RU2018430C1 - Method of manufacturing metal optical members - Google Patents
Method of manufacturing metal optical members Download PDFInfo
- Publication number
- RU2018430C1 RU2018430C1 SU4516547A RU2018430C1 RU 2018430 C1 RU2018430 C1 RU 2018430C1 SU 4516547 A SU4516547 A SU 4516547A RU 2018430 C1 RU2018430 C1 RU 2018430C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- optical
- metal
- optical surface
- workpiece
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для создания металлооптических элементов различного назначения (зеркала, призмы, многогранные отражатели и т.п.), входящих в состав оптических систем, например объективов для глубокоохлаждаемых оптико-электронных приборов, или работающих при криогенных и более низких температура. The invention relates to optical instrumentation and is intended to create metal-optical elements for various purposes (mirrors, prisms, multifaceted reflectors, etc.) that are part of optical systems, for example, lenses for deep-cooled optical-electronic devices, or operating at cryogenic and lower temperatures .
Необходимость измерения чрезвычайно малых потоков излучения требует создания охлаждаемой оптики для уменьшения теплового фона собственно оптико-электронного прибора до приемлемого уровня отношения сигнал/шум. Это, в свою очередь, предъявляет жесткие требования к искажениям волнового фронта внешнего излучения после взаимодействия с каждой конкретной поверхностью охлаждаемого металлооптического элемента системы. Любое искажение формы поверхности элемента, используемого в сочетании с другими подобными элементами в объективе, приводит к его разъюстировке и дефокусировке и, как следствие этого, к уменьшению его разрешающей способности. The need to measure extremely small radiation fluxes requires the creation of cooled optics to reduce the thermal background of the optoelectronic device itself to an acceptable signal-to-noise ratio. This, in turn, imposes stringent requirements on the distortions of the wavefront of external radiation after interacting with each specific surface of the cooled metal-optical element of the system. Any distortion of the surface shape of the element used in combination with other similar elements in the lens leads to its misalignment and defocusing and, as a consequence, to a decrease in its resolution.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изготовления металлооптических зеркал [1], заключающийся в изготовлении заготовок, механической и термической обработке, старении, шлифовке, полировке и контроля качества поверхности зеркала. Основным недостатком этого способа является низкая надежность из-за нестабильности формы оптической поверхности зеркала при работе в условиях глубокого вакуума и криогенных температур. The closest in technical essence to the proposed one is a method of manufacturing metal-optical mirrors [1], which consists in the manufacture of blanks, mechanical and heat treatment, aging, grinding, polishing and quality control of the mirror surface. The main disadvantage of this method is the low reliability due to the instability of the shape of the optical surface of the mirror when operating in high vacuum and cryogenic temperatures.
Целью изобретения является повышение надежности путем стабилизации формы оптической поверхности металлооптического элемента при работе в условиях вакуума и криогенных температур. The aim of the invention is to increase reliability by stabilizing the shape of the optical surface of the metal-optical element when operating in vacuum and cryogenic temperatures.
Цель достигается тем, что в способе изготовления металлооптических элементов, заключающемся в том, что изготавливают заготовку, осуществляют ее механическую и термическую обработку, старение, шлифование, полирование и контроль качества оптической поверхности элемента, заготовку элемента вырезают так, что значения термического коэффициента линейного расширения металла в плоскости оптической поверхности во всех направлениях одинаково, для этого вырезают перпендикулярно плоскости оптической поверхности изготавливаемого элемента или вырезают из отливки. The goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing metal-optical elements, which consists in the manufacture of a preform, its mechanical and heat treatment, aging, grinding, polishing and quality control of the optical surface of the element, the preform of the element is cut so that the values of the thermal coefficient of linear expansion of the metal in the plane of the optical surface in all directions equally, for this cut perpendicular to the plane of the optical surface of the manufactured element or cut out of the casting.
