KR20230065237A - 스페이스 미션에 사용 가능한 광망원경을 위한 광학 요소들을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

광학 요소(1)를 제조하기 위한 방법으로서, 제1 금속 재료의 원형 시트(2)를 스피닝시켜 원형 시트(2)가 회전하는 매트릭스(3)에 부착되어 쉘(8)을 형성하는 제1 단계, 쉘(8)을 임시 지지체(10)에 조립하는 제2 단계, 및 다이아몬드 공구(13)에 의해 쉘(8)을 다이아몬드 스피닝하여 광학 표면(14)을 획득하는 적어도 제3 단계를 포함한다.

Description

스페이스 미션에 사용 가능한 광망원경을 위한 광학 요소들을 제조하기 위한 방법

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 특허 출원은 2020년 7월 14일에 출원된 이탈리아 특허 출원 제102020000017086호로부터의 우선권을 주장하며, 그 전체 개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.

기술 분야

본 발명은 특히 스페이스 미션에 사용 가능한 광망원경(telescope optics)을 위한 광학 요소들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명은 배타적이지는 않지만 바람직하게는 일반성의 손실 없이 특히 언급될 X선용 망원경을 위한 그레이징 입사(grazing incidence) 광학 장치의 제조에 적용된다.

그레이징 입사 광학 장치는 서로 동심인 복수의 비구면 환형 광학 요소를 포함하며, 예를 들어, 볼터-I(Wolter-I) 구성에서, 각각의 요소는 포물선 단면이 있는 부분과 쌍곡선 단면이 있는 부분을 갖는다.

특히 대형 거울들(예를 들어, 직경 3 m 정도)의 경우에서 이러한 광학 장치들은 모듈식 공정을 통해, 즉 서로 "적층"되고 이격된 복수의 세그먼트들로 각각 구성된 일련의 모듈을 생산함으로써 제조될 수 있다. 세그먼트들은 일반적으로 100 mm x 100 mm 정도의 크기와 일반적으로 1 mm 미만의 두께를 갖는 유리 시트(용융 실리카 또는 보로플로트(borofloat) 유리 또는 다른 유형들의 유리) 또는 규소 웨이퍼들로 구성된다. 완전한 광학 장치는 최대 수만 개의 세그먼트들로 구성될 수 있다.

이 구성 기술과 관련된 문제는 각각의 모듈의 생성, 그리고 완전한 거울을 형성하기 위한 모듈들의 통합이 길고 비용이 많이 드는 작업이라는 점이며, 또한 높은 정밀도를 유지하면서 많은 수의 모듈들을 통합하는 어려움과 관련하여 정확도 측면에서도 한계를 갖는다.

대안적인 기술은 제한된 수의 모놀리식 환형 유리 쉘들(예를 들어, 외부 직경이 3 m인 광학 장치의 경우 200개 미만)로부터 거울을 생산하는 것이다.

이로 인해 모듈들의 조립 및 통합 작업들이 필요 없고, 결과적으로 쉘의 방위각 대칭 덕분에 성능이 향상된다.

그러나, 유리 쉘들은 비용이 많이 들고 깨지기 쉬우며 조달 시간이 오래 걸린다. 이러한 쉘들의 최소 두께는 재료의 기계적 강도가 아닌 작업 공정에서 깨지기 쉬운 재료에 필요한 안전 계수들에 의해 제한된다. 특히, 기계적 강도를 높이기 위해서는 외부 표면에 대한 표면처리가 필요하다.

따라서, 모놀리식 유리 쉘을 사용하는 기술은 품질 면에서 바람직하지만, 사용에 상당한 제한이 있다.

광학 요소들은 또한 얇은 형상의 기판을 얻을 때까지 주조 및 재료를 제거하기 위한 제거 가공(machining)을 통해 획득된 단일 금속 피스(piece)에서 생산된다. 또한, 이 기술에는 얇은 기판들에 관한 생산 어려움, 주조에 의해 획득된 초기 단일 피스의 높은 비용, 긴 작업 시간, 작업 공정이 끝날 때까지 재료의 균일성을 확인할 가능성이 매우 제한적임, 재료의 불균일한 잔류 응력 및 작업 중 파손 위험과 같은 상당한 단점들이 있다. 대안적으로, 거울들을 단일 피스로 생산하기 위한 매우 널리 알려진 기술은 생산될 거울의 음각 프로파일(negative profile)을 갖는 금속 맨드릴(mandrel)로부터 시작하는 니켈 전기주조에 의한 복제이다. 그러나, 이 접근 방식에도, i) 무엇보다도 광학 등급 랩핑된(lapped) 표면을 가진 대형 맨드릴을 생산하는 어려움에 의해 제한되는, 큰 직경의 거울을 생산하는 어려움(지금까지 이 방법으로 생산된 가장 큰 직경의 거울은 직경이 70 cm임), ii) 우주 비행용 기구를 생산하는 데 단점이 되는 니켈의 높은 밀도, 및 iii) 복제 기술로 매우 높은 각도 분해능을 얻는 것의 어려움과 같은 일부 금기 사항들이 있다.

