BASIS_Metaaloptiek

De invoering van metaaloptiek (1976)

Vraagstelling in 1976: zou metaaloptiek gunstig zijn voor gebruik in infraroodsystemen en zo ja, hoe maak je dergelijke optiek (spiegels)?

Specifieke voordelen van metaaloptieken en ‑spiegelsystemen

Volledig achromatisch; de spiegel doet, afgezien van golflengte-afhankelijke buiging, voor alle golflengten hetzelfde. Voor zeer korte golflengten (ultraviolet) kan de reflectiecoëfficiënt gaan afnemen.
De beeldfouten van sferische spiegels zijn kleiner dan van welke brekende sferische elementen. Soms kan een kleine brekende correctiecomponent nodig zijn om de kwaliteit te verbeteren.
Grote spiegels zijn goedkoper dan grote brekende componenten. Dit geldt vooral voor de dure infrarood materialen.
Spiegelsystemen zijn korter van opbouw. Daarentegen is in veel gevallen een stuk van de pupil door obscuratie weggenomen.
Metalen spiegels zijn eenvoudiger te monteren en zijn qua uitzettingscoëfficiënten beter aan de overige constructie aan te passen.
Bij intense bundels kan de warmte gemakkelijker afgevoerd worden. Dit speelt vooral bij CO₂ lasers een belangrijke rol.
Metaalgedraaide of -gefreesde spiegels zijn snel te fabriceren. Waar men voor een glazen spiegel 40 uur voor uittrekt, kan men bij een gedraaide spiegel rekenen op circa 8 uur. Men heeft verder geen proefglazen nodig.
Het is eenvoudig om elke gewenste rotatie-symmetrische vorm aan de spiegels te geven. Parabolen, hyperbolen, etc. kunnen even gemakkelijk gemaakt worden als boloppervlakken. Dit is optieken. Van belang bij de fabricage van foutvrije optieken en speciale optieken.
De kwaliteit van gedraaide spiegels is, zeker in het infrarood, beter aangepast qua precisie dan de vaak veel te goede handgepolijste spiegels. Haartjes en putjes doen relatief weinig.

Algemene beschouwing

We kunnen vier fabricagemethoden van metalen spiegeloptieken tegen elkaar afwegen:

handpolijsten van harde laag chroom op aluminium; controle met proefglas, etc.
met de machine ruw voorbewerken; polijsten met de hand met diamantpasta.
replicamethoden en persmethoden, zoals bij reflectoren van zaklantaarns, autokoplampen, etc.
diamantdraaien en -frezen.

De methode (a) is bewerkelijk en tijdrovend. Methode (b) werkt alleen met vlakke spiegels tot een weliswaar redelijke precisie maar geen topnauwkeurigheid (0,5 mrad beeldfout). Methode (c) is kwalitatief een orde te slecht voor afbeeldingssystemen. Voor detectiesystemen zou het hier en daar nog gaan. Het diamantdraaien levert hoge precisie (mits goede draaibank), net als methode (g) alle vormen en is een snelle fabricagemethode.
De problemen bij de realisatie spitsen zich toe op de volgende onderdelen:

Een goede lagering van de hoofdspil waar het werkstuk op is opgespannen en om ronddraait.
Een goede diamantbeitel.
Een goed meetsysteem om de verplaatsing van de sleden c.q. het werkstuk te meten.
Een controlesysteem om correcties aan te brengen voor het “slingeren” van de sleden tijdens verplaatsing.

Voor de verkrijgbaarheid van de spil, de diamantbeitel en de sleden zijn we afhankelijk van anderen. Geschikte meetmethoden zijn niet te koop, doch met enig speurwerk zelf voldoende nauwkeurig en in voldoend korte tijd te bouwen voor betrekkelijk lage kosten. Het principe van deze meetmethoden is interferometrisch en als lichtbron wordt een laser gebruikt.

