DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-09-45-54

УДК: 681.7.066.3 + 681.7.062 + 520.2.062 + 520.2.066 + 681.7.055.34 + 681.7.063 + 681.7.053

The possibility of using cylindrical on-axis computer-generated holograms for controlling the shape of large-sized aspheric surfaces

Publication in Journal of Optical Technology

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Мельников А.Н. Возможность применения цилиндрических осевых синтезированных голограмм для контроля формы крупногабаритных асферических поверхностей // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 45–54. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-45-54

Melnikov A.N. The possibility of using cylindrical on-axis computer-generated holograms for controlling the shape of large-sized aspheric surfaces [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 9. P. 45–54. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-45-54

For citation (Journal of Optical Technology):

A. N. Melnikov, "Possibility of using cylindrical on-axis computer-generated holograms for controlling the shape of large-sized aspheric surfaces," Journal of Optical Technology. 90(9), 517-522 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000517

Abstract:

Subject of study. A new possible approach to the implementation of technological and certification control with interferometric shape accuracy of large-sized aspherical surfaces of monolithic and composite mirrors based on the use of cylindrical axial computer-generated compensator holograms. The aim of study is the development of a complex of technological methods and means based on the use of cylindrical on-axis computer-generated holograms that remove the fundamental restrictions on the size of one-piece and composite mirrors of modern optical telescopes during laser-holographic shape control of their large-sized aspheric working surfaces. The method is based on the use of laser-holographic control of the shape of optical part surfaces effectuated by means of cylindrical on-axis computer-generated compensator holograms, linking together the results of interferogram deciphering and building the topography of the surface under control, and making replica holograms via precision replication or stamping techniques. Main results. New technical and methodological approaches have been proposed to solve the problem of shape control of large-sized aspheric surfaces of one-piece and composite mirrors of telescopes in terms of the possibilities of removing their size restrictions. Ground has been given to ways of reducing the cost of compensator holograms and conducting control operations (by an order of magnitude or more), as well as reducing the effect of diamond tool wear on the cutting accuracy of the diffraction structure of cylindrical master holograms. A possibility of using thin-film cylindrical on-axis computer-generated replica holograms to control and align the shape of space-based optical telescope mirrors has been considered. Practical relevance. The proposed approaches are meant for realization in the process of interferometric-accuracy technological and calibration control of the shape of large-sized aspheric surfaces of one-piece and composite telescope mirrors both in shop conditions and in space. Using cylindrical on-axis computer-generated compensator holograms (mainly as replica holograms) opens up a possibility to get information on the accuracy of manufacturing the shape of large-sized aspheric surfaces by its profile of individual sections in the non-contact mode. The proposed solutions will provide a manifold reduction of time and energy costs for manufacturing compensator holograms and their cost in general.

Keywords:

one-piece and composite mirrors, large-sized aspheric surfaces, laser-holographic surface shape control, cylindrical on-axis computer-generated compensator hologram, pendulum-type ruling engine, master hologram, precision replication, stamping, replica hologram, thin-film replica hologram, composite on-axis computer-generated compensator hologram

OCIS codes: 240.6700, 220.1250, 220.3630, 230.4040, 110.6770, 120.4630, 090.2880, 090.2890, 220.4610, 220.4840, 160.5470

References:

1. Johns M. The Giant Magellan Telescope (GMT) // Proc. SPIE. 2006. V. 6267. Р. 626729-1–626729-15. https://doi.org/10.1117/12.670839

2. Gilmozzi R. The European ELT: Status, science, size // Proc. SPIE. 2008. V. 6986. Р. 698604-1–698604-8. https://doi.org/10.1117/12.801255

3. Spyromilio J. The European extremely large telescope: The Arne way // Proc. SPIE. 2008. V. 6986. Р. 698605-1–698605-8. https://doi.org/10.1117/12.801256

4. Бронштейн Ю.Л. Крупногабаритные зеркальные системы (контроль геометрии, юстировка). М.: ДПК Пресс, 2015. 600 с.

Bronshtein Y.L. Large-sized mirror systems (geometry control, alignment) [in Russian]. Moscow: DPK Press, 2015. 600 p.

