Medir el espejo M2 del ELT: un banco interferométrico a medida

El espejo secundario (M2) del Extremely Large Telescope (ELT) es el mayor espejo convexo de precisión jamás fabricado. Para pulirlo hay que medirlo regularmente con una precisión extrema. En Safran Reosc desarrollamos para ello un banco interferométrico dedicado.

Mi contribución: diseñé la arquitectura del sistema de control y del software del banco. Después supervisé su desarrollo y la validación del sistema.

Por qué un banco a medida

• Un espejo convexo es difícil de medir: no se puede colocar un instrumento en su centro de curvatura.
• La solución clásica es una matriz de prueba: una lente cuya cara cóncava tiene exactamente la forma del espejo y sirve de referencia.
• Pero no se sabe fabricar una lente de calidad óptica tan grande como el espejo. La matriz solo cubre una parte, así que el espejo se mide por subaperturas, que luego se unen (stitching) para reconstruir el mapa completo.

La arquitectura del banco

• El espejo descansa sobre su soporte activo, presentado en este artículo, sobre una mesa giratoria que permite rotarlo.
• La matriz de prueba se coloca muy cerca del espejo. Esta cavidad muy corta limita las perturbaciones del aire.
• El interferómetro está instalado en lo alto de una torre, encima del espejo. Hace interferir el haz reflejado por la matriz con el reflejado por el espejo.
• Una alineación motorizada en varios ejes mueve la matriz con actuadores de alta resolución. Se apoya en un sensor de posición (PSD) iluminado por un láser fijado en el espejo, y en sensores LVDT que miden el espesor de la cavidad.
• El banco está totalmente automatizado: una medida completa, unión de subaperturas incluida, se hace en pocas horas.

Un interferómetro y una matriz de prueba excepcionales

• El interferómetro, diseñado a medida, adquiere sus imágenes muy rápido, lo que lo hace resistente a las vibraciones. Su fuente de baja coherencia elimina las franjas parásitas.
• Es extremadamente repetible, y ve todo el espectro de defectos del espejo en una sola imagen.
• La matriz de prueba de ZERODUR® es una de las lentes más grandes y difíciles jamás fabricadas: su cara cóncava es asférica y su cara convexa es una superficie libre.
• Su fabricación duró varios años. Hoy es casi perfecta, y sus defectos residuales se conocen y se corrigen en las medidas.

La alineación y la unión de las subaperturas

• El algoritmo de unión ajusta cada subapertura para minimizar las diferencias en las zonas de solapamiento.
• Las simulaciones muestran que recupera exactamente un descentrado voluntario de la matriz, sin agregar error al mapa final.
• En una medida real, corrige las pequeñas diferencias de alineación entre subaperturas: la trayectoria de la matriz vuelve a ser la esperada.

La validación del banco

Establecimos un balance estadístico de errores a partir de un gran número de contribuciones (mecánica, óptica, entorno, tratamiento de datos). Después llevamos a cabo el plan de validación sobre el propio espejo M2.

• Repetibilidad de una subapertura: cientos de medidas sucesivas quedan claramente por debajo del criterio fijado.
• Repetibilidad de la medida completa: medidas repetidas durante varios días quedan muy por debajo de los requisitos, sin diferencia entre corto y largo plazo.
• Reproducibilidad: tras retirar el espejo, girar su soporte y volver a colocarlo, las medidas concuerdan dentro de los criterios.
• Verificación cruzada con una máquina de medición por coordenadas: los dos métodos concuerdan mucho mejor de lo exigido.

En qué punto está el espejo

• Tras varias iteraciones de pulido, se cumplen todos los requisitos de baja frecuencia.
• El error de superficie residual ya es claramente mejor que la especificación, y el pulido se centra ahora en los últimos defectos de alta frecuencia.
• Las subaperturas encajan muy bien entre sí, señal de la calidad de la unión.

Para recordar

• Se alcanzan todas las prestaciones exigidas al banco, a menudo con un amplio margen.
• Lo que me llevo como arquitecto: un banco totalmente automatizado permite multiplicar las medidas y demostrar su precisión.
• El pulido del espejo converge más rápido de lo previsto.

Para saber más

R. Mercier-Ythier, H. Monin, G. Foucaud, C. Beudy, N. Lefeuvre et al., Development of an interferometric test bench for the manufacturing of the ELT secondary mirror, Proc. SPIE 13021-17 (2024), SPIE · DOI