Nauwkeurigheid van de spiegel

Het gaat bij de nauwkeurigheid van de spiegel om twee facetten:

De langzame fluctuaties over het oppervlak

Als over de afstand s de diepte d verloopt dan is de ontstane hoekafwijking van het evenwijdige licht bundeltje op dat stuk van het vlak 2d/s radialen. Is s bijvoorbeeld 10 mm en d = 0,5 µm dan is de hoekafwijking 0,1 mrad. Voor infraroodoptiek is dit al erg goed, zelfs de 0,2 mrad totaalfout die optreedt als over de volgende 10 mm de afwijking 0,5 µm de andere kant opgaat.
De ribbels en snelle fluctuaties

Een diamantgedraaid oppervlak bestaat uit holle groeven met toppen en dalen waarvan de afmetingen door de grootte van de beiteltop en de aanzet worden bepaald. Is de aanzet bijvoorbeeld 1 µm en de beitelronding 20 µm, dan is het verschil tussen dal en top kleiner dan 0,01 µm en te verwaarlozen. Is de aanzet 4 µm, dan is dat verschil 0,1 µm en begint de grens te benaderen van het acceptabele. De golflengte is namelijk 0,5 µm voor zichtbaar licht en 3-10 µm voor het infrarood licht.

Strooiing door ribbels van het oppervlak is in het infrarood gebied ca 10⁴ keer zo klein dan in het zichtbare gebied (Rayleigh verstrooiing evenredig met λ^-4). Plotselinge topjes kunnen zodoende verwaarloosd worden mits ze niet te groot zijn.
De conclusie is dat de variaties van de beitelpositie ten opzichte van de ideale positie niet meer dan 0,1 µm over 2 mm mag bedragen als de gewenste precisie 0,1 mrad is. Krasjes, haaltjes, putjes en dergelijke storen vrij weinig, vooral als de golflengte toeneemt en de grootte ervan minder dan enkele tienden van een µm is.

Toepassingen

In het werkgebied van de elektro-optische maatregelen, tegenmaatregelen en tegen-tegenmaatregelen komen talloze optische systemen voor. Dit kunnen zijn raketkoppen, fuzes, lasers, detectiemiddelen, rondzoeksystemen, waarschuwingssensoren, waarnemingsapparatuur en dit alles ter land, ter zee en in de lucht.
In veel gevallen dient het systeem goedkoop te zijn, vaak een groot gezichtsveld te hebben, robuust te zijn, lichtsterk, zo klein mogelijk, lange levensduur, etcetera. Dit betekent zonder meer paraboolvormige opvangspiegels met hyperbolen als secundaire spiegels. Ofwel torusvormige oppervlakken voor de waarschuwingssensoren.
Ook komen veel voor multi-facetten oppervlakken in “forward looking infrared” systemen en ook in rondzoek- en waarschuwingsapparatuur. Hier en daar komt men cilinders tegen, spiegeltrommels, etcetera, in waarnemingsapparatuur.
Voor systemen met passieve waarneming op grote afstand zijn grote opvangspiegels nodig (30 à 40 cm). Diamantgedraaide spiegels zouden de kosten van dergelijke spiegels enorm reduceren (kosten van “huidige” parabool van 40 cm, f/1,5 is ca f. 100.000,-).
Ook voor testapparatuur zijn parabolen met grote diameters gewenst, doch tot op heden zeer kostbaar. Het mooiste [voorbeeld] is hier een off-axis parabool (collimatoren).
Tenslotte zij vermeld de toepassing in infraroodlijnscanners waarin zich sneldraaiende spiegelblokken bevinden, evenals in sommige meetapparaten en camera’s.

Het fabriceren van metaaloptieken

Voor het maken van de verschillende gewenste optische oppervlakken kan gedacht worden aan een tweetal machines, die ieder hun voordelen en hun beperkingen hebben. Deze machines zijn respectievelijk een diamantfreesmachine en een numeriek gestuurde diamantdraaibank.