5. Galyavov I.R., Belousov S.P., Ignatov A.N., et al. Modern methods of production of large-sized multicomponent optical systems // Proc. SPIE. 2016. V. 9682. P. 96820Z-1–96820Z-7. https://doi.org/10.1117/12.2241512

6. Oh Ch.J., Lowman A.E., Dubin M., et al. Modern technologies of fabrication and testing of large convex secondary mirrors // Proc. SPIE. 2016. V. 9912. P. 99120R-1–99120R-12. https://doi.org/10.1117/12.2233887

7. Абдулкадыров М.А., Семенов А.П., Патрикеев В.Е. и др. Асферизация крупногабаритных высокоасферичных внеосевых поверхностей оптических деталей с произвольным внешним контуром // Контенант. 2016. Т. 15. № 4. С. 19–25.

Abdulkadyrov M.A., Semenov A.P., Patrikeev V.Y., et al. Aspherization of large-sized highly-aspheric off-axis optical parts surfaces with an arbitrary external contour [in Russian] // Kontenant. 2016. V. 15. № 4. P. 19–25.

8. Понин О.В., Галявов И.Р., Шаров А.А. и др. Разработка высокоточных конструкций крупногабаритных оптических систем // Контенант. 2016. Т. 15. № 4. С. 26–28.

Ponin O.V., Galyavov I.R., Sharov A.A., et al. Developing high-precision large-sized optical system designs [in Russian] // Kontenant. 2016. V. 15. № 4. P. 26–28.

9. Абдулкадыров М.А., Владимиров Н.М., Добриков Н.С. и др. Инновационные решения АО ЛЗОС при изготовлении зеркал из карбида кремния // Контенант. 2016. Т. 15. № 4. С. 29–34.

Abdulkadyrov M.A., Vladimirov N.M., Dobrikov N.R., et al. Innovative solutions of AO LZOS regarding silicon carbide mirror fabrication [in Russian] // Kontenant. 2016. V. 15. № 4. P. 29–34.

10. Martin H.M. Making mirrors for giant telescopes // Proc. SPIE. 2019. V. 11116. P. 111160J-1–111160J-16. https://doi.org/10.1117/12.2534601

11. Martin S., Lawrence Ch., Redding D., et al. ATSA: A cold, active telescope for space astronomy // Proc. SPIE. 2020. V. 11443. P. 114432A-1–114432A-21. https://doi.org/10.1117/12.2575505

12. Fanson J., Bernstein R., Angeli G., et al. Overview and status of the Giant Magellan Telescope project // Proc. SPIE. 2020. V. 11445. P. 114451F-1–114451F-20. https://doi.org/10.1117/12.2561852

13. Электронный ресурс URL: http://millimetron.ru (Астрокосмический центр ФИАН. Космическая обсерватория «Миллиметрон»).

Electronic resource URL: http://millimetron.ru (Astrospace Center of the Physical Institute of the Russian Academy of Sciences. “Millimetron” space observatory).

14. Электронный ресурс URL: http://www.elt.eso.org (Телескоп «Extremely Large Telescope»)

Electronic resource URL: http://www.elt.eso.org (“Extremely Large Telescope”)

15. Электронный ресурс URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Comparison_optical_telescope_primary_mirrors.svg (Сравнение диамет-ров главных зеркал основных крупноформатных телескопов по состоянию на март 2021 г.)

Electronic resource URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Comparison_optical_telescope_primary_mirrors.svg (Diameter comparison of the primary mirrors of main large-sized telescopes as of March 2021)

16. Гавлина А.Е. Интерференционный метод для контроля формы выпуклых оптических поверхностей большого диаметра, основанный на схеме ортогональных лучей // Дисс. канд. техн. наук. ФГБУН «НТЦ УП РАН». М., 2021. 108 c.

Gavlina A.Y. Interference method for controlling the shape of large-diameter convex optical surfaces based on the orthogonal ray scheme [in Russian] // PhD (Engineering) thesis. Federal Publicly Funded Institution of Science “Scientific and Technological Center for Unique Instrumentation of the RAS”. Moscow, 2021. 108 p.

