Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 7
1.1. Материалы для астрономических зеркал 7
1.2. Конструкций и разгрузка астрономических зеркал 16
1.3. Основные методы обработки астрономических зеркал 22
1.4. Общий анализ технологических методов контроля 27
1.5. Задачи исследований 33
2. Исследование свойств материала, влияющих на качество оптической поверхности астрозеркала 34
2.1. Двойное лучепреломление, срабатываемостъ материала 34
2.2. Влияние свилей, включений, пузырей и других механических дефектов в заготовке зеркала на качество его поверхности 64
2.3. Тепловой коэффициент линейного расширения (ТКЛР) 76
2.4. Коэффициент "весомости* материалов для астро-зеркал 82
3. Влияние штатной и технологической разгрузок на качество оптической поверхности астрозеркала 86
3.1. Выбор оптимального варианта разгрузки, ее взаимосвязь с величиной двойного лучепреломления материала зеркала 86
3.2. Деформация оптической поверхности на жестких опорах 103
3.3. Деформация поверхности зеркала на ленте в вертикальном положений 109
3.4. Деформации оптической поверхности на технологи- ' ческой сильфонной разгрузке и в системе штатной й технологической разгрузок *.. 120
3.5. Корреляция параметров материала и разгрузки, определяющих качество оптической поверхности зеркала 133
3.6. Деформации оптической поверхности зеркала в штатной оправе в различных положениях 143
4.0. Обработка и контроль оптической поверхности зеркала 148
4.1. Анализ параметров, влияющих на деформацию волнового фронта 148
4.2. Взаимосвязь деформаций волнового фронта и деформации обрабатываемой поверхности 157
4.3. Горизонтальные и вертикальные схемы контроля 165
4.4. Способы контроля поверхности астрозеркала в момент ее формообразования 168
4.5. Методы контроля крупных астрозеркал в цеховых условиях 173
4.6. 0 параметрах, влияющих на формообразование оптической поверхности 183
4.7. Параметры, определяющие жизнеспособность облегченных астрономических зеркал 187
4.8. Формообразование оптической поверхности на первой стадии ее обработки 206
4.9. Метода формообразования оптической поверхности на конечной стадии обработки 214
Заключение 227
Список литературы 230
Приложения 247
- Конструкций и разгрузка астрономических зеркал
- Влияние свилей, включений, пузырей и других механических дефектов в заготовке зеркала на качество его поверхности
- Деформация оптической поверхности на жестких опорах
- Способы контроля поверхности астрозеркала в момент ее формообразования
Введение к работе
Следуя долговременней стратегии ХХУІ съезда КПСС на период 11-й пятилетки и 80-е года в целом, а такаю решениям ноябрьского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС, главным направлением в развитии народного хозяйства страны принято осуществление мероприятий по максимальному использованию всех имеющихся внутренних резервов»
Главным направлением этих программ является создание, освоение и широкое внедрение новой техники и технологических процессов, обеспечивающих экономию трудовых и материальных затрат, повышение качества выпускаемой продукции»
Пленум наметил освоение в производстве новых технологических средств и технологических процессов, а также расширение объемов их внедрения, которые будут способствовать обновлению выпускаемой продукции и производственных фондов, повышению их технического уровня и улучшению экономических показателей развития отраслей народного хозяйства.
Одним из существенных направлений в развитии отечественного приборостроения является астроприборостроение.
За последнее время наземная и космическая астрономия сделали крупный шаг вперед. Астрономы получили в свое распоряжение целую серию высокоточных инструментов, охватывающих весь доступный для наблюдений спектральный диапазон. Появилась возможность изучать достаточно яркие объекты с дифракционным разрешением, используя метод спекл-интерферометрии.
Эффективность имеющихся в настоящее время систем телескоп-приемник близка к теоретической. Полная замена наземных оптических наблюдений наблюдениями из космоса пока не реальна» Космические эксперименты, охватывающие в астрономии рентгеновский и ультрафиолетовый диапазоны, одновременно стимулируют рост числа и эффективности наземных телескопов. Это создает предпосылки к созда - 5 -нию наземных телескопов четвертого поколения [88, 138, 183, 185J, собирающих гораздо больше света, чем крупнейшие современные рефлекторы.