본 발명의 목적은 전술된 알려진 방법들과 관련된 문제들을 해결하는, 광학 요소들의 제조를 위한 대안적인 방법을 이용 가능하게 하는 것이다.

전술된 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 더 나은 이해를 위해, 첨부된 도면들을 참조하여 비제한적 예로서 바람직한 실시예가 다음에서 기술된다:
도 1은 쉘 제조용 반제품의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 방법에 따른 제1 작업 단계의 개략도이다.
도 3은 도 2의 단계 종료 시 반제품의 개략적 사시도이다.
도 4는 후속 작업 단계들을 위한 지지 구조체 내의 도 3의 반제품을 도시한다.
도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 방법의 후속 작업 단계들의 개략도들이다.
도 9는 다른 광학 요소들과의 통합을 위한 지지 구조체 내의 완성된 광학 요소를 도시한다.

본 발명에 따르면, 광학 요소(1)(도 9)는 원형 금속 시트(2)(도 1)로부터 시작하여 생산된다. 재료는 바람직하게는 알루미늄 합금, 예를 들어, 안티코로달(Anticorodal)과 같이 마그네슘(0.4 내지 1.7%), 망간(0.5 내지 1%) 및 규소(1 내지 5%)를 갖는 알루미늄 합금이다. 시트의 두께는 0.5 내지 15 mm 범위이고 바람직하게는 약 2 mm이다.

본 발명에 따르면, 시트(2)는 초기에 금속 스피닝으로 알려진 단계를 거치며, 이 단계에서 시트(2)는 획득될 형상을 한정하고 선반(도시되지 않음)의 맨드릴에 장착된 형상화 매트릭스(3)와 카운터 헤드(4) 사이에서 축방향으로 차단된다.

매트릭스(3), 카운터 헤드(4) 및 시트(2)는 서로 동축이다.

맨드릴은 회전하도록 만들어지고 결과적으로 매트릭스(3)/시트(2)/카운터 헤드(4) 조립체를 회전시킨다.

회전 동안, 시트(2)는, 매트릭스(3) 반대편의 시트의 면에 작용하고 상기 매트릭스의 모선에 평행하게 이동하여 시트(2)를 변형시키고 시트(2)가 매트릭스(3)의 외부 표면(6)에 점진적으로 부착되도록 하는 도구(5)에 의해 변형되어 그 형상을 재현한다.

공정의 이 단계의 끝에서, 시트(2)의 중앙 부분(7) 및 필요한 경우 그 반대편의 외부 에지는 임의의 공지된 절단 공정에 의해 제거되어 획득될 광학 요소와 유사한 축대칭 쉘의 형태의 반제품(8)(이하, 간결함을 위해 "쉘(8)")을 획득한다(도 3).

이어서, 쉘(8)은 바람직하게는 수직축을 갖는 지지체(10)(도 4) 내부에 장착되며, 지지체는 이를 축방향 및 반경방향으로 차단하여 재료에서 가능한 최소 수준의 응력을, 그리고 따라서 가능한 최소 수준의 내부 장력을 유도한다. 이를 위해, 지지체에 쉘(8)의 등간격 외부 모선들을 따라 연장되는 복수의 지지 리브들(11)이 구비될 수 있다.

대안적으로, 리브들(11)은 쉘(8)을 매트릭스(3)로부터 제거하기 전에 예를 들어 글루잉(gluing) 또는 용접에 의해 쉘에 고정될 수 있고, 따라서 리브들(11)은 지지체(10)에서 리브들(11)과 협력하는 고정 요소들(12)이 구비되어 위치 설정 및 고정 요소들을 구성할 수 있다.

일단 지지체(10)에 위치되면, 쉘(8)은 완성된 광학 요소(1)가 생산될 때까지 공정의 일련의 연속적인 단계들(도 5 내지 도8)을 거친다(도 9).