В процессе экспериментальных исследований динамики изменения формы оптической поверхности сферических и асферических металлооптических элементов, изготовленных из металлов и их сплавов, при их глубоком охлаждении, была выявлена взаимосвязь формы оптических зеркальных поверхностей, работающих в условиях вакуума и криогенных температур, от физико-химических свойств собственно металлической заготовки. Вопреки ожидаемому высококачественные сферические и асферические зеркала, изготовленные по технологическому процессу, предусматривающему весь комплекс операций старения, отжига и термообработки с качеством оптической поверхности ( σw= 0,1 λ ), в условиях глубокого вакуума и охлаждения повели себя аномально. Так, например, форма их оптических поверхностей ухудшилась в 10-15 раз (фиг.1, кривая 1). В результате многократно проведенных экспериментов однозначно было показано, что причина этого в анизотропии термического коэффициента линейного расширения заготовки.In the process of experimental studies of the dynamics of the shape of the optical surface of spherical and aspherical metal-optical elements made of metals and their alloys during their deep cooling, the relationship between the shape of optical mirror surfaces operating under vacuum and cryogenic temperatures, on the physicochemical properties of the metal itself blanks. Contrary to what was expected, high-quality spherical and aspherical mirrors made by a technological process that provides for the whole range of aging, annealing, and heat treatment operations with optical surface quality (σ w = 0.1 λ) behaved abnormally under conditions of deep vacuum and cooling. So, for example, the shape of their optical surfaces worsened 10-15 times (Fig. 1, curve 1). As a result of repeated experiments, it was unequivocally shown that the reason for this is the anisotropy of the thermal coefficient of linear expansion of the workpiece.
Заготовку зеркала из алюминиевого сплава 1201 нарезают из прутка перпендикулярно его оси, т.е. таким образом, что направление оси будущего зеркала совпадало с направлением оси прутка. В этом случае направление анизотропии термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) сплава перпендикулярно плоскости оптической поверхности изготавливаемого зеркала. Затем осуществляют традиционные для изготовления металлооптических элементов технологические операции: выполняют токарную обработку заготовки зеркала, механическую и термическую обработки, старение, термоциклирование, шлифование, полирование. В данном случае выполняют в сочетании с несколькими циклами обработки отжиг и закаливание при различных температурах, нагрев до (535± 5)оС в течение часа и охлаждение, затем нагрев до (185-195)оС в течение 20-36 ч с охлаждением и последующим повышением температуры до (280-290)оС в течение 20-30 мин, охлаждением и вновь повышением температуры до (120± 5)оС, поддержанием этой температуры в течение 4-6 ч с последующим охлаждением элемента вновь до комнатной температуры. Термоциклирование будущего зеркала проводят с охлаждением до температуры жидкого азота и жидкого гелия с последующими нагревом до (80-100)оС и охлаждением до комнатной температуры. В дальнейшем выполняют полировку зеркала, один термоцикл по описанному режиму и осуществляют контроль состояния оптической поверхности.The billet of a mirror made of aluminum alloy 1201 is cut from a rod perpendicular to its axis, i.e. so that the direction of the axis of the future mirror coincided with the direction of the axis of the bar. In this case, the direction of anisotropy of the thermal coefficient of linear expansion (TEC) of the alloy is perpendicular to the plane of the optical surface of the manufactured mirror. Then, the technological operations traditional for the manufacture of metal-optical elements are carried out: they perform turning of the mirror blank, mechanical and thermal processing, aging, thermal cycling, grinding, polishing. In this case, operate in conjunction with multiple cycles of annealing and tempering treatment at various temperatures and heated to (535 ± 5) ° C for one hour and cooled, then heated to (185-195) ° C for 20-36 h with cooling and then raising the temperature to (280-290) ° C for 20-30 min, cooled and again raising the temperature to (120 ± 5) ° C, maintaining this temperature for 4-6 hours, followed by cooling the element to room temperature again . Thermocycling was performed with a mirror future cooling to the temperature of liquid nitrogen and liquid helium, followed by heating to (80-100) C, and cooled to room temperature. Subsequently, the mirror is polished, one thermal cycle according to the described mode, and the state of the optical surface is monitored.
