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Interferometri e

(segue)

 

In tale esempio (Fig 1), lo specchio è un 200mm parabolico F/5 con una lente di Ross al centro della curvatura. Il layout ottico dello specchio più la lente di Ross e la posizione del fuoco è indicato in basso a sinistra mentre la spiegazione del sistema è indicata sopra.

Abbiamo arbitrariamente posizionato la lente di Ross sull'asse ottico (asse Z) a 300mm davanti all'interferometro e poi Abbiamo arbitrariamente ottimizzato il raggio della lente fino a quando il valore ottenuto è stato migliore di 1/20λ PV. Il risultato è mostrato nell'immagine in basso a destra della Fig 1.

Una voltra che il sistema è stato impostato e ottimizzato, abbiamo deliberatamente spostato la lente di Ross di 3 mm lungo l'asse, dopo di che, per permettere ai raggi in andata e al ritorno di coincidere nell'interferometro, abbiamo spostato leggermente la posizione dell'interferometro. Il risultato è mostrato nella Fig 2 e indica un errore leggermente inferiore a 1/3λ. Tanto per essere chiari, questo significherebbe che se avessimo usato un interferometro per testare uno specchio perfetto con una lente di Ross di 3mm leggermente fuori posto lungo l' asse, tale specchio risulterebbe avere un  PV di 1/3λ quando invece si tratta di uno specchio perfetto!

Procedendo con la nostra prova abbiamo spostato la lente di Ross nella sua posizione corretta a 300mm lungo l'asse  e poi l'abbiamo spostata di 3mm fuori asse (asse Y).

Il risultato è mostrato nella Fig 3.

Questa posizione dà 1 1/2 frange di astigmatismo perciò, se un specchio fosse testato con queste impostazioni sembrerebbe avere un PV di 1,5λ che, in uno specchio astronomico, è un valore enorme!

Per ottenere una precisione di 1/10λ la lente di Ross dovrebbe essere posizionata a 0.2mm dall'asse ottico del sistema.

Gradiremmo molto sapere se un laboratorio d'analisi che usa l'interferometro potesse spiegarci la procedura con cui viene posizionata la lente di Ross sull'asse ottico con la necessaria precisione, così pure in che modo viene definito il punto dell'asse ottico in cui va posizionata. Questo aspetto è fondamentale poichè, se non è possibile posizionare la lente  correttamente, allora i risultati del test con interferometro non possono essere considerati attendibili.

L'esempio appena citato riguardava semplicemente la posizione della lente di Ross rispetto allo specchio da testare, ma anche altri elementi possono influenzare i risultati del test, come ad esempio l'allineamento rispetto al corpo dell'interferometro o la posizione della lente supplementare usata per convertire il fronte d'onda da piano a sferico. Quando una delle lenti o lo specchio non sono posizionati in modo preciso difficilmente gli altri elementi ottici possono essere allineati correttamente.

Esiste poi un altro metodo con il quale si può evitare l'utilizzo della lente di  correzione Ross e che, anzichè inclinare lo specchio piano di riferimento, utilizza le frange create dall'aberrazione sferica. Tale metodo è relativamente comune per testare gli specchi ma, considerando che ad esempio un 20" F/4 mostrerebbe circa 54 frange, ci pare piuttosto difficile ottenere risultati con una precisione all'interno di un valore RMS tipico di 1/35 perchè sarebbe come avere l'interferomentro con tutte le lenti del sistema ad una precisione superiore a 1/10 di punto percentuale! Ciò che fa il computer è confrontare le frange riscontrate in questa impostazione rispetto a quelle che darebbe uno specchio perfetto e, dalla differenza misurata, calcolare l'errore della superficie dello specchio o fronte d'onda. Tale differenza però è rappresentata da sfumature di grigio estremamente sottili per poter determinare l'errore in modo preciso. L'aberrazione sferica produce frange circolari che non sono distanziate in modo regolare: ci sarà infatti un grande vuoto al centro dello specchio mentre le frange si ammasseranno verso il bordo  e questo determinerà una scarsa precisione al centro all'interno della prima frangia. Ci saranno poi ulteriori problemi di precisione dovuti all'estrema vicinanza delle frange le une alle altre, come mostrato nella foto qui sotto, dove si vedono le frange ideali generate da un computer relative ad uno specchio da  6" F/8. Se guardate attentamente la frangia nera al centro, noterete un bordo esterno ben definito con una brusca transizione fra bianco e nero; ma il bordo interno è meno definito e ha sfumature di grigio più lunghe.

Questo dovrebbe indicare che il centro ottico effettivo della frangia è più vicino al bordo esterno che non al centro fisico dell'anello nero dove sembrerebbe più ovvio.  Ma allora, dove si trova esattamente il centro di questa frangia? Poichè non ci sono frange al centro di questa immagine, il computer cerca di lavorare unicamente sulle sfumature di grigio, di conseguenza se la fonte di luce non produce un'illuminazione uniforme su tutta la superficie o, se la risposta del sensore CCD non è perfetta, i risultati dell'interferometro faranno credere che ci sia una gobba al centro dello specchio.

