Deformable mirror

Введение

Зеркало, поверхность которого может быть деформирована Деформируемые зеркала (DM) - это зеркала, поверхность которых может быть деформирована для достижения контроля над волновым фронтом и коррекции оптических аберраций. Деформируемые зеркала используются в сочетании с датчиками фронта волны и системами контроля в реальном времени в адаптивной оптике. В 2006 году они нашли новое применение в фемтосекундном формировании импульса. Форма ДМ может управляться со скоростью, которая соответствует компенсации динамических аберраций, присутствующих в оптической системе. На практике форма ДМ должна меняться намного быстрее, чем процесс, подлежащий коррекции, поскольку процесс коррекции, даже для статической аберрации, может занять несколько итераций. У диспетчера обычно много степеней свободы. Как правило, эти степени свободы связаны с механическими приводами, и можно грубо сказать, что один привод соответствует одной степени свободы.

Параметры деформируемого зеркала

Количество приводов определяет количество степеней свободы (наклоны фронта волны), которые зеркало может корректировать. Очень часто сравнивают произвольный ДМ с идеальным устройством, которое может идеально воспроизводить режимы фронта волны в виде полиномов Зерника. Для предварительно определенной статистики аберраций деформируемое зеркало с M приводами может быть эквивалентно идеальному корректору Зерника с N (обычно N < M) степенями свободы. Для коррекции атмосферной турбулентности устранение низкорядных терминов Зерника обычно приводит к значительному улучшению качества изображения, в то время как дальнейшая коррекция терминов более высокого порядка вводит менее значительные улучшения. Для сильных и быстрых колебаний погрешности волны, таких как ударные и последующие турбулентности, обычно встречающиеся в высокоскоростных аэродинамических полях потока, количество приводов, шаг и ход привода определяют максимальные градиенты волны, которые могут быть компенсированы. Уровень наклона привода - это расстояние между центрами привода. Деформируемые зеркала с большим шагом привода и большим количеством приводов являются громоздкими и дорогими. Удар привода - это максимально возможное смещение привода, обычно в положительных или отрицательных экскурсиях от некоторого центрального нулевого положения. Удар обычно колеблется от ±1 до ±30 микрометров. Свободный ход привода ограничивает максимальную амплитуду корректируемого волнового фронта, в то время как межприводной ход привода ограничивает максимальную амплитуду и градиенты корректируемых аберраций высшего порядка. Функция влияния - это характерная форма, соответствующая зеркальному отклику на действие одного привода. Различные типы деформируемых зеркал имеют различные функции воздействия, кроме того, функции воздействия могут быть разными для разных приводов одного и того же зеркала. Функция влияния, которая охватывает всю зеркальную поверхность, называется "модальной" функцией, в то время как локализованный ответ называется "зонным". Соединение привода показывает, насколько движение одного привода сместит его соседей. Все "модальные" зеркала имеют большую перекрестную связь, что на самом деле хорошо, поскольку обеспечивает высокое качество коррекции гладких оптических аберраций низкого порядка, которые обычно имеют наибольший статистический вес. Время отклика показывает, как быстро зеркало реагирует на управляющий сигнал. Может варьироваться от микросекунд (MEMS и магнитные зеркала) до десятков секунд для термоконтролируемых DM. Гистерезис и ползучие являются нелинейными эффектами приведения в действие, которые снижают точность ответа деформируемого зеркала. Для различных концепций гистерезис может варьироваться от нуля (электростатически приводимые в действие зеркала) до десятков процентов для зеркал с пьезоэлектрическими приводами. Гистерезис - остаточная ошибка позиции от предыдущих команд позиции привода, и ограничивает способность зеркала работать в режиме перехода вперед, за пределами петли обратной связи.