Дальнейшее развитие наземной оптической астрономии ограничено не только отсутствием инструмента следующего поколения, но и нехваткой телескопов вообще. Цоэтому разработке новой, более дешевой технологии создания современных телескопов и телескопов четвертого поколения необходимо уделить особое внимание.
Важнейшей частью телескопа является главное зеркало, которое выполняет основную функцию телескопа, от его качества зависят возможности инструмента при проведении научных исследований. Если главное зеркало плохого качества, то все остальные условия не имеют значения. Изготовление главного зеркала представляет большую техническую трудность из-за больших размеров оптической поверхности при высоких требованиях к ее качеству. Площадь современного зеркала исчисляется квадратными метрами, а форма его поверхности должна быть выражена с точностью, до сотых долей микрометра. Телескопы четвертого поколения должны быть оснащены зеркалами, размеры которых превосходят диаметр 6-метрового зеркала,по-ка самого крупного из существующих. Ученые мира обсуждают два варианта создания телескопов с зеркалом диаметром от 10 до 25 метров: создание монолитного зеркала или составного [88]. Изготовление даже одного из составных зеркал диаметром 8-Ю метров является весьма сложной задачей, так как зеркало должно обладать очень высокой механической и температурной стабильностью, чтобы деформации зеркальной поверхности не превышали допустимої величины. С ростом размеров телескопов при данном отношении диаметра зеркала к толщине Д/t масса и соответственно цена возрастают пропорционально кубу диаметра Дг, жесткость зеркала и его температурная стабильность уменьшаются пропорционально квадрату диаметра и при Д 5-6 м. Трудности создания прочных опорных конструкций, сложность изготовления с разрешением даже 0,5" и стоимость становятся неоправ дано большими [56, 130, 138, I8lJ.
На один из существующих телескопов не достигает истинного предела оптического совершенства, а пределы размеров и качества оптики произвольны и определяются технологией. Существующие средства прямого и косвенного управления технологическим процессом изготовления зеркал в полной степени не обеспечивают выполнения поставленных задач перед современным астроприборостроением. Это объясняется некомшгексным подходом к технологий изготовления астрозеркал, где помимо механической обработки и технологического контроля оптической поверхности должны учитываться и другие параметры. В связи с этим необходимо строго научное обоснование определяющих параметров, а также изучение статистических данных по влиянию анизотропии и неоднородности материалов, нелинейности упругих характеристик, жесткости соединений элементов конструкции и других факторов, влияющих на эффективность процесса обработки с целью его дальнейшей оптимизации. При решении задач улучшения физико-механических свойств конструкционных материалов и снижения материалоемкости конструкций необходимо использовать современные экспериментальные метода исследования, дающие полную и точную информацию о напряженно-деформированном состоянии материала;
Существующие требования к качеству оптики на деле уже превосходят возможности по техническому обеспечению, и это обязывает технологов выбирать из всех параметров, влияющих на качество обработки, самые оптимальные.
Конструкций и разгрузка астрономических зеркал
Существующие конструкции астрозеркал, как для наземных, так и для космических телескопов можно подразделить на три типа (рис.1.2): монолитные, облегченные и составные (многозеркальные телескопы). Важнейшим фактором для всех типов зеркал является их масса, а масса инструмента прямо связана с массой главного зеркала, потому что оправа зеркала должна поддерживать зеркало данной массы с высокой точностью, остальные же части конструкции телескопа предназначены для прецизионного перемещения этой оправы вместе с зеркалом. Следовательно, облегчение всего телескопа основано на применении облегченных зеркал. Для снижения массы главного зеркала выбирается определенная концепция обеспечения прочности зеркала. Почти все существувдие зеркала телескопов изготовлены на основе принципа жесткого зеркала, которое разгружает так, чтобы сохранить качество его поверхности при всех положениях телескопа» Требования последних дней космической астрономии й систем телескопов-гигантов наземных, так называемых телескопов следующего поколения (ТСП), четвертого поколения, привели к разработке конструкций облегченных зеркал или зеркал, состоящих из жестких сегментов 80, 98, 137], взаимное положение которых регулируется ак тивной конструкцией телескопа.