Al fine di evitare questo problema, è possibile spostare lo specchio o la referenza interna dell'interferometro leggermente fuori asse. L'immagine qui a fianco mostra le frange ideali generate da un computer per un 6" F/8 spostato fuori asse di 2,5 onde, (5 frange), ed impostato come "best fit”.

Questo crea alcune frange al centro dello specchio che, anzichè essere diritte, ora sono curve con una larghezza variabile e, poichè sono curve con diverse densità di grigio da ciascuna parte, di nuovo risulta difficile capire dov'è il centro delle frange.

Un altro aspetto interessante dei test con interferometro è che i risultati spesso sembrano suggerire la presenza di astigmatismo nello specchio sebbene spesso non venga eseguito un semplicissimo test per comprovare l'esistenza di tale difetto. Di fatto l'astigmatismo è molto raro in specchi prodotti professionalmente e  se questo test confermasse che non c'è astigmatismo allora, davvero, i risultati dell'interferometro che sembrerebbero affermare il contrario sarebbero dovuti a una cattiva impostazione. 

Noi riteniamo che il test per l'astigmatismo sia fondamentale e che,  prima di procedere con qualsiasi altro tipo di test, uno specchio debba prima essere testato per verificare se c'è astigmatismo. Nel nostro caso, Oldham Optical esegue sempre questo test prima di effettuare il Double Pass Null test,   solo così possiamo essere sicuri che lo specchio non presenti astigmatismo e,  allo stesso modo, crediamo si debba testare lo specchio per l'astigmatismo prima di procedere con il test dell'interferometro.

I punti di forza del test con l'interferometro sono i seguenti:

·        Capacità di campionare decine o centinaia di punti sullo specchio e calcolare rapidamente RMS & Strehl.

·        I risultati possono essere personalizzati. 

·        Le relazioni sono presentate in modo efficace, con fotografie, grafici,  pittogrammi in 3D, tabelle di dati e, poichè l'aspetto è così accurato, ispirano una naturale fiducia nella precisione dei risultati (precisione che ovviamente noi contestiamo!).

Se state prendendo in considerazione l'idea di far testare uno specchio da un laboratorio indipendente che usa il test con interferometro, suggeriamo di chiarire preventivamente alcuni punti:

·        Il modello d'interferometro usato per il test

·        Il metodo d'analisi [analisi delle frange?] [Double Pass Null?]

·        Un diagramma completo del percorso ottico usato per i test 

·        I dettagli di tutte le eventuali ulteriori ottiche utilizzate, inclusi le caratteristiche delle  lenti, il rapporto focale, la lunghezza focale, le distanze e gli spazi

·        Il metodo di impostazione e di utilizzo dell'apparecchiatura

Qualsiasi altro stumento o programma di supporto utilizzato per ottenere i risultati.

Qualora aveste dei problemi ad ottenere queste informazioni forse dovreste prendere in considerazione la possibilità di far testare il vostro specchio altrove. Potreste inoltre richiedere che il vostro specchio sia testato due volte, vale a dire che il test sia ripetuto dopo aver ruotato lo specchio di 90 gradi.

Segni evidenti di problemi nel set up dell'interferometro.

Una volta fatto testare il vostro specchio con l'interferometro, guardando i risultati ottenuti, ci sono alcuni elementi che potete valutare per capire se il test non è stato eseguito in modo accurato. Tutti gli esempi riportati qui di seguito sono presi da risultati reali ai test con interferometro.

La prima cosa da considerare è se l'insieme appare centrato. Nell'esempio qui a fianco appare ovvio che qualcosa è scentrato.

Di per sè, questo singolo esempio non compromette necessariamente i risultati del test in quanto questi problemi potrebbero derivare da un'impostazione diversa, in ogni caso è preoccupante pensare che, se questo risulta scentrato, allora anche altri test possono esserlo stati.

 

Più problematico è valutare il difetto di coma nei risultati dei test con interferometro. I rapporti d'analisi fatti con interferometro di solito presentano un'immagine del fronte d'onda così come viene visto dall'interferometro stesso, simile a quella con le frange verdi riportata sopra.

Quando si vedono frange a forma di "S" (come nell'esempio), di solito il rapporto di prova del test non spiega che probabilmente il coma è dovuto ad errori nell'impostazione dell'interferometro, quali ad esempio uno o più elementi ottici fuori asse o leggermente di traverso; questo perchè l'operatore si aspetta che il software dell'interferometro riconosca gli errori nell'impostazione e li "sottragga" dai risultati finali. Il risultato finale di questo test è quello mostrato nell'immagine a fianco a quella delle frange. Se guardate bene la forma della superficie sotto la linea nera che riproduce la forma dello specchio, risulta essere di nuovo una curva a forma di "S",  perciò i risultati riportano il difetto di coma a riconferma che il software dell'interferometro non ha riconosciuto ed eliminato gli errori nel set up del sistema.