Number of actuators determines the number of degrees of freedom (wavefront inflections) the mirror can correct. It is very common to compare an arbitrary DM to an ideal device that can perfectly reproduce wavefront modes in the form of Zernike polynomials. For predefined statistics of aberrations a deformable mirror with M actuators can be equivalent to an ideal Zernike corrector with N (usually N < M) degrees of freedom. For correction of the atmospheric turbulence, elimination of low order Zernike terms usually results in significant improvement of the image quality, while further correction of the higher order terms introduces less significant improvements. For strong and rapid wavefront error fluctuations such as shocks and wake turbulence typically encountered in high speed aerodynamic flowfields, the number of actuators, actuator pitch and stroke determine the maximum wavefront gradients that can be compensated for. Actuator pitch is the distance between actuator centers. Deformable mirrors with large actuator pitch and large number of actuators are bulky and expensive. Actuator stroke is the maximum possible actuator displacement, typically in positive or negative excursions from some central null position. Stroke typically ranges from ±1 to ±30 micrometres. Free actuator stroke limits the maximum amplitude of the corrected wavefront, while the inter actuator stroke limits the maximum amplitude and gradients of correctable higher order aberrations. Influence function is the characteristic shape corresponding to the mirror response to the action of a single actuator. Different types of deformable mirrors have different influence functions, moreover the influence functions can be different for different actuators of the same mirror. Influence function that covers the whole mirror surface is called a "modal" function, while localized response is called "zonal". Actuator coupling shows how much the movement of one actuator will displace its neighbors. All "modal" mirrors have large cross coupling, which in fact is good as it secures the high quality of correction of smooth low order optical aberrations that usually have the highest statistical weight. Response time shows how quickly the mirror will react to the control signal. Can vary from microseconds (MEMS and magnetics mirrors) to tens of seconds for thermally controlled DM's. Hysteresis and creep are nonlinear actuation effects that decrease the precision of the response of the deformable mirror. For different concepts, the hysteresis can vary from zero (electrostatically actuated mirrors) to tens of percent for mirrors with piezoelectric actuators. Hysteresis is a residual positional error from previous actuator position commands, and limits the mirror ability to work in a feedforward mode, outside of a feedback loop.

Концепции деформируемых зеркал

Сегментированные концепт-зеркала образуются из независимых плоских зеркальных сегментов. Каждый сегмент может перемещаться на небольшое расстояние вперед и назад, чтобы приблизить среднее значение фронта волны по площади патча. Преимущественно, эти зеркала имеют мало или вообще не имеют перекрестного разговора между приводами. Постепенное приближение плохо работает для плавных непрерывных волновых фронтов. Острые края сегментов и промежутки между сегментами способствуют рассеиванию света, ограничивая применение только теми, которые не чувствительны к рассеянному свету. Значительное улучшение производительности сегментированного зеркала может быть достигнуто путем введения трех степеней свободы на сегмент: поршень, наконечник и наклон. Эти зеркала требуют в три раза большего количества приводов по сравнению с поршневыми сегментированными зеркалами. Эта концепция была использована для изготовления больших сегментированных первичных зеркал для телескопов Кека, космического телескопа Джеймса Вебба и будущего E ELT. Существует множество методов, позволяющих точно софазировать сегменты и уменьшить дифракционные модели, вызванные формой сегмента и промежутками. Будущие большие космические телескопы, такие как NASA Large UV Optical Infrared Surveyor, также будут иметь сегментированное первичное зеркало. Разработка надежных методов увеличения контраста является ключом к прямому изображению и характеристике экзопланет. Концепционные зеркала с непрерывным лицевым пластом с дискретными приводами образуются на передней поверхности тонкой деформируемой мембраны. Форма пластины контролируется рядом дискретных приводов, которые закреплены на ее задней стороне. Форма зеркала зависит от сочетания сил, применяемых к лицевой пластине, граничных условий (положения пластины на зеркало) и геометрии и материала пластины. Эти зеркала позволяют плавно контролировать фронт волны с очень большим до нескольких тысяч градусов свободы. Магнитные концепт-зеркала состоят из тонкой гибкой непрерывной мембраны, приводимой в действие голосовыми катушками и магнитами. Эта технология позволяет большую гибкость конструкции для достижения очень разных характеристик. В зависимости от выбранного дизайна они могут достичь непревзойденного хода до ста микрон деформации или очень высокой скорости <ms. Поскольку мембрана представляет собой один лист материала, также можно достичь очень высокого оптического качества. Эта технология может проявлять хорошую стабильность и сохранять свою форму почти неизменной в течение нескольких недель. Количество приводов может варьироваться от нескольких десятков до нескольких тысяч. Концептуальные зеркала MEMS изготавливаются с использованием технологий микрооборота и поверхностного обработки. Они состоят из тонкой отражающей мембраны, управляемой множеством приводов. Зеркала MEMS могут преодолеть высокий порог цены традиционной адаптивной оптики. Они позволяют увеличить число приводов по более экономически эффективной цене, что позволяет точно корректировать фронт волны. с ограниченной гистерезией. Дополнительным преимуществом является то, что технологии микрооборота позволяют извлечь выгоду из экономии масштаба, создавая более дешевые и легкие деформируемые зеркала с большим количеством приводов. Мембрановая концепция зеркал формируется тонкой проводящей и отражающей мембраной, растянутой на твердую плоскую раму. Мембрана может быть электростатически деформирована путем применения управляющего напряжения к электростатическим электродам, которые могут быть расположены под или над мембраной. Если на мембране расположены электроды, они прозрачны. Озерное зеркало можно управлять только одной группой электродов, расположенных под зеркалом. В этом случае на все электроды применяется напряжение смещения, чтобы сделать мембрану изначально сферической. Мембрана может двигаться вперед и назад относительно сферы отсчета. Биморфные концептуальные зеркала образуются из двух или более слоев различных материалов. Один или более слоев (активных) изготовлены из пьезоэлектрического или электростриктивного материала. Структура электрода нанесена на активный слой, чтобы облегчить местный отклик. Зеркало деформируется, когда напряжение подается на один или несколько его электродов, вызывая их боковое расширение, что приводит к локальной искривлению зеркала. Биморфные зер�...