도 5를 참조하면, 쉘(8)은 다이아몬드 스피닝 단계(다이아몬드 공구(13)에 의한 정밀 선삭)를 거친다. 지지체(10)는 도시하지 않은 수직축을 갖는 맨드릴에 장착되어 회전된다. 다이아몬드 공구(13)는 매우 높은 정밀도로 가공된 쉘(8)의 광학 표면(14)(도시된 예에서, 내부 표면)과 접촉하게 된다.

이어서(도 6), 쉘의 광학 표면(14)은 수용액 중의 자가촉매 화학조에 침지하는 증착(depositing) 공정에 의해 무전해 니켈(니켈 인 합금, 예를 들어, Kanigen®)로 코팅된다. 이러한 방식으로, 10 내지 100 ㎛ 범위, 그리고 바람직하게는 약 20 ㎛의 코팅 층이 획득된다. 조에 침지하는 것은 바람직하게는 지지체(10)로부터 쉘(8)을 제거하지 않고 수행되며, 이는 침지 전에 뒤집힐 수 있다. 이러한 방식으로 쉘은 원치 않는 장력을 받지 않는다. 대안적으로, 쉘(8)은 지지체(10)로부터 제거되어 조에 침지되기 위한 또 다른 전용 지지체에 장착될 수 있다.

후속적으로, 쉘(8)은 두 번째 다이아몬드 스피닝 단계(선택적임)를 거칠 수 있으며(도 7), 이 단계에서 니켈 도금에 의해 유도된 임의의 변형들은 수정될 수 있고 설계 기하학적 구조가 광학 표면(14)에 복원된다.

마지막으로, (도 8) 광학 표면(14)은 정밀 밀링으로 방위각 표면을 연삭하는 최종 단계(선택적임), 보닛 연마 및 피치 패드들 또는 다른 연마 재료들을 사용한 초연마에 의한 프로파일의 완화를 거쳐 광학 표면(14)의 미세 거칠기가 나노미터 미만인 완성된 광학 요소(1)를 획득할 수 있다.

완성되면 광학 요소(1)는 통합 지지체(20)(도 9) 상에 조립되고, 이는 존재하는 경우 쉘(8)의 리브들(11)과 협력할 수 있는 고정 요소들(12)에 의해 광학 장치를 형성하는 상이한 쉘들이 동축으로 고정되는 원형 구조로 편리하게 구성된다.

통합 지지체(20)는 편리하게 쉘(8)과 동일한 재료, 예를 들어, 알루미늄으로 제조되어 열 유도 장력이 없고 기계적으로 안정적이며 가벼운 광학 장치를 생산한다.

이어서, 공정이 반복되어 통합 지지체(20)에 동축으로 조립되는 다른 광학 요소(1)를 생산하고, 따라서 완전한 광학 장치를 형성한다.

기술된 공정을 검토하는 것으로부터, 본 발명에 의해 제공되는 이점들이 명백하다.

스피닝 기술의 사용은 유리 쉘들의 생산을 위한 공지된 기술들 및 금속 쉘들의 공지된 주조 및 제거 가공 기술들과 관련된 단점들을 제거할 수 있게 한다. 따라서, 저렴한 비용으로 그리고 공정 단계들에서 쉘들이 파손될 위험 없이 광학 장치를 생산할 수 있다. 광학 장치의 프로토타이핑 및 생산 시간이 크게 단축된다. 복제 공정이기 때문에, 저렴한 비용으로 다양한 프로토타입들 또는 백업 광학 장치가 생산될 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않는 수정들 및 변형들이 기술된 공정에 이루어질 수 있음이 명백하다.

특히, 형태의 정밀도 및 표면 거칠기의 요구 사항들에 따라, 니켈 도금 및 다이아몬드 스피닝 작업들이 회피될 수 있다.

광학 표면의 반대편 면 상에 전기화학적 처리들이 수행되어 산화 및/또는 제거 가공, 또는 방전 가공을 방지하여 재료를 가볍게 할 수 있다.

쉘이 여전히 매트릭스 상에 지지되는 동안 지지 요소들 또는 패턴들이 또한 (예를 들어, 글루잉, 용접 또는 3D 인쇄를 통해) 상기 면에 제공되거나 적용될 수 있다. 구조적 요구 사항들을 충족하는 데 필요한 광학 장치의 총 두께는 벌집형(honeycomb) 구조체와 같은 가벼운 재료를 삽입하고 두 개의 금속 쉘들로 전체 구조체를 구성함으로써 달성될 수 있다.