Другая конструкция - гибкое тонкое главное зеркала [П7], когда корректируется поперечными дифференциальными усилиями форма его поверхности. Первый вариант обычно называется системой с активной структурой, а второй - системой с активной оптикой Монолитные зеркала применяются более часто, чем облегченные, однако их точный расчет на жесткость существенно сложнее [79, 88, 103, 117, 19б], а обработка оптической поверхности значительно легче и, как правило, качественнее.
Отношение жесткости к массе зеркальных конструкций часто улучшают за счет техники облегчения. Она, в общем, заключается в минимизации количества материала на нейтральных поверхностях зеркала, где это мало отражается на уменьшении жесткости относительно прогиба. Тогда масса зеркала уменьшается быстрее, чем жесткость на прогиб и уменьшаются смещения прогиба [88, 117]. Поперечные отклонения, однако, увеличиваются и иногда даже сводят на нет выигрыш в улучшении характеристики жесткости на изгиб. Однако уменьшение массы в целом меняет отношение жесткости к массе и улучшает конструкцию.
Исследования, проводимые в настоящее время для облегченных зеркал, работающих на дифракционном пределе разрешения, показали, что на отражающие оптические поверхности действуют разнообразные условия с начала их изготовления до момента,, когда они начинают функционировать. В зависимости от этих условий выбирается определенная конфигурация сердечника облегченного зеркала рис.1.3): треугольная, квадратная, круглая, гексагональная [88, П7]. Для монолитных и спечених зеркал - ячеистая структура и тип пористого "сэндвича" - мелкоструктурная заготовка из пористых материалов пеноситалл и пенокварц, шликерный кварц, гофрированный ситалл). Следует отметить, что характеристики пористых материалов хуже - -аналогичных характеристик исходных материалов, что не позволяет применять пористые материалы для точных зеркал. Преимущества и недостатки различных конструкций облегченных систем астрозеркал подробно описаны в отечественных и зарубежных публикациях [ЮЗ, 134, 135, 183, 196 ]. Для уменьшения массы можно оперировать только плотностью материала и толщиной "Ь , Простое уменьшение толщины зеркала, обычно применяемое на практике при необходимости снижения массы, условиям задачи не отвечает, так как с уменьшением толщины растут прогибы зеркала: t0fa = Kit / где Р - масса зеркала обычной конструкции в виде монолитной пластины, а Р 0 - соответственно масса зеркала облегченной конструкции, К - коэффициент уменьшения массы. По существующим технологическим нормам для высокоточных зеркал диаметром до одного метра отношение і /j) выбирается в пределах 1/6.,,1/8, что позволяет достаточно успешно проводить станочную обработку и контроль без специальных разгрузочных устройств. По мере роста размеров зеркал их деформации под действием собственной массы настолько превышают допустимые отклонения оптической поверхности от заданной формы, что становится обязательным применение разгрузочных устройств, компенсирующих уменьшение относительной жесткости зеркала, пропорциональное квадрату его диаметра при постоянном отношении t/D
Для снижения массы, достигающей десятков тонн при размерах зеркала в несколько метров обычно уменьшается отношение t т t но это влечет за собой значительные трудности при обработке. Например, величина центрального прогиба 6-метрового юнолитного зеркала с t /j) = І/Ю при прочих равных условиях эквивалентна метровому зеркалу с /2) 1/60 [l03j, т,е, зеркало будет нежестким по ооычным технологическим нормам, принятым в оптическом произ - -во детве, и его обработка и эксплуатация в условиях силы тяжести будут невозможны без специальной разгрузки. Уменьшение массы зеркала за счет его толщины приводит к конструктивно нежестким зеркалам, о которых упоминалось выше, другой путь уменьшения массы, соответствувдий поставленному условию Уодл V » " применение материала с меньшей величиной у/ , чем у традиционных материалов для зеркал. Зеркало из такого материала с характеристиками Oofot) Е QJI,, ftosi будет иметь массу Ро5л - КР и толщину, отвечающую условию равенства прогибов облегченного зеркала и зеркала сравнения tod/t - Kit.
