将光学计量学用于望远镜中的大型光学元件

大型光学器件的量化要求计量系统在湍流,振动和其他挑战的背景下运行。

大型光学仪器的测量,例如用于大型双筒望远镜天文台的8米主镜,需要计量系统,尽管存在振动,湍流和其他挑战,该计量系统仍能正常工作。

图1。 大型光学仪器的测量,例如用于大型双筒望远镜天文台的8米主镜,需要计量系统,尽管存在振动,湍流和其他挑战,该计量系统仍能正常工作。 (由R. Bertram和LBTO提供)。图片来源:4D技术

介绍

近年来,在基于卫星和地面的天文学以及安全和国防应用的增长推动下,对米级光学组件的需求迅速增长。

激光干涉术在整个大型光学器件的制造中均得到使用,以验证对严格设计要求的遵守。‘动态干涉仪’近年来,已被用于大型光学系统的抗振量化。

该数据用于管理抛光操作,验证支撑结构的尺寸稳定性,对齐镜段并执行其他关键的计量应用。

仪表级计量要求

“Meter-class”表示各种望远镜,其光学组件的直径大于一米,通常通过可见光谱在红外光中起作用。次级光学器件和初级光学器件可以是整体玻璃结构,或者可以包括可以主动对准的多个元件。

镜子的尺寸仅受当前制造技术的限制。目前,有十几个望远镜使用大于8米的主镜工作,并且正在开发更多复杂的项目。

先进的计量系统 为了协助新的制造技术,已生产出可提供质量保证的产品。激光干涉术是验证大型光学器件表面质量的最广泛方法。

激光干涉仪可量化从测试光学器件和高质量参考光学器件反射的光束之间的相位差。按照标准‘temporal’激光干涉仪,参考光学器件相对于测试表面按既定步骤平移,通常为四分之一波长偏移。

每次移位后,设备都会收集一帧相位数据。可以从该相位数据建立光程差(OPD),并可以提取表面形状。

在每次抛光迭代之后,将测量数据进行比较,直到实现所需的形状为止。随着光学器件直径的增加,使激光干涉测量法的使用变得更加复杂。

振动会严重影响测量质量,因为测量时间约为数百毫秒。其次,要量化整个光学表面,需要将干涉仪放置在‘standoff’与试件的距离,在某些示例中,距离可能为数十米。

在如此大的空腔中,湍流会严重扭曲相位数据。这种规模的气流控制和振动隔离系统在功能上可能不切实际或价格昂贵。

在低温和/或极低压力下在实际使用环境中分析天基硬件时,将面临进一步的挑战。苛刻的条件以及支撑设备产生的巨大振动,使得使用常规干涉仪几乎无法进行这种实际测试。

许多传统设计都依赖非传统的组件,例如非球面光学器件或合适的镜子。当表征这些新部件时,计量系统又面临另一挑战。

动态干涉仪

A ‘动态干涉仪’ gathers all phase data at once, unlike a 颞 interferometer, which gathers phase data frames over hundreds of milliseconds.

高效的采集时间(通常为几微秒)使动态干涉仪能够在缺乏振动隔离的高噪声环境中进行量化。

这大大降低了成本,提高了组织的简便性,并促进了在挑战性环境(例如低温测试中遇到的环境)中的测试。动态系统还可以在空气流动强烈的情况下执行测试。

Turbulence produces relative phase errors between the data frames, making the data found through 颞 measurements unusable or inaccurate. This frame-to-frame error is 没有 t observed in 动态干涉仪s.

平均多个动态测量结果可以消除湍流的影响,仅在测量信息中保留光学元件的形状。

测量大型凹面镜

望远镜镜的制造商,例如Steward天文台镜实验室,已经开发出了创建直径大于8米的轻型镜的方法。

反射镜的总体曲率是在冷却期间通过旋铸形成的。这大大减少了所需原料的数量以及所需的抛光量。

干涉仪应位于反射镜上方几层楼,以测量大型凹面反射镜。

我们的测量路径长度通常为20米(单程)。即使在半夜里在隔离的测试塔中进行测量,关闭所有空气处理机,振动和湍流,也限制了我们可以使用临时干涉仪获得的精度。借助我们的动态系统,我们’几乎不受振动影响,因此我们可以快速进行足够的测量以求出湍流的影响的平均值。它节省了大量时间,并为我们提供了更准确的数据。

Buddy Martin,管家实验室的项目科学家

 

动态干涉仪 data guides polishing of 8.4 meter and 6.4-meter mirrors

图2。 动态干涉仪 data guides polishing of 8.4 meter and 6.4-meter mirrors. (Courtesy Steward Observatory Mirror Lab). Image Credit: 4D技术