Контроль качества оптической поверхности сферических и асферических металлических зеркал проводился на криогенно-вакуумном стенде с помощью неравноплечного интерферометра типа Физо. Интерференционная картина формировалась при взаимодействии двух фронтов от одного источника на длине волны λ = 0,6328 мкм излучения, один из которых отражался от эталонной полупрозрачной поверхности, а другой - от исследуемой поверхности. Качество поверхности зеркала контролировалось в нормальных условиях вне вакуумной камеры стенда. После установки зеркала в камеру проводился повторный контроль. Это позволяло исключить появление возможных искажений поверхности зеркала при закреплении его в испытательном оборудовании и установке термометров сопротивления ТСУ-2, по результатам показаний которых определялась температура на зеркале и в камере. Влияние вакуума и охлаждения оснастки на эталонную поверхность находилось в пределах погрешностей интерферометра (0,08 λ ). Градиентов температуры в направлении радиусов зеркала, отстоящих друг от друга на 120о, в пределах точности регистрации температуры (0,5оС) в течение всего процесса охлаждения не было установлено. Достигнутые значение температуры на зеркале поддерживались стабильными с точностью ± 1оС.Quality control of the optical surface of spherical and aspherical metal mirrors was carried out on a cryogenic-vacuum test bench using a Fizeau type non-shoulder interferometer. An interference pattern was formed during the interaction of two fronts from one source at a wavelength of λ = 0.6328 μm of radiation, one of which was reflected from the reference translucent surface, and the other from the surface under study. The surface quality of the mirror was controlled under normal conditions outside the vacuum chamber of the stand. After installing the mirror in the camera, a second control was carried out. This made it possible to exclude the occurrence of possible distortions of the mirror surface when fixing it in test equipment and installing ТСУ-2 resistance thermometers, the results of which determined the temperature on the mirror and in the chamber. The effect of vacuum and tooling cooling on the reference surface was within the error range of the interferometer (0.08 λ). Temperature gradients in the direction of the mirror radii spaced from each other at 120, within the accuracy of registration of temperature (0.5 ° C) during the cooling process has not been ascertained. The achieved temperature value on the mirror maintained stable to within ± 1 ° C.
Оценка качества оптической поверхности зеркала проводилась по величине среднеквадратичного отклонения σW между волновыми фронтами излучения, отраженными от эталонной поверхности и поверхности исследуемого зеркала. Для исключения влияния формы и конструкции зеркала на результаты исследований все зеркала, подвергнутые контролю, были одинаковой конструкции и имели одинаковые геометрические параметры: диаметром 170 мм с радиусом кривизны отражающей поверхности 500 мм. Все технологические операции, связанные с изготовлением зеркал из алюминиевого сплава 1201, были идентичными. Это позволило проследить за влиянием метода изготовления заготовки на качество зеркала.The quality of the optical surface of the mirror was estimated by the standard deviation σ W between the radiation wave fronts reflected from the reference surface and the surface of the studied mirror. To exclude the influence of the shape and design of the mirror on the research results, all the mirrors subjected to inspection were of the same design and had the same geometric parameters: with a diameter of 170 mm and a radius of curvature of the reflecting surface of 500 mm. All technological operations associated with the manufacture of mirrors from aluminum alloy 1201 were identical. This made it possible to trace the influence of the method of manufacturing a workpiece on the quality of the mirror.
На фиг. 1 изображен график методов изготовления заготовки и его влияние на качество оптической поверхности зеркала при его охлаждении. In FIG. Figure 1 shows a graph of the manufacturing methods of the preform and its effect on the quality of the optical surface of the mirror during its cooling.
Кривая 1. Динамика изменения значений σW зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты, с изменением температуры Т (К).