Влияние свилей, включений, пузырей и других механических дефектов в заготовке зеркала на качество его поверхности
Влияние свилей на качество поверхности зеркала велико, поэтому при выборе заготовки необходимо произвести тщательное исследование расположения свилей, величины их двойного лучепреломления относительно всей массы диска и направленности потоков свилей. В периодической литературе [б, 39] уже сообщалось о влиянии потока свилей на качество поверхности точных зеркал. Результаты исследований обрабатываемых поверхностей зеркал из различных материалов подтвердили правильность выводов о влиянии направленных потоков свилей, всегда приводящих к астигматической ошибке на поверхности, исправление которой весьма трудоемко и не всегда успешно.
Эта закономерность нами наблюдалась, например, на зеркалах с однородностью по двойному лучепреломлению 16,7$ - на заготовке диаметром 1,3 м UST-II, СССР), 10,8$ - на заготовке диаметром 1,5 м, где имелся направленный поток свилей (рис.2.8; 2.9). Астигматизм проявился при ошибках профиля 0,06...0,08 мкм у первого зеркала и ОД мкм - у второго. Поскольку наличие свилей неизбежно, отметим, что наиболее предпочтительнее их расположение в заготовке - хаотическое или концентрическое. Это в значительной степени усредняет величину двойного лучепреломления во всей массе материала [39]. Особенно это следует учитывать при выборе заготовок из ситалла, в которых при просмотре в поляризованном свете всегда можно зафиксировать наличие неоднородностей, проявляющихся в виде структурного двойного лучепреломления, расположенного полосами; направление его совпадает с направлением свилей [б, 39].
Следует остановиться еще на одном обстоятельстве, которое играет немаловажную роль, - на влиянии свилей в зеркалах с малыми напряжениями ідо 0,09 МПа). Исследовались зеркала с потоками свилей, пронизывающими заготовку. В процессе обработки появился астигма тизм. Попытки не увенчались успехом. Зеркало исследовалось в вертикальном положении, когда оптическая ось его горизонтальна; при разворотах зеркала вокруг оптической оси наблюдался не только разворот оси астигматизма, но и изменение его величины. На нескольких зеркалах было найдено такое положение, когда астигматизм почти исчез, а на одном из зеркал стал равным нулю» При наблюдении за положением свили было обнаружено, что максимальное значение астигматизма возникло при расположении свили или потоков их, направленных вертикально вверх, а при горизонтальном расположении это значение становилось меньше или достигало нуля. Такие наблюдения проводились нами на зеркалах телескопов АЗТ-8, A3T-I4, A3T-I6, на главном зеркале спектрографа диаметром 2,0 м для ЕГА и были зафиксированы на других зеркалах диаметром до 1,0 м. Эта ошибка может оЪть устранена с помощью средств, способствующих усреднению значений модуля Юнга по различным направлениям.
Некоторые из этих зеркал были переотожжены, например АЗТ-8 (два зеркала) и A3T-I6, до значений внутреннего напряжения соответственно 0,7, 0,8 и 0,7 Ша. После вторичной обработки зеркал астигматическая ошибка ни у одного из них не наблюдалась.
Несколько иное действие оказывают одиночные свили. Исследования, проведенные с зеркалами диаметрами ІД5 м (АЗТ-24), 1,5 м (АШ-І4, спектрограф к ЗТШ-2,6), 2,0 м (Спектрограф ЕГА) и др., в которых наблюдались одиночные свили, показали, что от ориентации свили также зависит качество оптической поверхности зеркала.
