Alignment and integration of optical systems based on advanced metrology

The alignment of an optical system plays a fundamental role in its final performances. In the astronomical field, this operation has always been performed using external optical feedback in an iterative process. The aim of this work is to study a different integration procedure devised to reduce the number of iterations needed to reach the required optical quality. The typical design philosophy based on countless alignment screws can be dropped in favour of a more stiffness-oriented mechanical design. The proposed procedures consist in the geometrical measurement of the as-built optical and mechanical elements followed by their integration to the nominal position. To carry out this operation it is necessary to design highly repeatable optomechanical mounts that are easily referenceable to the optical elements, along with a system able to correct the alignment errors. Moreover, an estimation of the reachable accuracy and the damage done on the surfaces while measuring the optical elements is essential. During this work, the optomechanical mounts and the correction systems have been built, and their performances tested on a dummy system and on an actual instrument (ESPRESSO). The accuracy estimation has been performed with a focus on the Coordinate Measuring Machine (CMM) starting from a series of tests performed on the machine itself. The developed software has the capability to output the expected misalignments in terms of both geometrical values and optical effects. The firsts are useful to estimate the feasibility of this alignment method on a certain system, while the optical effects are used to identify the most critical elements in order to guide the mechanical design. The obtained results have been compared and verified with a dummy system alignment. To estimate the damage on the optical elements due to the measurement operation, the forces applied by different measuring machines (Articulated Arm CMM, CMM, and Laser Tracker) have been evaluated using a strain gauge system. Starting from those data, different optical samples have been tested impinging them with a CMM and measuring the damaged surfaces with a Micro Finishing Topographer. The proposed method allowed the alignment of astronomical instrumentation reducing or even removing external optical feedbacks. Starting from the optical design it is now possible to define the optimal mechanical design and to choose the best alignment strategy matching the requirements in terms of optical quality, throughput loss, and stray light.

L'allineamento di un sistema ottico gioca un ruolo fondamentale nelle sue performance finali. Nel campo astronomico questa operazione è sempre stata eseguita utilizzando feedback ottici esterni e un procedimento iterativo. Lo scopo di questo lavoro è studiare una procedura di integrazione concepita per ridurre il numero di iterazioni necessarie per raggiungere la qualità ottica richiesta. La tipica filosofia di progettazione basata su viti di allineamento può essere abbandonata in favore di un disegno meccanico più orientato alla rigidità. Le procedure proposte consistono nella misurazione geometrica degli elementi ottici e meccanici as-built seguiti dalla loro integrazione nella posizione quasi-nominale. Per eseguire questa operazione è necessario progettare supporti optomeccanici altamente ripetibili che siano facilmente riferibili agli elementi ottici, insieme a un sistema in grado di correggere gli errori di allineamento. Oltre a ciò, una stima dell'accuratezza raggiungibile e del danno provocato alle superfici degli elementi ottici durante la loro misurazione è essenziale. Durante questo lavoro, i supporti optomeccanici e i sistemi di correzione sono stati costruiti e le loro prestazioni testate su un sistema dummy e su uno strumento reale (ESPRESSO). La stima dell’accuratezza è stata eseguita sulla CMM (Coordinate Measuring Machine) a partire da una serie di test eseguiti sulla macchina stessa. Il software sviluppato è in grado di predire i disallineamenti attesi sia in termini geometrici che in termini di effetti ottici. I primi possono essere utilizzati per stimare la fattibilità di questa metodologia di allineamento su un determinato sistema mentre gli effetti ottici vengono impiegati per identificare gli elementi più critici al fine di guidare la progettazione meccanica. I risultati ottenuti sono stati confrontati e verificati allineando un sistema dummy. Per stimare il danno sugli elementi ottici dovuto all'operazione di misurazione, le forze applicate da diverse macchine di misura (braccio articolato CMM, CMM e Laser Tracker) sono state valutate utilizzando un sistema a estensimetri. A partire da questi dati diversi campioni ottici sono stati testati simulando l’operazione di misura con una CMM e misurando le superfici danneggiate con un Micro Finishing Topographer. Il metodo proposto ha dimostrato di poter essere utilizzato per l'allineamento di strumentazione astronomica riducendo o addirittura eliminando i feedback ottici esterni. Partendo dal design ottico è ora possibile definire il design meccanico ottimale e scegliere la migliore strategia di allineamento che soddisfi i requisiti in termini di qualità ottica, perdita di flusso luminoso e straylight.