Advanced Ultraviolet, Optical, Near-Infrared (UVOIR) Mirror Technology Development (AMTD) Testing Summary: (1) Processing of the stacked core mirror converged very quickly using ion figuring. (2) Results show no significant PSD change due to ion figuring in spatial periods smaller than 20mm. (3) Global surface figure limited by mount repeatabilit

Abplanalp, Calvin E.

Arnold, William R. Sr.

Eng, Ron

Kirk, Charles S.

Maffett, Steven P.

Matthews, Gary W.

Stahl, H. Philip

NASA Technical Reports Server

Testing of a stacked core mirror for UV 
applications
Gary W. Matthews, Charles S. Kirk, Steven P. Maffett and Calvin E. Abplanalp
Exelis Inc.
H. Philip Stahl, Ron Eng, William R. Arnold Sr.
NASA Marshall Space Flight Center
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140002977 2019-08-29T14:53:26+00:00Z
Advanced UVOIR Mirror Technology Development (AMTD) 
Program
• Develop mirror blank technology applicable to building a cost effective, large 
(4m‐8m class), passive, monolithic mirror capable of imaging in the UV 
spectrum
> 0.43m demonstration mirror fabricated 
> 5.5nm RMS overall surface figure demonstrated
• Current limitations regarding a 4m class mirror
> Significant mirror depth required to achieve stiffness
> Core depth drives up cutting costs, schedule, risk, and areal density
> Stack sealing of boules to achieve overall depth is very expensive and time 
consuming
• AMTD program addresses these issues to reduce the cost and lead time for 
building a 4m class mirror blank and demonstrates the ability to polish and 
test the blank to UV quality
2
Large Lightweight ULE Primary Mirrors at Exelis
April 16, 2013 3
High Temperature Fusion – 1970’s
(Hubble Primary Mirror)
Frit Technology with Flame Welded Core – 1980’s
ATT – Waterjet Cut Core – Low Temp Fusion – 1990’s
Primary Mirror – Low Temp Fusion – 2000’s
4m Mirror Concept
4
4m Mirror Physical Attributes
• Pocket MilledFacesheet allows larger 
core cells while controlling quilting
• 12 Core Segments
• 3 Stacked Core Deep
• 10m RoC (F#1.25)
Efficient use of ULE Boules
• 27 boules to fabricate the 36 
core segments
• 9 boules to fabricate the 2 
faceplates (with spares)
• 36 flight boules
AMTD 8m Mirror 
Design and Analysis
• Stacked core and Pocket 
milled facesheet design
• 24.2m RoC (f#1.5)
• The 8 meter mirror 
modeled to assess 
performance
• Model includes light‐
weighted face plates 
joined to a light‐weighted 
core.
• 5% additional mass 
added to light‐weighted 
sections to account for 
corner radii.
• Total mass was 3042 kg,  
60 kg/m2
• First Free‐Free mode at 
33 Hz
October 30, 2013 5
C1
C2
C3 C1
C2
C3
AMTD is Developing Technologies for Near Term Large 
Lightweight Primary Mirrors
Deep AWJ Cutting
> Extend AWJ cutting depth for LW cores from 
current 300mm (11.6 in) up to 480mm (19 in) 
depending on mirror stiffness
> More difficult to control exit surface 
parameters
6
Stacked core
> Core segments are fabricated from standard 
thickness boules, then stacked & fused during 
blank assembly to achieve a deep core
> Eliminates need for stack sealing of boules and 
deep AWJ cutting of cores
> Enables  lighter weight cores and reduces cost & 
schedule for blank fab
Stacked Core Mirror Demonstration
7
Mirror Blank 
is 3 cores 
high
Single Mirror Core
(Note large cell size)
Core Boundary
• The individual core segment 
surfaces are polished and AWJ just 
like traditional LTF mirrors
• During Low Temperature Fusion 
(LTF), the faceplates and the core 
segments are fused together (Co‐
Fired)
0.4m Demonstration part fabricated
Faceplate Pocket Milling
8
• Pocket milled facesheets
have been used on other 
mirrors to provide 
additional stiffness 
between cell supports
• Allow for much larger 
core cell size to reduce 
overall areal density
• Extended to 24 pockets 
to enhance UV 
performance
Pocket Milled Facesheet
Core cells locations shown in red