Автором исследовались зеркала в вертикальном положении, разгруженные на ленте или в штатной оправе телескопа. Вновь было обнаружено, что вертикально расположенная свиль дает большую ошибку, чем та же свиль, расположенная горизонтально. Практически при горизонтальном расположении свили дифракционная картина изображения ис кусственной звезды не показала никаких отступлений» Повторный переотжиг заготовки зеркала с последующей обработкой картину не изменил.
Рассмотрим влияние одиночной свили с точки зрения теории упругости. На рис.2.10 изображена схематично одиночная свиль в одной и той же детали в двух разных положениях. Разница двойного лучепреломления любой свили отличается от разницы двойного лучепреломления основной массы стекла. Компоненты главных напряжений этой свили их й бу будут создавать дополнительные внутренние напряжения, значения которых можно записать [іІЗ]: где оС - угол между нормалью к элементарной площадке на поверхности свили и направлением компонент напряжения При oL as 0 (рис.2.Ю,а) на поверхность зеркала будут действовать компоненты напряжения от свили 6 , а возникающая деформация С т&х будет иметь величину большую, чем деформация основной массы зеркала Imctx я будет полностью зависеть от значений внутренних напряжений свили. Вызванная свилью деформация поверхности зеркала имеет локальный характер и деформация тем больше, чем больше разница двойного лучепреломления между свилью и материалом зеркала. Вследствие этого при Cmcfx У imctx искажение волнового фронта будет больше.
При развороте зеркала на угол d = 90 (рис.2.10,6) свиль примет горизонтальное положение, и компонента напряжения бу будет значительно меньше действующей на него нагрузки Р [из], при этом напряжение будет иметь выражение: Из 2.9) видно, что напряжение б при горизонтальном расположении свили равно нулю и влияние свили будет минимальным, что иодаверждается найшденшш на вышеуказанных зеркалах [? ]. %о касается грубых свилей или их потоков, выходящих на поверхность, то они недопустимы, так как в этих заготовках свили имеют значительные отступления по двойному лучепреломлению относительно всей массы диска» Свиль не только будет деформировать профиль поверхности при температурных перепадах на протяжении всей службы зеркала, но и не даст возможности добиться качества поверхности. Это можно объяснить следующим явлением, которое происходит в процессе полирования. В результате трения инструмента с поверхностью зеркала происходит ее нагрев; возникающие при этом температурные деформаций (.вследствие различия величины внутренних напряжений) приведут к неравномерному срабатыванию материала с поверхности. Шсле отстоя на поверхности зеркала всегда будет наблюдаться локальная ошибка, расположенная в районе этой свили. Грубые свили, расположенные близко к поверхности, нужно тщательно исследовать с точки зрения разницы внутренних напряжений свили и материала. Такие свили оказывают влияние при обработке зеркала на окончательной стадии полирования, когда профиль поверхности имеет ошибку, не превышающую 0,05...0,1 мкм. Характерно в этом отношении у нас проявили себя зеркала диаметром 2,6 м (ЗТА-2,6), контрольное зеркало диаметром 2,6 м для ЕЕА, главное зеркало БТА и ряд других зеркал диаметрами 0,98, 1,0, 1,5 м.
