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La metrología óptica en criogenia: Nuevas técnicas de medida de superficies LINES: Optical Activities Optical Engineering Optical Metrology Tomás Belenguer, René Restrepo, Gonzalo Ramos, Daniel Garranzo, Lola Sabau

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La metrología óptica en criogenia: Nuevas técnicas de medida de superficies

LINES: Optical Activities

� Optical Engineering� Optical Metrology

Tomás Belenguer, René Restrepo, Gonzalo Ramos, Daniel Garranzo, Lola Sabau

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06/07/2011 AstroMadrid Junio 2011 2

ORGANIZATION

AREA of PAYLOADS & SPACE INSTRUMENTATION

INSTRUMENTATION and SPACE OPTICS

LABORATORY

OPTOELECTRONICSLABORATORY

PAYLOADS ENGINEERING

DROP TOWER (µG)

OPTICAL ENGINEERING

for Space

R&DSPACE OPTIC

INTEGRATION /VERIFICATION /MEASUREMENT

OPTOELECTRONIC& ELECTRONIC

Technologiesfor Space

MAGNETICTechnologies

for Space

THERMAL-MECHANICTechnologies

for space

THERMAL-STRUCTRALAnalysis

R&D inmicro-Gravity

Drop Test Campaign

Area Secretary

Payloads & Test FacilitiesCoordination Unit

RADIATION Sensors& Radiation Effects

on Components

KNOWLEDGEMANAGEMENT

Aerospace & Defence

ENVIROMENTALTesting

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ORIGIN:

Created in 1994, it belongs to the Payloads Area, within the Space Programs and Space Sciences Department

OBJECTIVES:

LINES is the qualified laboratory at INTA specialized in optics for space applications.

The three main fields of activity are:

� Optical Engineering

� Research and development in space optics

� Testing and characterization of optical instrumentation (Thermo-vacuum tests)

LINES, Laboratorio de Instrumentación Espacial

LINES support the National industry in the optical design, testing and integration of optical systems

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Software� Optical design tool (CodeV, 7 licenses, ZEMAX, 2 li cense)

� Straylight tool (ASAP, 1 license)

� LabView (1 license)

� FRAMES, Holographic interferometry analysis tool

� WBASE, Ellipsometric measurements

� FilmStar ,Optical Coatings

2 Y

X

3 Y

X

5 Y

X

7 8

Y

X

9 YX

11 Y

X

15 16 Y

X

18

Y

X21

Y

X

24 25 Y

X

27

Y

X

VIM Scale: 0.20 TBD 05-Jul-06

125.00 MM

1

2

3

4

5

MTS 3 mirror anastigmat Scale: 0.39 TBD 05-Jul-06

64.10 MM

RESOURCES

1

2 3

4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15

16

Cinclus Scale: 0.61 ANA 23-Sep-09

40.98 MM

0 1 2 3 4 5 6

7

8 9 10 11 12 13 14

15

16 17 18 19 20 21

22

23 24 25

26 27

28

lambda=400 FULL SCALEPositions: 1-9

TBD 23-May-08

25.00 MM

+Z +X

+Y

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Facilities

� Class 10.000 clean room Lab with humidity, temperature and contamination control (75 m2)

� Mobile area class 100, Laminar air flow cabinet 100 class

• Four specialized laboratories :

� Optical characterization of materials

� Speckel and Holography

� Fibre optics sensors

� Chemistry Lab

• Basic optical shop

� Automatic polishing machine for flat surfaces

� Manual polishing machine,

� Lathe&Milling machine

RESOURCES

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Equipment

� MTF test benches (visible, IR 3-5 and IR 8-12 microns)

� High vacuum thermal chamber with high quality optical window

� GPI-XP Zygo Interferometer (100 mm aperture, λ/100 resolution)

� Integrating sphere (Labsphere, 3 inches aperture)

� He-Ne 35 mW and Argon 25 W lasers, Nd:YAG pulsed laser for holography setups. 40W (3 frequencies), high power lamps (Xenon, quartz-tungsten and Globar lamps).