Кривая 2. Динамика изменения значений σW зеркала, изготовленного из заготовки в виде прутка с изменением температуры Т (К).
Кривая 3. Динамика изменения величины астигматизма А зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты, с изменением температуры Т (К). Curve 3. Dynamics of changes in the magnitude of astigmatism A of a mirror made of a billet in the form of a plate with a change in temperature T (K).
Кривая 4. Динамика изменения значений σW - A зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты, с изменением температуры Т (К).Curve 4. Dynamics of changes in σ W - A values of a mirror made of a billet in the form of a plate with temperature T (K).
Кривая 5. Температурная зависимость термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) алюминиевого сплава 1201.
На фиг. 2 показаны интерферограммы зеркальной поверхности металлооптических сферических элементов, изготовленных из заготовок прутка (а, б, в) и плиты (г, д, е) при температурах Т = 293 К (а, в, и г, е) и Т = 10 К (б и д). In FIG. Figure 2 shows interferograms of the mirror surface of metal-optical spherical elements made of bar stocks (a, b, c) and plate (d, e, e) at temperatures T = 293 K (a, c, d, e, e) and T = 10 K (b and d).
Испытания изготовленных по предлагаемому способу металлооптических элементов с исключением всех возможных источников погрешностей методики исследований не выявило деформаций их поверхности при глубоком охлаждении и вакууме. Tests made on the proposed method of metal-optical elements with the exception of all possible sources of errors of the research method did not reveal deformations of their surface during deep cooling and vacuum.
Действительно, сравнение среднеквадратичных отклонений волновых фронтов излучения σW (кривая 2) и значений его отклонений σW - A (кривая 4) за вычетом искажений формы поверхности, вносимых астигматизмом А (кривая 3) показывает, что основной вклад в искажение волнового фронта излучения, отраженного от охлаждаемого зеркала, заготовка которого вырезалась из прокатанной плиты, определяется развитием астигматизма. Астигматизм проявляется после достижения температуры на зеркале ниже 265 К и определяет около 80% величины всего искажения волнового фронта излучения при охлаждении зеркала. Для исследованных зеркал, изготовленных из плиты, при их охлаждении до минимальной в наших исследованиях температуры (10 К) величина астигматизма возрастала более, чем в 10 раз. После отогрева зеркала до нормальной температуры (293 К) величина и направление астигматизма принимали первоначальное значение и ориентацию, которые имело зеркало после изготовления. Для того, чтобы убедиться, что развитие астигматизма не вызвано условиями закрепления зеркала на испытательном оборудовании, зеркало внутри своей оправы было повернуто на 120о и повторно охлаждено. При этом направление главной оси астигматизма также изменилось на 120о и во всех случаях в охлажденном состоянии зеркало принимало направление, совпадающее с направлением проката материала заготовки, из которого изготавливались зеркала.Indeed, a comparison of the standard deviations of the radiation wave fronts σ W (curve 2) and its deviations σ W - A (curve 4) minus surface distortions introduced by astigmatism A (curve 3) shows that the main contribution to the distortion of the radiation wave front reflected from the cooled mirror, the billet of which was cut from the rolled plate, is determined by the development of astigmatism. Astigmatism manifests itself after reaching a temperature on the mirror below 265 K and determines about 80% of the total distortion of the radiation wavefront when the mirror is cooled. For the studied mirrors made of a plate, when they were cooled to the minimum temperature in our studies (10 K), the magnitude of astigmatism increased by more than 10 times. After heating the mirror to normal temperature (293 K), the magnitude and direction of astigmatism assumed the initial value and orientation that the mirror had after manufacturing. In order to make sure that the development of astigmatism is not caused by the conditions for fixing the mirror on the test equipment, the mirror inside its frame was rotated 120 ° and re-cooled. At the same time, the direction of the main axis of astigmatism also changed by 120 ° and in all cases, in the cooled state, the mirror assumed the direction coinciding with the direction of the rolling of the workpiece material from which the mirrors were made.