在实际使用条件下测试太空硬件

验证天基光学器件能否按规格进行部署至关重要,这一点至关重要,尤其是对于旨在超出航天飞机机群能力范围的系统而言。

验证光学系统是否符合规格的最成功方法是在低压和/或低温下进行测试。低温真空测试在压力容器内进行,由于其泵的振动,这是一个非常嘈杂的设置。

由于空间的限制,将计量系统耦合到测试样品并将其与振动隔离是一项挑战。当测试配置需要较长的测量路径时,这是不可能的。

由于动态干涉仪不受振动的影响,因此制造商摆脱了将测试光学器件和仪器耦合的限制。

这种自由度促进了测试配置,其中干涉仪位于腔室外部(测试光束通过窗口进入腔室)或腔室内部(位于其自身的压力容器内)。

该技术通常是以经济高效且精确的方式执行这些关键任务测量的唯一可行方法。

A 动态干涉仪 measures a test sample in a vacuum chamber through a view port

图3。 A 动态干涉仪 measures a test sample in a vacuum chamber through a view port. (Courtesy Ball Aerospace). Image Credit: 4D技术

支撑结构的稳定性

詹姆士·韦伯太空望远镜(JWST)计划于2013年进行太空部署,面临着几个独特的计量挑战。其中之一是管理随时间推移以及在低温下主镜支撑结构的尺寸稳定性的要求。

构建了代表性的测试结构,以在飞行前验证稳定性。测试计划需要三周的时间,对低温室内的大型结构进行几乎恒定的测量。

测试中选择了电子散斑图案干涉术(ESPI),该技术是定量散射表面的一种成熟技术。将动态相移斑点干涉仪放置在距测试物品几米的测试室外部。

设备会在单个激光脉冲(9 ns)的持续时间内同时收集整个结构的所有相位数据。

图4a概述了测试物品在低温室内的位置。图4b给出了动态干涉仪的测试结果。使用此方法,可以量化跨数百微米的数十纳米的平面外偏转。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的支撑结构经过了低温测试,以确保尺寸稳定性。

图4a。 詹姆斯·韦伯太空望远镜的支撑结构经过了低温测试,以确保尺寸稳定性。 (由Northrop Grumman ATK空间系统提供)。图片来源:4D技术

结构的动态ESPI干涉测量数据

图4b。 结构的动态ESPI干涉测量数据。 (由NASA / Goddard提供)。图片来源:4D技术

镜段对齐

JWST项目还需要一种技术来确认主镜像’被折叠以发射的s个片段在部署期间将符合亚波长容限内的要求。传统干涉仪的测量范围由于其尺寸而无法捕获段之间的初始未对准。

多波长动态干涉仪用于该应用。仪器能够测量初始偏差,因为它会产生更大的误差‘synthetic’波长。当段被操纵成对准时,降低波长以提高分辨率。

验证自适应光学

现在,在许多大型望远镜的主要或次要元件上都使用了自适应光学元件,以消除动态变化的大气因素的影响。自适应系统’执行器通常是固定在柔性组件背面的压电元件。

为了理解光学元件对致动器波动的模态响应,已使用传感器来量化光学元件上特定点的运动,这是一种低分辨率,耗时的解决方案。

由于其有效的采集时间,因此可以在将光学元件致动以校准和验证致动器的过程中采用动态干涉术来成像。’响应。动态系统演示了完整光学系统的3D响应,提供了控制系统性能的完整图像。

测试非球面光学

非球面光学 现在,它们通常包含在设计中以增强性能并简化系统组成。

为了验证具有高度复杂形状的表面的性能,计算机生成的全息图(CGH)用于将准直的或球形的测试光束更改为测量光学器件所需的非球面波阵面。

随着湍流和振动的挑战,CGH面临着另外的挑战。测试设置效率低下,并且不到1%的激光功率返回到干涉仪。

为了提供足够的功率以进行测量,已生产出动态的氦氖荧光激光干涉仪,其输出功率为7至15毫瓦(传统仪器为1至2毫瓦)。

这些系统通常提供光束比率控制,以平衡参考光束和测试光束并增强对比度和测量质量。

结论

制造和光机械设计方面的一系列技术成就导致天文学的发展。

动态干涉仪 一直是现代空间和地面望远镜生产的重要贡献者,并将继续成为当前正在开发中的项目的使能技术。

致谢

由4D Technology的Mike Zecchino最初创作的材料制成。

本文的某些部分出现在《动态计量学完美反射》,《激光聚焦世界》,2008年2月。

此信息已从4D Technology提供的材料中获取,审查和改编。

有关此来源的更多信息,请访问 4D技术

引文

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  • 预约定价安排

    4D技术。(2021, January 07). 将光学计量学用于望远镜中的大型光学元件. AZoOptics . Retrieved on January 07, 2021 from //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1887.

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    4D技术。"将光学计量学用于望远镜中的大型光学元件". AZoOptics . 07 January 2021. <//www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1887>.

  • 芝加哥

    4D技术。"将光学计量学用于望远镜中的大型光学元件". AZoOptics . //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1887. (accessed January 07, 2021).

  • 哈佛大学

    4D技术。2021. 将光学计量学用于望远镜中的大型光学元件. AZoOptics , viewed 07 January 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1887.

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