(Core shown for reference)
Pocket Milled Facesheet
Processing Quality
Processing completed to demonstrate 
that UV quality (5nm RMS) could be 
achieved
Multiple orientation test minimized test 
errors and analytical backouts
> Some minimal trefoil did not cancel out 
during testing
> Mount repeatability ultimately limited 
final performance
9
Final Optical Test – 5.5nm RMS
Demo Part in V‐Block for Horizontal Testing
First Light Test
10
Global polishing quilting over the large 
cells is observed after initial polishing
117nm RMS – 524nm P‐V
Power Removed
Post Ion Figuring #1
11
16nm RMS – 87nm P‐V
Power Removed
 First ion cycle greatly reduced the global figure error by 86%.
 Some cell quilting still visible
Post Ion Figuring #2
12
4.9nm RMS – 37nm P‐V
Power Removed
 Second ion cycle further reduced the errors 
by an additional 68%
 Pocket milled quilting becomes visible
Post Ion Figuring #3
13
5.4nm RMS – 37nm P‐V
Power Removed
 Final ion figuring run reduces 
pocket quilting
Mount repeatability limits overall 
surface quality
 Rapid convergence to final surface quality
 Deterministic processes reduce schedule 
time
AMTD PSD Testing Summary
14
>Data collected using Zygo Verifire and White Light 
Interferometer
>Results show no significant PSD change due to ion figuring in 
spatial periods smaller than 20mm. 
Polishing Quilting Finished
50mm FFT Low Pass Filter
15
> Low order figure error has reached the current metrology reproducibility limit in 
the current configuration leading to no improvement in figure errors with spatial 
periods longer than 50mm 
> Low order figure error present in the measurement after ion figuring is driven by 
mount reproducibility
> Metrology reproducibility and accuracy could be improved with optimize mount 
design and additional part rotations
Before Ion Figuring  After Ion Figuring 
50mm‐10mm FFT Band Pass Filter
16
> The quilting period appears at ~30mm spatial periods before ion figuring
> Ion figuring improved the rms in the 50‐10mm spatial period band 
eliminating most of the quilting structure
Before Ion Figuring  After Ion Figuring 
10mm FFT High Pass Filter
17
> The shorter spatial periods, <10mm, were negligibly affected by ion figuring 
Before Ion Figuring  After Ion Figuring 
MSFC sphere tested on 12/3/12- PSD (Post Polish)
18
> Bands were analyzed at >5X above 
Nyquist limit with ~5 cycles per test 
aperture
> Hanning window used for PSD analysis 
with magnitude re‐scale
• Zygo Verifire
• Full Aperutre
• Zygo NewView
• 1X Objective; 0.5X 
relay
• 10 mm aperture; 
22um pixel
• Zygo NewView
• 5X Objective; 1X relay
• 1 mm aperture; 2um 
pixel
• Zygo NewView
• 20X Objective; 2X relay
• 0.13mm aperture; 
0.23um pixel
0.41nm 
RMS
0 .73nm
RMS 1.0nm
RMS
20‐2mm 0.2‐0.02mm 0.02‐0.002mm2‐0.2mm
Spatial Frequency f (1/mm)
1
D
 
P
S
D
 
(
n
m
2
m
m
)
Before Ion Figuring 
20‐2mm 0.2‐0.02mm 0.02‐0.002mm2‐0.2mm
0.38nm
RMS 0 .77nm
RMS 0.99nm
RMS
0.46nm
RMS
Spatial Frequency f (1/mm)
1
D
 
P
S
D
 
(
n
m
2
m
m
)
After Ion Figuring 
> Spatial periods smaller than 20mm were negligibly affected by ion figuring 
as evident in the PSD plot  
3.1nm 
RMS
AMTD Testing Summary
19
Processing of the stacked core mirror converged very quickly 
using ion figuring
Results show no significant PSD change due to ion figuring in 
spatial periods smaller than 20mm. 
Global surface figure limited by mount repeatability
All work performed under NASA contract XXXXXXXX
 COTR: Michael R. Effinger
Related Papers at this conference
 Cryogenic optical performance of a lightweighted mirror assembly for 
future space astronomical telescopes: optical test results and thermal 
optical model (8837‐11)
 The development of stacked core technology for the fabrication of 
deep lightweight UV‐quality space mirrors (8838‐23)


Testing of a Stacked Core Mirror for UV Applications

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server