17. Оптический производственный контроль: пер. с англ. / под ред. Малакары Д. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

Optical Shop Testing, 1st ed, / ed. by Malakara D. John Wiley and Sons, 1978. Corpus ID: 176164992.

18. Белозеров А.Ф., Ларионов Н.П., Лукин А.В. и др. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Ч. 1., Ч. 2 // Фотоника. 2014. № 4. С. 12–32; № 5. С. 30–41.

Belozerov A.F., Larionov N.P., Lukin А.V., et al. On-axis computer-generated hologram optical elements: History of development and use. Parts 1, 2 [in Russian] // Photonics Russia. 2014. № 4. P. 12–32; № 5. P. 30–41.

19. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976. 262 с.

Puryaev D.T. Optical aspheric surfaces control methods [in Russian]. Moscow: ''Mashinostroenie'' Publ., 1976. 262 p.

20. Карлин О.Г., Кукс В.Г., Липовецкий Л.Е. и др. Изготовление и контроль асферической оптики. М.: ЦНИИ информации, 1980. 272 с.

Karlin O.G., Kuks V.G., Lipovetsky L.Y., et al. Manufacture and control of aspheric optics [in Russian]. Moscow: Central Scientific and Research Institute of Information, 1980. 272 p.

21. Окатов М.А., Антонов Э.А., Байгожин А. и др. Справочник технолога-оптика / под ред. Окатова М.А. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.

Okatov M.A., Antonov E.A., Baygozhin A., et al. Optical technologist’s handbook [in Russian] / ed. by Okatov M.A. St. Petersburg: ''Politekhnika'' Publ., 2004. 679 p.

22. ОСТ 3–4730–80 — ОСТ 3–4732–80. Сборник отраслевых стандартов. Детали оптические с асферическими поверхностями. Метод контроля с использованием синтезированных голограмм. Введ. 01.01.1981. М.: изд. ЦНИИ «Комплекс», 1980. 69 с.

OST (Industry standard) 3–4730–80 — OST 3–4732–80. Collection of industry standards. Optical parts with aspheric surfaces. Control method using computer-generated holograms [in Russian]. Introd. on January 1, 1981. Moscow: “Kompleks” Central Scientific and Research Institute Publishing, 1980. 69 p.

23. ГОСТ Р 59737–2021. Оптика и фотоника. Элементы оптические голограммные синтезированные осевые. Общие технические условия. Введ. 01.03.2022. М.: Российский институт стандартизации, 2021. 40 с.

GOST R (Russian National Standard) 59737–2021. Optics and photonics. Optical hologram computer-generated on-axis elements. General specifications [in Russian]. Introd. on March 1, 2022. Moscow: Russian Institute of Standardization, 2021. 40 p.

24. Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф. и др. О возможностях лазерно-голографического контроля процессов сборки и юстировки составного главного зеркала телескопа на примере космической обсерватории «Миллиметрон» // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 12. С. 45–49.

Lukin A.V., Mel’nikov A.N., Skochilov A.F., et al. Possibilities of laser-holographic monitoring of assembly and alignment of a segmented primary telescope mirror using the Millimetron space observatory as an example // J. Opt. Technol. 2017. V. 84. № 12. P. 828–832. https://doi.org/10.1364/ JOT.84.000828

25. Полещук А.Г., Вейко В.П., Корольков В.П. Лазерные технологии для формирования структуры дифракционных оптических элементов / Голография. Наука и практика // Тез. докл. XIV междунар. конф. М.: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2017. С. 38–44.

Poleshchuk A.G., Veyko V.P., Korolkov V.P. Laser technologies for shaping the structure of diffractive optical elements [in Russian] / Holography. Theory and practice // Abstr. 14th Internat. Conf. Moscow: Bauman Moscow State Technical University, 2017. P. 38–44.

26. Лукин А.В., Мельников А.Н. Делительная машина для изготовления периодических штриховых структур, преимущественно дифракционных решеток (варианты) // Патент РФ № 2130374. 1999.

Lukin A.V., Melnikov A.N. Dividing machine for making periodic structures, mainly, ruled diffraction gratings (versions) [in Russian] // RF Patent № 2130374. 1999.