Come si fa ad essere sicuri che l'errore sta nel set up e non nello specchio? Semplice! Non è possibile produrre specchi con questa forma in quanto essi vengono molati, lucidati e configurati con movimenti rotatori e simmetrici  mentre il difetto di astigmatismo solitamente viene eliminato nelle primissime fasi di lavorazione dello specchio. I difetti riscontrabili sugli specchi sono quasi sempre simmetrici, siano essi  una curva non del tutto precisa o zone circolari. Non nei nostri specchi però!

La presenza di una curva a forma di "S" nelle frange o nel profilo dello specchio è sinonimo di un'impostazione imprecisa dell'interferometro che il software non ha saputo correggere. Finora abbiamo preso in considerazione solo il difetto di coma, è probabile però che il set up presenti anche dell'astigmatismo e delle aberrazioni sferiche determinate dall'errato posizionamento dei vari elementi ottici, senza contare l'errore effettivo dello specchio. Secondo noi sono troppi gli elementi da considerare per potere estrapolare con precisione l'errore effettivo dello specchio. I risultati del test mostrato dava un errore di PV di 0.5λ.

Non si discute che le immagini sono d'effetto,  e che appaiono decisamente professionali, non per questo i risultati del test risultano attendibili.

Ora è chiaro quali sono gli elementi da tenere in considerazione, prendiamo un altro esempio. Questo caso sembra migliore del precedente, in quanto le frange d'interferenza sono quasi del tutto diritte ma, guardando alle estremità delle frange in alto, si vede una curvatura a destra mentre in basso curva a sinistra, praticamente una forma a "S", sintomo di Coma dovuto ad un set up incorretto.

L'immagine a fianco di quella delle frange rappresenta il profilo dello stesso specchio e, in questo caso la forma a "S" si vede guardando da est a ovest sotto la linea nera sovrapposta.

Anche in questo caso l'errore determinato dall'impostazione scorretta dell'interferometro rappresenta l'errore dominante riscontrato dal test. Sebbene le curve alle estremità delle frange siano piccole non è comunque possibile  riuscire ad estrapolare un valore significativo per l'errore reale della superficie dello specchio. In questo caso il risultato del test era di un errore di PV di 0.14λ.

Per quel che riguarda la nostra esperienza e, a nostro avviso, anche quella di altri costruttori di specchi, l'errore residuo dei nostri specchi è prevalentemente di tipo simmetrico,  presumibilmente determinato da una curva non del tutto corretta (ma sempre secondo specifiche!). Mentre la presenza di asimmetria nei risultati dei test all'interferometro ne fa sempre presupporre l'origine da un impreciso set up del sistema.

Sotto i risultati di un test su uno specchio la cui forma sembra ricordare un tappo di bottiglia un po' piegato. Magari qualcuno può fornire una spiegazione migliore ma, secondo noi, si tratta di  un esempio dove la frangia scura si trova verso il bordo dello specchio e il software dell'interferometro non riesce a interpretarlo correttamente. In questo caso essa appare su bordi opposti ad est e a ovest.

Questo tipo di problema è stato affrontato precedentemente quando affermavamo che lungo il bordo dello specchio l'interferometro presenta solo frange scure senza le aree "bianche" (o verdi come in questo caso) da usare come riferimento per determinare il centro delle frange. In casi come questo il software dell'interferometro ha difficoltà a individuare il centro delle frange e perciò introduce un errore. Nello specifico, questo test ha riportato un errore dello specchio di PV 0.2λ.

Poichè tale errore è dovuto principalmente ai picchi situati ai bordi est e ovest e alla difficoltà nel determinare il centro delle frange, molto probabilmente lo specchio era di qualità molto buona con un errore senz'altro minore di 0.1λ.

Desideriamo ribadire come ogni errore residuo della superficie di uno specchio di tipo professionale deve essere necessariamente simmetrico mentre segni di asimmetria sono sintomo di problemi nel set up dell'interferometro o difficoltà del software ad interpretare le frange.

Conclusioni.

I rapporti d'analisi effettuati con gli interferometri di solito sono presentati in modo efficace e, per questo, spesso ispirano fiducia nell'accuratezza dei risultati.

A nostro avviso le analisi interferometriche sono adatte per testare precisioni al di sopra di una lunghezza d'onda ma non per valutare gli specchi astronomici, che richiedono precisioni dell'ordine di una piccola frazione di lunghezza d'onda e le cui dimensioni sono molto superiori rispetto alle ottiche degli interferometri. Per questo tipo d'analisi i risultati dei test con interferometro dipendono molto dalla qualità dell'attrezzatura e dall'abilità dell'operatore. Poichè, di fatto, non esiste un metodo facile e sicuro per impostare un interferometro, non è possibile evitare che degli errori si insinuino nel set up e che questi emergano poi sottoforma di errori della superficie dello specchio nei risultati dei test interferometrici.

Anche nel caso in cui il set up fosse assolutamente impeccabile e l'operatore molto abile, ci sarebbe comunque un limite determinato dalle ottiche supplementari usate con l'interferometro perciò, in ogni caso, i risultati saranno sempre meno attendibili di quelli del test Double Pass Null.

Come molti altri produttori di specchi astronomici specializzati, siamo fermamente convinti che il metodo più preciso per testare gli specchi sia quello tradizionale del Double Pass Null.

 

Oldham Optical