На рис.2.II изображена теневая картина Фуко поверхности главного зеркала ЕС А на стадии обработки, когда начали проявляться дефекты материала. Такая же картина влияния свили, выходящей на поверхность зеркала, наблюдалась и на трехметровом зеркале Ликской обсерватории (США) [ш]. Существенным пороком любого материала является пузырность.Осо
Деформация оптической поверхности на жестких опорах
Пятиметровое паломарское зеркало (США) изготавливалось в штатной оправе с дополнительными технологическими жесткими опорами. При обработке 6-метрового зеркала (СССР) необходимо было использовать опыт мировой практики создания крупных зеркал, поэтому нами были проведены эксперименты на макете и на зеркале диаметром 6,0 м по исследованию влияния жестких технологических опор на ка чество оптической поверхности»
Жесткие опоры, выполненные в виде силуминовых фланцев-цилиндров (рис.3.4) диаметром 175 мм в количестве 60 штук, одним концом закреплялись к корпусу штатной оправы, другим, проточенным по радиусу, равному радиусу тыльной стороны зеркала, сопрягались с ней. Радиусная поверхность каждой опоры заливалась герметикой УТ-32, а зеркало тыльной стороной приводилось в соприкосновение с герметикой на всех 60 опорах. В таком состоянии зеркало находилось до полной полимеризации герметика. Толщина герметика составляла в среднем 5,0 мм, зазор 1,0 мм плюс осадка 0,45 мм между герметикой и тыльной поверхностью зеркала. Зазор, создаваемый после вывешивания зеркала на торцевых механизмах разгрузки, обеспечивал свободный ход зеркала от воздействия веса обрабатывающего инструмента в диапазоне 1,5 мм. Эти данные были получены после многократных экспериментов, проведенных на одиночной опоре, на которой имитировалась нагрузка с удельным давлением 0,09 МПа, чтобы найти оптимальную величину усадки герметика под нагрузкой и достаточно приемлемую жесткость состава герметика. Нами было найдено весовое содержание герметика УТ-32, обеспечивающее всем параметрам осадку в пределах 0,3-0,4 мм. На 100 г одной заливки опорі: пасты У-34 № 9 - 12 г, перекиси марганца - 7 г и дифинилгуанидина - 0,8 г. Усадка герметика после застывания составила 1,5 мм, а осадка под нагрузкой - 0,45 мм.
Этот состав герметика при проведений данного эксперимента позволил в дальнейшем использовать его при технологических операциях и в конструкциях телескопов на других зеркалах как для разгрузки, так и для крепления оптики U3T-I9, АЗТ-20, ІЗТ-24).
Разработанный вариант разгрузки зеркала на жестких опорах имел преимущество перед американским в том, что выравнивание высоты опор разгрузок создавало равномерность распределения реакций по всей поверхности зеркала, в то время как у 5-метрового зеркала резиновые прокладки этой разновысотности й равномерности не обеспечивали.
Вследствие отсутствия вертикальной башни контроля нами была разработана методика и измерительная установка для исследования поверхности зеркала на торцевых разгрузках.Исследование проводилось с помощью двух диагональных кварцевых плоских зеркал диаметрами 0,5 м, теневого прибора Ж-584 и ИЗА-2 (рис.3.5). Зеркало имело точную юстировку до 0,1м в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В центре кривизны зеркала помещался точечный источник света I и экран 2 с увеличивающей системой. Был использован неподвижный источник света, а экран установлен на измерительном приборе ИЗА-2. Изображения источника света на экране от каждого диагонального зеркала 3 совмещались, величина несовмещения фиксировалась прибором ИЗА-2. При вращении испытуемого 6-метрового зеркала и при отсутствии ошибок на поверхности изображения источника света оставались совмещенными. Измерения проводились через каждые 30 с остановками вращения зеркала и многократными корректировками совмещения изображения точек и фиксацией положения стола прибора ИЗА-2.
Так как измерялась несимметричная ошибка любой зоны поверхности исследуемого зеркала ( у - 1650, 2200, 2800 мм), то диагональ-ные зеркала 3 размещались симметрично относительно центра вращения зеркала 4. Недостаточная контролируемость положения зеркала является недостатком метода измерений, критерием достоверности результатов является их многократность при повторных оборотах зеркала.
Было проведено 920 измерений отклонений радиуса зеркала, результаты этих измерений показали, что качество поверхности на жестких опорах с герметиком в три раза улучшилось по сравнению с американским типом опор. Однако абсолютная величина ошибки поверхности на жестких опорах совершенно не удовлетворяла требованиям для дальнейшего ведения работ по изготовлению зеркала."
