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POSITIONIERUNG OPTISCHER ELEMENTE FÜR DAS EUCLID-INSTRUMENT

POSITIONING OF OPTICAL ELEMENTS FOR THE EUCLID INSTRUMENT

Euclid ist ein geplantes Weltraumteleskop der ESA zur

Vermessung der großräumigen Anordnung und Verteilung

der beobachtbaren Materie im Weltraum, um Erkenntnisse

über die beschleunigte Expansion des Alls und die Stärke

der Gravitation auf kosmologischen Skalen zu gewinnen.

Dazu soll ein 1,2 m Teleskop im Lagrangepunkt L2 stationiert

werden /1/.

Im Auftrag der OHB System AG entwickelt das Fraunhofer

IOF ein Konzept zur Justage der eingesetzten Kameraoptik.

Es handelt sich um ein Linsensystem, das bei kryogenen

Temperaturen eingesetzt werden soll. Gleichzeitig sollen

Justagetoleranzen für die einzelnen Linsen im einstelligen

Mikrometerbereich eingehalten werden.

Da die Integration der Optiken unter Laborbedingungen

erfolgt, müssen thermische Verschiebungen vorgehalten

werden, die auf Grund der unterschiedlichen verwendeten

Materialien beim Abkühlen unvermeidlich sind. Grundvor-

aussetzung dafür ist die genaue Kenntnis der thermischen

Ausdehnung aller verwendeten Materialien. Diese wird durch

entsprechende Messungen am Fraunhofer IOF sichergestellt.

Weiterhin ist eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der

Positionierung der Bauteile im Bereich weniger Mikrometer

notwendig. Dazu werden unterschiedliche Konzepte zur

EUCLID is a space telescope, projected by the ESA, for measu-

ring the large-scale spatial arrangement and distribution of

observable matter in space in order to gain knowledge about

the accelerated expansion of the universe and the strength

of gravity on cosmological scales. In order to do this, a 1.2 m

telescope is to be stationed in the Lagrange point L2 /1/.

On behalf of OHB Systems AG, the IOF developed a concept

for the adjustment of the camera optical system used on the

project. The lens system is used at cryogenic temperatures. At

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the single-digit micrometer range need to be met.

Since the optics can only be integrated under lab conditions,

the thermal displacement during cooling, which is inevitable

due to the different materials, must be corrected according

to a prediction. The precondition for such a strategy is the

exact knowledge of the thermal displacement of all materials

used. This is ensured by way of appropriate measurements at

Fraunhofer IOF.

Furthermore, a very high reproducibility of the positioning of

the components in the range of a few micrometers is neces-

sary. To achieve this, different concepts for the adjustment

of the lenses’ positions are examined using the experimental

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1 Versuchsaufbau zum Testen unterschiedlicher Positionierkonzepte. |

Set-up for testing different positioning concepts.

1

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Abstimmung der Linsenpositionen mittels des in Abb. 1

gezeigten Versuchsaufbaus untersucht.

Als zu positionierendes optisches Bauelement fungiert hier ein

Planspiegel. Das Gehäuse des optischen Aufbaus wird durch

die Grundplatte der Versuchseinrichtung ersetzt. Der Spiegel

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wurden aus Aluminium mittels Einkorn-Diamant-Bearbeitung

gefertigt.

Die Positionierung der optischen Elemente in Richtung der

optischen Achse erfolgt durch hochpräzise Abstimmscheiben,

deren Dicke mittels Einkorn-Diamant-Bearbeitung eingestellt

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chenden Drehmomenten können durch interferometrische

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Für die Ausrichtung des Bauteils in der Ebene senkrecht zur

optischen Achse wurden Referenzstrukturen an Optikfas-

sungen bzw. Spiegel und an Gehäuse bzw. Messplattform

vorgesehen. Die Position des Spiegels wird über Endmaße

reproduzierbar festgelegt. Die erreichte Genauigkeit wird mit

einer Drei-Koordinaten-Messmaschine überprüft.

Im Ergebnis konnten Justiergenauigkeiten von ±3 μm in

allen 3 Raumrichtungen erreicht werden. Gleichzeitig konnte

sichergestellt werden, dass durch die benötigten Haltekräfte

keine übermäßige Deformation der optischen Bauelemente

erfolgt.

Literatur / References

/1/ ESA, »EUCLID_overview«, http://www.esa.int/

Our_Activities/Space_Science/Euclid_overview, 2013.

A plane mirror functions as the optical component that is to

be positioned. The housing of the optical setup is replaced by

the baseplate of the construction. The mirror as well as the

reference and mounting surfaces of the baseplate were made

of aluminum using single point diamond turning.

The optical elements are positioned in the direction of the

optical axis by high-precision shims whose height was deter-

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Reference structures on optical mirrors and measuring

platforms were designed for positioning the component

perpendicular to the optical axis. The position of the mirror is

controlled by inserting gauge blocks between the reference

surfaces. The achieved precision is determined by means of a

3-coordinate measuring machine.

As a result, adjustment accuracies of ±3 μm in all three spatial

directions were achieved. At the same time, it was possible to

ensure that there was no excessive deformation of the optical

elements due to cohesion or friction.

AUTHORS

Thomas Peschel

Alexander Orthey

Christoph Damm

Jan Kinast

CONTACT

Dr. Thomas Peschel

Phone +49 3641 807-335

thomas.peschel@iof.fraunhofer.de

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