Реализация принципа Аббе в реконструированной астрографической измерительной машине «Фантазия» Е.В.Поляков, Э.С.Гинзбург, И.И.Канаев, Н.Д.Патютко, Ю.С.Стрелецкий Москва ВАК-2004 Российская Академия Наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория

2. Аббе (Abbe) Эрнст Карл ( ) Немецкий физик-оптик, автор теории образования изображений в микроскопе, создатель технологии важных разделов оптико- механической промышленности. С 1870 профессор теоретической физики в Йене, в директор астрономической и метео- обсерваторий в Йене. С 1863 участвовал в работах оптических мастерских Карла Цейсса (Zeiss, ). В 1872 разработал теорию микроскопа. Автор многих оптических приборов, носящих его имя и до сих пор применяемых в оптико-механической промышленности. С 1888, после смерти Цейсса, Аббе стал фактическим собственником его мастерских, но отказался от права владельца и создал для управления предприятием особый устав, по которому правление состояло из представителей рабочих, государства и университета. В 1890 сформулировал принцип построения оптико-механических измерительных приборов, согласно которому измеряемый предмет и измерительная шкала должны располагаться на одной прямой или (для двумерного случая) в единой плоскости.

err = h sin(α) Угол α - мера непараллельности губок штангенциркуля, h - расстояние между предметом и шкалой 3. Расположение измеряемого предмета вне линии шкалы порождает ошибку первого порядка

err = h sin(α) h = 0 4. Уменьшая расстояние предмета от линии шкалы (и, тем самым, ошибку) до нуля, придем к микрометру

5. Измерительная астрографическая техника На протяжении всей истории развития измерительных астрографических приборов и машин их микрометрические шкалы и светоприемники - будь то микроскопы, электронно-лучевые трубки, ПЗС- линейки или матрицы были разнесены по вертикали между собой, укреплены на кронштейнах или фермах, деформации которых могли порождать ошибки измерений разного рода.

6. Компаратор Варрена Деларю (1860 г.)

7. Измерительный прибор Фогеля (1880-е годы)

8. SuperCOSMOS (1993), Великобритания работает по принципу сканера: Развертка по Х - ПЗС-линейка, 1280 пикселов, 10х10 мкм, Разрешение 2500 dpi, Развертка по Y - механическая, Точность поз. измерений 0.3 мкм Размер пластинки 20х20, Динамический диапазон 3D, Разрядность 15 бит, Скорость чтения 250 KHz

9. USNO-PMM (1993 г.), USA Гранит, 10 т, две каретки Х,Y, аэро, лазер 0.1 мкм, электродвигатели+винт-гайки, 40 мм/с; Пластинка 14х14, две ПЗС-камеры 1320х1035, 6.8х6.8 мкм (13.6 на пластинке), 10Mpx/c. Ошибка измерений 0.3 мкм, температурный режим - доли градуса,

10. Измерительная машина «Фантазия» (1986 г.), СССР Металл 1.5 т, аэроподшипники, лазер 0.32 мкм, линейные электродвигатели 330 мм/с, Пластинки до 360х360 мм 2 (14х14), ЭЛТ 4096х4096, разрешение 1х1 мкм 2.

11. Тепловые деформации конструкции (в процессе изменения температуры) масштаб деформаций увеличен в тысяч раз

12. Тепловые деформации конструкции (равновесное состояние)

13. Тепловые деформации конструкции (в процессе изменения температуры) масштаб деформаций увеличен в тысяч раз

14. «Аскорекорд» и новая «Фантазия» Ближе других приблизились к идеалу на родном предприятии Аббе - фирме «Zeiss», разработав в 1932 году астрографическую машину, выпускавшуюся в течение пятидесяти лет и известную в мире как «Аскорекорд». Новая компоновка АИК «Фантазия» будет удовлетворять принципу Эрнста Аббе, измерительные элементы будут объединены между собой и располагаться в единой плоскости на жестком угольнике: ПЗС-матрица в его вершине, а мерные шкалы - на сторонах. Именно в этом заключается главное отличие новой «Фантазии» ото всех, за исключением «Аскорекорда», предшествующих и современных ей систем. Кроме того, схемой предусмотрена возможность непосредственного измерения динамических перекосов подвижной каретки и эффектов ее температурного расширения.

15. Измерительная машина «Аскорекорд» (Zeissischer Koordinatenmessapparat 1932)

16. Новая компоновка «Фантазии» Блок управления

17. Схема установки АИК «Фантазии» на фундамент и виброопоры Чугун 1.5 т Бетон 3 т Фальшпол Виброопоры Бетонное перекрытие Фундамент здания Опорная металлоконструкция Пластинка Кассета Каретка Тележка Аэроподшипник Плита Электродвигатель

18. Замена ЭЛТ на ПЗС-камеру (сопоставление размеров) ПЗС-камера

19. ПЗС-камера - основной элемент новой системы сканирования (38 г вместо 140 кг)

20. Реконструкция системы позиционирования видны лазер, стойки с призмами, отражатели, показан ход лучей лазера. На фоне стойки призмы показан датчик Renishaw в натуральную величину. Renishaw X Y

21. Датчик положения Renishaw - основной элемент новой системы позиционирования (11 г вместо 46 кг)

22. Датчик Renishaw установлен Renishaw

23. Схема системы позиционирования АИК «Фантазия» (прежняя схема) 1600 Лазер

24. Принципиально новая схема: объединение шкал и светоприемника в единую жесткую конструкцию позволит исключить многие из нижеприведенных источников погрешностей

25. Без лишних деталей

26. Размещение мерных шкал и датчиков для схемы с дополнительными датчиками

27. Размещение мерных шкал и датчиков (без лишних деталей)

Выводы 1. Предложенная для АИК «Фантазия» схема системы позиционирования оригинальна, аналогов среди астрографических машин не найдено 2. Основные особенности схемы: 2.1. Объединение в единую жесткую конструкцию измерительных шкал и светоприемников 2.2. Измерение случайных погрешностей 3. Схема обеспечивает наиболее полную определенность результатов измерений, исключено большинство источников случайных ошибок 4. Схема компактна, конструктивно проста 5. Схема может быть применена в различных системах перемещений 6. Модификации схемы перспективны для применения в системах сканирования телескопов

Проект выполняется при финансовой поддержке Миннауки РФ (грант 01-54, «Координатно-измерительная астрографическая машина «Фантазия») Электроника проектируется и изготовляется в фирме «Полинет», г. Новосибирск, штат которой состоит из сотрудников НИЛ 10 НПО «Точприбор», где в 1986 году была построена «Фантазия» Проектирование и изготовление механической части системы сканирования осуществляется в Отделе астрономического приборостроения ГАО РАН