� Alignment telescopes (theodolites and autocollimators)

� Technology for fibre optics setups: monomode, multimode, plastics, etc.

� Abbe refractometer (indexes range from 1.35 to 1.85)

� Spectroradiometer – spectral range 350 to 1700 nm. Res. 0.1 to 5 nm.

� Spectrophotometer – spectral range 190 to 950 nm. Resolution 0.08 nm

� Confocal microscope

� Spectroscopic ellipsometer with variable angle – spectral range 193 to 2200 nm.

RESOURCES

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Metrología de alta precisión para las misiones científicas españolas

Optical Activities

� Optical Metrology�GAIA�SENTINEL�SPICA�Photogrammetry

�New Research:�Coded structured light�Speckle Interferometry�Spiral Interferometry

Optical team: Daniel Garranzo, Gonzalo Ramos, René Restrepo, Javier Vargas

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SENTINEL (SENER-JENOPTICA)

El FMD (Flip Mirror Device) fast moving mirror to connect two telescopes.

Range: ±9.4ºResolution: ±10 arcminStep: 0.14 arcmin.

Optical Metrology

The main requirements cover, flipping 4 times within a 602 msec period, with a switching period of 20ms and stabilizing period of 15 ms, flipping rotation of 18.8° (+/-9.4°), a small ~14 mm aperture mirror, and tight allocated volume.

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SENTINEL (SENER-JENOPTICA)

It is required to use a tool:

� Characterize the tooling required at vacuum conditions from -60 to +50 ºC

� Measure the movement at kHz

� All the measurements externally to the vacuum chamber

Optical Metrology

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Mechanical Tool:

� Aluminum� Commercial tip-tilt mount� Specially designed and manufactured paralell-plates and mirrors

SENTINEL (SENER-JENOPTICA)

Optical Metrology

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SENTINEL (SENER-JENOPTICA)

First Characterization at ROOM conditions

Optical Metrology

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06/07/2011 AstroMadrid Junio 2011 12

SENTINEL (SENER-JENOPTICA)

Characterization at Vacuum conditions

Optical Metrology

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SENTINEL (SENER-JENOPTICA)

The Thermal Cycling of SENTINEL

Optical Metrology

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� GAIA (SENER-ASTRIUM) � 5 DoF of a Flat mirror measure at 100K

� lineal range 400 micras, resolution 1 µµµµm

� Angular range 2mrad, resolución 10 µµµµrad

Optical Metrology at Cryo

Fixed Reference

Movement Reference

·Y

Z

X

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� GAIA (SENER-ASTRIUM) � It was required the modification of our vacuum

chamber to adapt to the thermal environment

Optical Metrology at Cryo

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SENER-GAIA

� Very complex system to assure good thermal homogeneity

� Required thermal strap

� Specific Shroud

Optical Metrology at Cryo

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SENER-GAIA

� For QM

� A new optical tool was designed (2 invar cubes)

� A Getter was required to trap outgassing (home made)

Optical Metrology at Cryo

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RT1

BS

FM7

Final FP

FM10

M5

RT2

Pup3

M6

BC

iimg3

M7

Pup4FM8FM9

F/N 8.45

M8

F/N 20

Dichroic

INTERFEROMETER

CAMERA OPTICSF/N 8.45

141mm

324mm 324mm153mm 135mm

fM8=280mm fM7=131mm

from input optics

Optical Metrology at Cryo

SAFARI-SPICA

Very complex instrument, includes a FTS

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SAFARI FTS

� FTS of SAFARI � Focused beam is used.� On axis.� We can change the WFE on Exit Pupil� A spider-obscuration is included (not real)

Results

Optical Trombone

FM2

spider-obscuration

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SAFARI FTS (PUPIL IMAGES)

Results: Two wavelengths, on axis ∆λ∆λ∆λ∆λ=2 µµµµm

λλλλ=34 µm

∆∆∆∆x=0 m ∆∆∆∆x=10 mm

∆∆∆∆x=20 mm

∆∆∆∆x=-20 mm

x

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SAFARI-SPICA

Optical Metrology at Cryo

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Differential Interferometer

Differential Interferometer is, in principle a very compact interferometer that allows differential measurements between a specimen mirror (moving mirror) and a reference mirror (Local Measurements).