27. Мельников А.Н. Делительная машина маятникового типа для механического формообразования периодических штриховых структур // Автореф. канд. дис. Казань: Казан. гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева, 2005. 15 с.

Melnikov A.N. Pendulum-type ruling engine for mechanical shaping of periodic ruling structures [in Russian] // PhD thesis abstract. Kazan: A.N. Tupolev Kazan State Technical University, 2005. 15 p.

28. Лукин А.В., Мельников А.Н., Мирумянц С.О. Делительная машина маятникового типа для изготовления нарезных периодических рельефно-фазовых структур // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 44–49.

Lukin A.V., Mel'nikov A.N., Mirumyants S.O. Pendulum-type ruling engine for fabricating ruled periodic relief-phase structures // J. Opt. Technol. 2007. V. 74. № 1. P. 34–38. https://doi.org/10.1364/JOT.74.000034

29. Лукин А.В., Мельников А.Н. Прецизионное реплицирование всех видов оптических поверхностей — научно-технологическая основа кардинальных преобразований в современном оптическом производстве // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 42–50. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-42-50

Lukin A.V., Melnikov A.N. Precision replication of all types of optical surfaces — scientific and technological basis for the radical transformation of modern optical production // J. Opt. Technol. 2022. V. 89. № 10. P. 589–594. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000589

30. Лукашевич Я.К. Технология изготовления поляризаторов электромагнитного излучения из линейных проводников на основе нарезных дифракционных решеток // Автореф. канд. дис. Казань: Казан. гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева, 2002. 17 с.

Lukashevich Y.K. Technology for the manufacture of electromagnetic radiation polarizers from linear conductors based on ruled diffraction gratings [in Russian] // PhD thesis abstract. Kazan: A.N. Tupolev Kazan State Technical University, 2002. 17 p.

31. Бейнарович Л.Н., Салимова Э.А., Мартынов В.П. Изготовление крупногабаритных зеркал из полимеров методом копирования // Оптико-механическая промышленность. 1971. № 10. С. 41–44.

Beynarovich L.N., Salimova E.A., Martynov V.P. Manufacturing large-sized mirrors from polymers via replication method // J. Opt. Technol. 1971. № 10. P. 41–44.

32. Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф. Современные и перспективные возможности получения и применения крупноформатных пленочных пропускающих синтезированных голограммных компенсаторов (нуль-корректоров) в телескопостроении // Тез. докл. XV междунар. конф. по голографии и прикладным оптическим технологиям. М.: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2018. С. 37–38.

Lukin A.V., Melnikov A.N., Skochilov A.F. Current and prospective possibilities for production and application of large-format film transmissive computer-generated holographic compensators (zero correctors) in telescope construction [in Russian] // Abstr. 15th Internat. Conf. Holography and Appl. Opt. Technol. Moscow: Bauman Moscow State Technical University, 2018. P. 37–38.

33. Ельников Н.Т., Дитев А.У., Юрусов И.К. Сборка и юстировка оптико-механических приборов. М.: Машиностроение, 1974. 345 с.

Yelnikov N.T., Ditev A.U., Yurusov I.K. Assembly and adjustment of optical and mechanical instruments [in Russian]. Moscow: ''Mashinostroenie'' Publ., 1974. 345 p.

34. Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф. Голографическое устройство для контроля формы асферических оптических поверхностей // Патент РФ № 2786688. 2022.

Lukin A.V., Melnikov A.N., Skochilov A.F. Holographic device for controlling the shape of aspheric optical surfaces [in Russian] // RF Patent № 2786688. 2022.

35. Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф. Новые возможности лазерно-голографического контроля процессов сборки и юстировки крупноформатных составных зеркал телескопов // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 80–94. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-80-94

Lukin A.V., Melnikov A.N., Skochilov A.F. New capabilities for laser holographic testing during assembly and collimation of large segmented telescope mirrors // J. Opt. Technol. 2022. V. 89. № 10. P. 615–625. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000615

36. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973. 698 с.

Collier R.J., Burckhardt C.B., Lin L.H. Optical holography. Cambridge, Massachusetts: Academic Press, 1971. 624 p.