Корреляция характера изменения оптической деформации σW (кривая 2) и развития астигматизма А (кривая 3) с одной стороны и динамики искажения оптической поверхности зеркала без учета астигматизма σW - A (кривая 4) с другой указывает на существенный вклад астигматизма в искажение оптической поверхности зеркала. Астигматизм оптической поверхности зеркала вызывается развитием линейных деформаций материала по его направлениям, связанных с изменением температуры. Если направление проката материала, из которого изготавливается зеркало, находится в плоскости оптической поверхности, то в процессе охлаждения зеркала появляется астигматизм, обусловленный именно различием термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материала в направлениях проката и перпендикулярно этому направлению. Изменение величины астигматизма не существенно при высоких температурах: 0,1 мкм при нормальных условиях по сравнению с 2 мкм при температуре зеркала 10 К.The correlation between the nature of changes in optical deformation σ W (curve 2) and the development of astigmatism A (curve 3) on the one hand and the dynamics of distortion of the optical surface of the mirror without taking into account astigmatism σ W - A (curve 4) on the other, indicates a significant contribution of astigmatism to distortion of the optical surface mirrors. Astigmatism of the optical surface of the mirror is caused by the development of linear deformations of the material in its directions associated with a change in temperature. If the direction of the rental of the material from which the mirror is made is in the plane of the optical surface, then astigmatism appears during the cooling of the mirror, which is caused precisely by the difference in the thermal coefficient of linear expansion (TEC) of the material in the directions of the rental and perpendicular to this direction. The change in astigmatism is not significant at high temperatures: 0.1 μm under normal conditions compared with 2 μm at a mirror temperature of 10 K.
В этих условиях наиболее простым способом борьбы с астигматизмом, проявляющимся при охлаждении зеркал, является использование в качестве заготовки для зеркал материала с направлением проката, перпендикулярном оптической поверхности, т.е. в общем случае материала изотропного во всех направлениях (литья) или же в плоскости оптической поверхности. На фиг. 1 (кривая 1) представлены данные по динамике изменения значений σW для зеркала, заготовка которого вырезалась из прутка алюминиевого сплава 1201 перпендикулярно его оси, т.е. таким образом, что направление оси будущего зеркала совпадала с направлением оси прутка. В этом случае направление анизотропии ТКЛР сплава перпендикулярно плоскости оптической поверхности изготавливаемого зеркала. Сравнение интерферограмм, приведенных на фиг. 2, наглядно демонстрирует высокое качество (фиг.2,б) изготовленного таким образом зеркала, не изменяющегося при глубоком охлаждении, в то время как зеркало, заготовка которого вырезалась из плиты прокатанного сплава 1201, при охлаждении значительно деформировалось (фиг.2,д). Все исследованные зеркала восстанавливали свою первоначальную форму (фиг.2, а и г) зеркальной поверхности после охлаждения (фиг.2, в и е).Under these conditions, the easiest way to combat astigmatism that occurs when the mirrors are cooled is to use material with a rolled direction perpendicular to the optical surface as a blank for mirrors, i.e. in the general case, the material is isotropic in all directions (casting) or in the plane of the optical surface. In FIG. 1 (curve 1) presents data on the dynamics of changes in the values of σ W for a mirror, the billet of which was cut from a rod of aluminum alloy 1201 perpendicular to its axis, i.e. so that the direction of the axis of the future mirror coincided with the direction of the axis of the bar. In this case, the anisotropy direction of the thermal expansion coefficient of the alloy is perpendicular to the plane of the optical surface of the fabricated mirror. Comparison of the interferograms shown in FIG. 2, clearly demonstrates the high quality (FIG. 2, b) of the mirror made in this way, which does not change during deep cooling, while the mirror, the blank of which was cut from the plate of rolled alloy 1201, was significantly deformed during cooling (FIG. 2, d) . All investigated mirrors restored their original shape (Fig.2, a and d) of the mirror surface after cooling (Fig.2, c and f).