쉘의 생산을 위한 알루미늄 합금은 지지체에 대한 열팽창 계수를 일치시키고(harmonize), 니켈로 바이메탈 효과를 완화하며 구조적 저항을 최적화하도록 선택할 수 있다.

그레이징 입사 광학 장치를 참조하여 예로서 기술하였지만, 본 발명의 대상으로서의 방법은 수직 입사 광학 장치의 생산에도 사용될 수 있으며, 이 경우 쉘은 망원경의 주경과 관형 측벽을 일체로 한정하는 컵 형상의 몸체처럼 만들어질 수 있다.

방법은 또한 축대칭이 아닌 광학 장치의 생산에도 사용될 수 있으며, 단, 원주로부터 평행한 매트릭스 프로파일의 편차가 다이아몬드 공구가 회전하는 동안 상기 프로파일을 따를 수 있도록 충분히 작아야 한다.

방법의 선택적 변형에 따르면, 매트릭스는 실리콘 오일, 예를 들어, 블루스타 실리콘즈사(Bluestar Silicones)의 Rhodorsil® 47 V 50 오일로 처리될 수 있으며, 이는 생산 단계에서 매트릭스가 거치는 제거 가공으로 인해 그에 필연적으로 존재하는 미세 홈들을 "채우도록" 설계되었다. 이는 금속 스피닝 단계 동안 상기 미세 홈들이 시트 상에 재현되어 거울의 정확성을 손상시키는 것을 방지한다.

방법의 추가의 선택적 변형에 따르면, 쉘은 제거 가공으로 인한 내부 장력을 제거하거나 적어도 감소시키기 위해, 제거 가공 작업들 사이에 그리고/또는 광학 표면에 코팅 층을 증착하기 전에 응력 제거 어닐링 열처리를 거칠 수 있다.

Claims (16)

1. 광학 요소(1)를 제조하기 위한 방법으로서,
   제1 금속 재료의 원형 시트(2)를 스피닝하여, 상기 원형 시트(2)가 회전하는 매트릭스(3)에 부착되어 쉘(8)을 형성하는 제1 단계;
   상기 쉘(8)을 임시 지지체(10)에 조립하는 제2 단계; 및
   다이아몬드 공구(13)에 의해 상기 쉘(8)을 다이아몬드 스피닝하여, 광학 표면(14)을 획득하는 적어도 제3 단계를 포함하는, 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 광학 표면(14) 상에 제2 금속 재료의 코팅 층을 증착(deposit)하는 제4 단계를 포함하는, 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 금속 재료는 알루미늄 합금인, 방법.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 금속 재료는 니켈 합금인, 방법.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 제2 금속 재료는 무전해 니켈인, 방법.
   
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 다이아몬드 공구(13)로 상기 코팅 층을 다이아몬드 스피닝하는 제5 단계를 포함하는, 방법.
   
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 코팅 층을 초연마하는 제6 단계를 포함하는, 방법.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반제품이 상기 매트릭스 상에 있는 동안 상기 광학 표면(14) 반대편의 상기 쉘(8)의 표면을 제거 가공(machining)하는 적어도 하나의 단계를 포함하는, 방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 가공 단계는 기계 가공을 포함하는, 방법.
   
10. 제8항에 있어서, 상기 가공 단계는 방전 가공 작업을 포함하는, 방법.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트가 부착되도록 만들어진 상기 매트릭스의 표면은 실리콘 오일로 처리되는, 방법.
    
12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도, 상기 쉘(8)이 상기 매트릭스(3) 상에 있는 동안 상기 광학 표면(14) 반대편의 상기 반제품의 표면 상에 적어도 하나의 지지 요소(11)를 고정하는 단계를 포함하는, 방법.
    
13. 제12항에 있어서, 상기 고정 단계는 용접 작업을 포함하는, 방법.
    
14. 제12항에 있어서, 상기 고정 단계는 글루잉(gluing) 작업을 포함하는, 방법.
    
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 완성된 광학 요소(1)를 통합 지지체에 장착하는 단계를 포함하는, 방법.
    
16. 제15항에 있어서, 상기 이전 단계들이 주기적으로 반복되어 복수의 광학 요소(1)를 만들고 이들을 상기 통합 지지체에서 서로 동축으로 장착하는, 방법.

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