Alignment and integration of large optical systems based on advanced metrology

The alignment of optical systems is a crucial aspect to be considered in the design phase of astronomical instruments. As the size of telescopes and the related instruments is increasing, also the needs to have flexible measuring tools is developing in parallel to satisfy the scientific requirements. The development of the alignment techniques for small instruments is well validated throughout the history of the Optomechanical and astronomical instrumentation, nevertheless those techniques cannot be applied on large ones. This thesis proposes a procedure that allows to evaluate the position of optical elements in large volume very precisely. This enables the achievement of the scientific goals by minimizing the alignment procedure duration the costs. In this work it is evaluated the possibility to use a laser tracker as essential embedded tool for the alignment and for the monitoring of the instrument, or better, evaluate if the uncertainty of the tracker measuring the optical elements stay within the alignment requirements. The case study presented here is MORFEO which is a first-light instrument for the European Extremely Large Telescope. The study consists in the realization of a software that optimizes the position of the tracker inside the instrument considering the nominal position of the targets measured (SMRs) and the possible vignetting based on the prediction of the accuracy and repeatability of the measurements. This analysis is made by steps: the first one considers the error model gave from the manufacture of the tracker. The second one is based on a series of tests and characterizations performed in laboratory to determine more accurately the performances. The results obtained have been validated using a dummy version of an optomechanical element measured by using a Coordinate Measurement Machine (CMM).

L'allineamento dei sistemi ottici è un aspetto cruciale da considerare durante la fase di progettazione degli strumenti astronomici. Con l'aumentare delle dimensioni dei telescopi e dei relativi strumenti, si sviluppa parallelamente anche l'esigenza di disporre di strumenti di misura flessibili per soddisfare i requisiti scientifici. Lo sviluppo delle tecniche di allineamento per piccoli strumenti è ben validato nella storia della strumentazione optomeccanica ed astronomica in particolare; tuttavia, esse non possono sempre essere applicate a strumenti di grande dimensione. In questa tesi si propone una procedura che consente di valutare la posizione di elementi ottici all’interno di grandi volumi con grande precisione, permettendo di raggiungere gli obiettivi scientifici riducendo al contempo la durata dell’intero processo di allineamento e il costo dello stesso. In questo lavoro è valutata la possibilità di utilizzare un laser tracker come strumento essenziale per l'allineamento e per il monitoraggio dello stesso. Il caso di studio presentato è MORFEO che è uno strumento di prima generazione dell’Extremely Large Telescope (ELT) europeo. Lo studio consiste nella realizzazione di un software che permetta di valutare la collocazione ottimale all'interno dello strumento del Laser tracker considerando principalmente la posizione nominale dei target misurati (SMR in base alla predizione dell’accuratezza e della ripetibilità delle misure. Questa analisi è fatta da due fasi: la prima considera il modello di errore fornito dal produttore del tracker. Il secondo si basa su una serie di test e caratterizzazioni eseguite in laboratorio per determinarne le prestazioni. I risultati ottenuti sono stati infine convalidati utilizzando un dimostratore semplificato di un elemento optomeccanico misurato utilizzando una Coordinate Measurement Machine (CMM).