Optical Metrology at Cryo

The measurements performed on SENTINEL and GAIA are Local measurements (one point , two axis ) but the new challenge is toperform a global measurement (deformation of a surface, rotation of body, translation of a mechanism as a whole…)

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Optical Metrology :3D Techniques

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Photogrammetry (For measuring deformations of surfaces at vacuum conditions, Thermo-elastic behavior of antennas, 20 microns)

It is a special triangulation technique that using cooperative targets and “codeds” can measure the topography or deformation of surfaces.

Optical Metrology (Triangulation)

I-CAN 3

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Photogrammetry (For measuring deformations of surfaces at vacuum conditions, Thermo-elastic behavior of antennas, 20 microns)

Optical Metrology (Triangulation)

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Photogrammetry (Camera calibration at LINES)

Optical Metrology (Triangulation)

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Sistema formado por 2 cámaras, la información 3D se obtiene mediante triangulación

Inconvenientes:

•Correspondiencia entre píxeles en ambas cámaras es (complicado)

•Tiempo de procesado muy alto

•Mala precisión en profundidad

Optical Metrology (Stereo Vision)

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Una de la cámaras se reemplaza por un proyector (cámara inversa)

Optical Metrology (Stereo Vision, Luz Codificada)

El problema de la correspondencia se resuelve automáticamente y de forma robusta y rápida

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Patrón 1

Patrón 2

Patrón 3

Proyección en el tiempo

Ejemplo: Codificación de 3 bits

Se proyectan una serie de patrones de luz de codificación

Proyección de patrones Gray Code + Phase-Shifting

Optical Metrology (Stereo Vision)

Inconvenientes:Objetos estáticos Gran cantidad de patrones (~10)

Ventajas:Alta resolución:640x480 puntosAlta precisión en profundidad (1m2 ⇒⇒⇒⇒ 10 µµµµm )Robustez frente al color del objeto a medir.Se puede usar en objetos especulares.

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Inspection of an extended surface by an active 3D m ultiresolution technique

3D measurement of a portion of the antenna

Experimental Results: Antenna measurement

Optical Metrology (Stereo Vision)

Each color corresponds to a 3D measurement of a different antenna region

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In-plane Speckle arrangement

Optical Metrology (Speckle,ESPI)

We can measure CTE, Poisson’s ratio

Very high resolution technique (<1 micron)

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In-plane Speckle arrangement

Optical Metrology (Speckle,ESPI)

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Comparison of two techniques for measuring the CTE of the same material.

Aluminum (100 mmx25 mmx2 mm in thickness)

Composite material: carbon fiber 100 mmx25 mmx2 mm in thickness, with a layer sequence (45/-45)2s.

Optical Metrology (Speckle,ESPI)

Aluminum Composite material:

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Using Differential inteferometry

Optical Metrology (Speckle, ESPI)

The CTE measured with the differential interferometer was: 6.963Χ10−6 ± 4Χ10−6 K−1 (Composite)24.60Χ10−6 ±6Χ10−6 K−1 (Aluminum)

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Using In-plane Speckle measurement

Optical Metrology (Speckle, ESPI)

The CTE measured with the differential interferometer was: 4.69Χ10−6 ±3Χ10−6 K−1 (Composite)24.03Χ10−6 ±3Χ10−6 K−1 (Aluminum)

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Finite Elements Method (FEM) Results

Optical Metrology (Speckle, ESPI)

ESPI technique can be excellently correlated with FEM

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Vacuum chamber to characterization specimens using ESPI

Optical Metrology (Speckle, ESPI)

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Very interesting method based on elliptical phase-interferometry (using spatial Light Modulator)

Optical Metrology (Spiral Interferometry)

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Optical Metrology (Speckle, ESPI)

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Thanks….