В табл.3.I и на рис.3.6 и 3.7 приведены усредненные результати измерений и построены кривые, которые не являются сечениями в районе изображения точки (рис.3.8), а есть изображения в векторной форме поперечных аберраций, возникающих из-за несимметрии поверхности зеркала. Отсюда для зеркала с R$AtC p, 800 ш У1"" ловая величина отклонения
A RT - отклонение радиус-вектора теоретического, полученного, исходя из отклонений волнового фронта в результате воздействия расчетного размаха прогиба поверхности зеркала от системы разгрузки
При отклонениях поверхности зеркала на зонах у = 1650, Значения с0 и Д Rj сведены в табл.3.1 и по ним построены графики (рис.3.3, 3.4, 3,9, 3.10 И З.П).
Из табл.3.1 видно, что максимальная ошибка на жестких опорах превышает расчетную в 262 раза, а минимальная - в 4,7 раза. Поэтому от использования жестких опор даже в улучшенном варианте пришлось отказаться»
Испытания зеркала на жестких опорах показали, насколько значительно будет влиять нагрузка на поверхность зеркала, если штатная оправа дополнительно не снабжена системой чувствительной техноло гической разгрузки, исключающей жесткое соприкосновение тыльной поверхности зеркала при нагрузке зеркала обрабатывающим инструментом. Таким образом, экспериментально установлено отрицательное влияние жестких опор на деформацию оптической поверхности зеркала. Выявлена необходимость создания специальной технологической разгрузки зеркала на период его изготовления.
Предложен состав герметика, позволяющий осуществлять крепление главных и вторичных зеркал в системе телескопа. Исследованиям 6-метрового зеркала на ленте в вертикальном положении предшествовали исследования и работы на зеркалах диаметрами 0,73, 0,98, 1,15, 1,5, 2,0 И 2,6 м (АЗГ-8, АЗТ-І0ДІ, 12, 15 И 16, ЗТШ-2,6, ЗТА-2,6, спектрографы ЗТШ-2,6, БТА И др.).
У зеркал, подвешенных на ленту с войлочной прокладкой иди резиной и без нее, по краю возникали деформации оптической поверхности. Деформации наблюдались на поверхности шириной до 104 мм от края зеркала и увеличивались до 155 мм, если войлок убирался. Результаты отклонений волнового фронта на этих зонах приведены в табл.3.2.
С увеличением диаметра зеркала и с уменьшением величины двойного лучепреломления ширина зоны деформации и значения отклонения волнового фронта увеличивались. Двойное лучепреломление, например, зеркала диаметром 1,5 м на порядок больше двойного лучепреломления зеркала диаметром 0,73 м (55 нм/см и 5,0 нм/см), а деформации поверхности у этих зеркал - одинаковые (0,25 и 0,3 мкм), то же самое можно сказать о зеркалах диаметрами 1,15 и 1,3 н (пп.5 И 6 табл.3.2), которые различаются величиной двойного лучепреломления при почти равных диаметрах, что обусловливает увеличение деформа
Способы контроля поверхности астрозеркала в момент ее формообразования
Одна из основных частей технологического процесса - контроль оптической поверхности при ее формообразовании - в литературе освещена очень скромно [25, 74, 123, 140]. Методом контроля шлифованной поверхности является контактный метод, всеми уже апробированный. Простейшим контактным прибором является сферометр, точ ность измерения которым колеблется в пределах конкретной реализации I...3 мкм.
Для повышения точности контроля шлифованной поверхности зеркала нами разработан способ измерения стрелки прогиба каждой обрабатываемой зоны и сравнения ее с расчетной величиной стрелки прогиба для данной зоны [ 9 ].
Сферометр калибруется на заданный радиус сферы сравнения и устанавливается средней ножкой 2 на вершину измеряемой поверхности {.рис.4.4,а). Величина первого измерения будет 2 , что примерно в два раза больше разности п между стрелкой прогиба сферы сравнения и стрелкой прогиба параболы для данной измеряемой зоны поверхности. Имея первое измерение Н, = 2, , перемещают сферометр по радиусу поверхности каждый раз на величину, равную его полубазе 8 , устанавливая измерительный щуп на прежнее место средней ножки сферометра (рис.4.5). В результате этого получаются отсчеты
Строится кривая отклонений разности прогибов между сферой сравнения и исследуемой поверхностью согласно полученным координатам точек по схеме, указанной на рис.4.5.
