1.7 –м главное внеосевое зеркало (New Solar Telescope at Big Bear Solar Observatory). Отрабатывалась технология контроля сегментов GMT (1:5). Схема телескопа и полировка сегмента Схема контроля внеосевого зеркала Синтезированная голограмма 102 мм Интерферограмма и карта поверхности

28 IA&E SB RAS Гигантский Магеллановский телескоп: зеркало f/ м из 7 сегментов 8.4м. Отступление от сферы 14.5 мм. Контроль внеосевого сегмента зеркала GMT

29 IA&E SB RAS 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 , (2004). Surface with good quality 15 micron spacing Точность контроля в 4 нм (СКО) была показана в лабораторных условиях Контроль внеосевого сегмента зеркала GMT 1.Центральное зеркало – осевое, контроль как для LBT. 2.Внеосевые зеркала – контроль с помощью голограмм.

Контроль сегментов экстремально большого телескопа E-ELT IA&E SB RAS Зеркало Ø1.4м, R=13.6 м Сегмент Ø1.5 м, R=84м Интерферометр Схема контроля центральных сегментов Телескоп E-ELT и схема зеркала Голограмма 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) Голограмма для контроля центральных сигментов

31 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.

32 Одна из первых фотографий (октябрь 2005г.) галактики DFT полученной большим бинокулярным телескопом (США), голограмма для контроля которого был изготовлена в ИАиЭ СО РАН Спасибо за внимание!