De diamantfreesmachine

De machine wordt op het ogenblik gebouwd in de Instrumentmakerij en verkeert in een vergevorderd stadium van afbouw. De machine is bedoeld voor het maken van vlakke en licht cilindrische spiegels, zowel ronde als rechthoekige. De afmetingen van de spiegels zijn beperkt tot ca 200 x 150 mm. De machine is niet uitgerust met numerieke besturing. De fabricagekosten van deze machine zijn in verhouding met de diamantdraaibank laag.

De numeriek gestuurde diamantdraaibank

Met behulp van deze machine moeten vlakke, holle, bolle, sferische en parabolische oppervlakken en combinaties daarvan kunnen worden vervaardigd. De vorm van de spiegels is rond, met een diameter tot 400 à 500 mm. De vervaardiging van een dergelijke machine zal een grote inspanning vragen van een aantal groepen en afdelingen in het laboratorium. De bouw van deze machine wordt een kostbare zaak, zowel aan materialen als aan manuren.

De wijze van bouwen

Voor de bouw van een numeriek gestuurde diamantdraaibank bestaan op het ogenblik nog slechts ideeën die echter zeker een nadere beschouwing verdienen. Voor deze nadere beschouwing zal veel geld en inspanning nodig zijn. De bouw van een dergelijke machine kan daarom slechts worden beschouwd als een researchproject. Op basis van deze research zullen zeker resultaten worden verkregen, die voor het laboratorium van belang zullen zijn; echter, het eindresultaat is onzeker. Op basis van de huidige kennis is niemand in staat enige garantie te geven op een goed eindresultaat.

De fasering van de bouw

In eerste instantie moet een goed meetsysteem worden ontwikkeld. Een dergelijk systeem is niet in de handel verkrijgbaar. De Researchgroep Ver-Infrarood heeft echter op basis van enkele voorlopige experimenten goede hoop, dat een nauwkeurig meetsysteem (0,1 µm) ter beschikking komt. De verdere ontwikkeling van het meetsysteem moet nog worden gestart. Wellicht kan hierbij gebruik gemaakt worden van twee H.T.S.-ers, die binnenkort op het laboratorium komen afstuderen. Een dergelijke suggestie zal aan [de directie] worden voorgelegd. Daarna zal de eigenlijke bouw aanvangen, voorlopig nog zonder gebruik te maken van de computer als besturing. Dit zal in de laatste fase moeten worden gerealiseerd.

De bouw

Voor de bouw moeten een aantal machinecomponenten worden aangeschaft; voorts moet – afhankelijk van het bouwstadium – de medewerking worden verkregen van een aantal groepen en afdelingen.
De lijst van “benodigdheden” kan als volgt worden gespecificeerd:

Vlaktafel
Hydrostatische gelagerde spil
Oliedrukgenerator
Een aandrijfmotor (gelijkstroom)
Een X-Y slede van goede kwaliteit
De berekening van de hydraulische aandrijving
De fabricage van de hydraulische aandrijving
Het aggregaat voor de hydraulische aandrijving
Research aan het meetsysteem (optisch en elektronisch)
De fabricage van de meetsystemen
De mini- of microcomputer
De interface apparatuur
Het eigenlijke rekenprogramma
De koppeling van de computer aan de machine
Materialen diversen

f. 4.000.-
“ 16.000.-
“ 8.000.-

“ 7.000.-

“ 8.000.-
“ 4.000.-

“ 12.000.-

“ 10.000.-

Toelichting

[…] Slechts indien gerekend kan worden op voldoende financiële armslag en de medewerking van de genoemde groepen en afdelingen is er een kans op een goed werkend eindresultaat. Indien dit niet is te realiseren: niet aan beginnen!

Het eindresulaat: de Paganini

Het researchproject werd eind 1976 in gang gezet. Het eindresulaat was de Paganini-opstelling voor het maken van metaaloptiek voor name infrarood en Lidar-toepassingen.