Таким образом, новый подход к технологии изготовления металлооптических элементов из сплавов металла позволил избежать значительных деформаций оптической поверхности элементов, проявляющихся при снижении температуры, и повысить в широком температурном диапазоне надежность использования металлооптических элементов при сохранении стабильной формы их оптической поверхности. Thus, a new approach to the manufacturing technology of metal-optical elements from metal alloys allowed us to avoid significant deformations of the optical surface of the elements, which appear when the temperature decreases, and to increase the reliability of using metal-optical elements in a wide temperature range while maintaining a stable shape of their optical surface.
Предлагаемый способ изготовления металлооптических элементов по совокупности существенных признаков заявляемого технического решения позволил получить качественно новый эффект, следовательно, техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия". The proposed method for the manufacture of metallo-optical elements based on the set of essential features of the claimed technical solution allowed to obtain a qualitatively new effect, therefore, the technical solution meets the criterion of "Significant differences".
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4516547 RU2018430C1 (en) | 1989-06-05 | 1989-06-05 | Method of manufacturing metal optical members |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4516547 RU2018430C1 (en) | 1989-06-05 | 1989-06-05 | Method of manufacturing metal optical members |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2018430C1 true RU2018430C1 (en) | 1994-08-30 |
Family
ID=21406811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4516547 RU2018430C1 (en) | 1989-06-05 | 1989-06-05 | Method of manufacturing metal optical members |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2018430C1 (en) |
-
1989
- 1989-06-05 RU SU4516547 patent/RU2018430C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Цесник Л.С. и др. Металлические зеркала. М.: Машиностроение, 1983, с.71-75. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4313679A (en) | Test sample support assembly | |
| EP2856241B1 (en) | Modal corrector mirror with compliant actuation for optical aberrations | |
| CN112857238B (en) | Interferometric measurement method for large-caliber parallel flat crystal thickness distribution | |
| US20110080663A1 (en) | Adaptive laser beam shaping | |
| RU2018430C1 (en) | Method of manufacturing metal optical members | |
| RU2018431C1 (en) | Method of manufacturing metal optical members | |
| Ohl IV et al. | Comparison of stress-relief procedures for cryogenic aluminum mirrors | |
| Mast et al. | Fabrication of large optical surfaces using a combination of polishing and mirror bending | |
| JP2010101808A (en) | Method and device for measuring radius of curvature | |
| EP0713075B1 (en) | Boresight thermal reference source | |
| Tecza et al. | SPIFFI image slicer: high-precision optics at cryogenic temperatures | |
| Noethe et al. | Optical analysis of thermally cycled 515 MM metallic Al/Al-alloy mirrors | |
| Gubarev et al. | Calibration of a vertical-scan long trace profiler at MSFC | |
| Roberts | Absolute dilatometry using a polarisation interferometer. II | |
| Rabien et al. | Beam quality and polarization analysis of the ALFA laser at Calar Alto and the influence on brightness and size of the laser guide star | |
| Jedamzik et al. | ZERODUR for stress mirror polishing | |
| Lin et al. | Application of a long-trace profiler in situ at TPS beamlines | |
| Shen et al. | Manufacturing of optical elements of a cryogenic optical system | |
| Shen et al. | Cryogenic test of an all-aluminum infrared optical system | |
| Dierickx et al. | 8.2 metre primary mirrors of the VLT | |
| Zhang et al. | Finite-element-method study of tilt mirrors without PZTs using different clamping methods under laser irradiation | |
| Baer et al. | Figure testing of 300-mm Zerodur mirrors at cryogenic temperatures | |
| US4777371A (en) | Support material for electron beam systems | |
| Britze et al. | Setup for high-precision wavefront measurements: design and technical limitations | |
| Wang et al. | The design and performance of the wheel systems in the common foreoptics of the ELT METIS |