По оси абсцисс Л раз откладывается полубаза В/2 сферометра, а по оси ординат - величина измерений 2 Cf Вычисляются теоретические величины 2 6 выбираемой сферы сравнения, строится кривая, аналогичная расчетной. Одно из серий измерений схематически показано на рис.4.4,в. После предварительных измерений сферометром различных баз 5 и сравнения двух кривых, сферометр калибруется для окончательных измерений; сферометр устанавливается на нуль в центре поверхности зеркала; производятся предварительные измерения: 0; tt і С г п И вычисляются окончательные значения с помощью формулы интерполяции и экстраполяции:
Из всего сказанного видно, что данный метод контроля исключает необходимость изготовления эталонных стекол большого размера. Другое преимущество этого метода состоит в значительно более высокой точности, по сравнению с методом относительного измерения эталонного стекла, так как оно не может быть изготовлено с идеальной точностью, что вносит определенные ошибки при контроле обрабатываемой поверхности. Данный метод не прибавляет дополнительных ошибок в контроле, так как измерение проводат,ся относа тельно изменения стрелок прогиба поверхности от зоны к зоне и обеспечивается точность 0,1 мкм на зонах шириной около 1,0 м.
Другим положительным обстоятельством является то, что если радиус кривизны в вершине теоретической поверхности сильно колеблется, т.е. если фокусное расстояние зеркала изменяется, разность прогиба между новой сферой сравнения и новой теоретической поверхностью будет незначительна. Следовательно, можно манипулировать сферой сравнения, т.е. отнимать или добавлять несколько микрометров ко всем прогибам, измеренным на реальной получаемой поверхности, не изменяя сильно координаты кривой деформаций поверхности по отношению к новой сфере сравнения. Следовательно, можно было бы искать, какая теоретическая поверхность удовлетворяет при нужной деформаций и совпадает лучше всего с полученной поверхностью.
Полное представление о состояний оптической поверхности астро-зеркала в момент ее формообразования получается, если в дополнение к методу оценки профиля кривой с помощью сферометра применить иммерсионный метод, разработанный автором в НИР по теме TT-2-60I--73. Этот метод основан на применении иммерсионной жидкости с показателем преломления, близким к показателю преломления материала заготовки зеркала. Иммерсионной жидкостью смазывается шлифованная поверхность зеркала и контролируется обычным оптическим методом, например, методом Фуко. Коэффициент отражения шлифованной поверхности, смазанной иммерсионной жидкостью, значительно меньше, чем поверхности полированной, но он достаточен для получения теневой картины одновременно от всей поверхности и для измерения оптических отрезков.
Полученные таким образом данные профиля поверхности сопоставляются с данными, полученными методом сферометра и корректируются, т.е. вносятся определенные поправки, которые позволяют окончательное шлифование поверхности произвести без внесения астигматической ошибки, так как оценка деформаций кружка рассеяния, наблюдаемого, в микроскоп, является самой достоверной и уже на стадии шлифования можно исключить разницу радиусов поверхности в сагиттальной и меридиональной плоскостях, если она имеет место. Контроль шлифованной поверхности сфёрометрическим и иммерсионным методами в сочетании с разработанным автором методом исправления астигматизма (отчет по теме НИР ТТ2-605-72) предопределяет появление астигматизма на ранней стадии формообразования оптической поверхности и тем самым исключает повторную ее обработку.
Как уже говорилось, на стадии тонкого шлифования формы поверхности с успехом применяются комплексный сферометрическйй и иммерсионный методы контроля. При этом используются в конкретных условиях горизонтальная и вертикальная схемы контроля. Так, при