Segmented concept mirrors are formed by independent flat mirror segments. Each segment can move a small distance back and forth to approximate the average value of the wavefront over the patch area. Advantageously, these mirrors have little or zero cross talk between actuators. Stepwise approximation works poorly for smooth continuous wavefronts. Sharp edges of the segments and gaps between the segments contribute to light scattering, limiting the applications to those not sensitive to scattered light. Considerable improvement of the performance of the segmented mirror can be achieved by the introduction of three degrees of freedom per segment: piston, tip and tilt. These mirrors require three times as many actuators compared to piston segmented mirrors. This concept was used for fabrication of large segmented primary mirrors for the Keck telescopes, the James Webb Space Telescope, and the future E ELT. Numerous methods exist to accurately co phase the segments and reduce the diffraction patterns introduced by the segment shapes and gaps. Future large space based telescopes, such as the NASA Large UV Optical Infrared Surveyor will also possess a segmented primary mirror. The development of robust methods to increase the contrast is key for the direct imaging and characterization of exoplanets. Continuous faceplate concept mirrors with discrete actuators are formed by the front surface of a thin deformable membrane. The shape of the plate is controlled by a number of discrete actuators that are fixed to its back side. The shape of the mirror depends on the combination of forces applied to the faceplate, boundary conditions (the way the plate is fixed to the mirror) and the geometry and the material of the plate. These mirrors allow smooth wavefront control with very large up to several thousands degrees of freedom. Magnetic concept mirrors consist of a thin flexible continuous membrane actuated by voicecoils and magnets. This technology allows great design flexibility to achieve very different performances. Depending on the design choices made, they can achieve unrivaled stroke up to a hundred microns of deformation or very high speed <ms timeframe. As the membrane is a single sheet of material, very high optical quality is also achievable. This technology can exhibit good stability and keep its shape almost unchanged for weeks. The actuator count can range from several tens of actuators to several thousand actuators. MEMS concept mirrors are fabricated using bulk and surface micromachining technologies. They consist of a thin reflective membrane controlled by a multitude of actuators. MEMS mirrors could break the high price threshold of conventional adaptive optics. They enable a higher actuator count at a more cost effective price allowing for accurate wave front correction. with limited hysteresis. An additional benefit is that micromachining technologies allow for the benefit of economies of scale to create cheaper and lighter deformable mirrors with a greater number of actuators. Membrane concept mirrors are formed by a thin conductive and reflective membrane stretched over a solid flat frame. The membrane can be deformed electrostatically by applying control voltages to electrostatic electrode actuators that can be positioned under or over the membrane. If there are any electrodes positioned over the membrane, they are transparent. It is possible to operate the mirror with only one group of electrodes positioned under the mirror. In this case, a bias voltage is applied to all electrodes, to make the membrane initially spherical. The membrane can move back and forth with respect to the reference sphere. Bimorph concept mirrors are formed by two or more layers of different materials. One or more of (active) layers are fabricated from a piezoelectric or electrostrictive material. Electrode structure is patterned on the active layer to facilitate local response. The mirror is deformed when a voltage is applied to one or more of its electrodes, causing them to extend laterally, which results in local mirror curvature. Bimorph mirrors are rarely made with more than 100 electrodes. Ferrofluid concept mirrors are liquid deformable mirrors made with a suspension of small (about 10 nm in diameter) ferromagnetic nanoparticles dispersed in a liquid carrier. In the presence of an external magnetic field, the ferromagnetic particles align with the field, the liquid becomes magnetized and its surface acquires a shape governed by the equilibrium between the magnetic, gravitational and surface tension forces. Using proper magnetic field geometries, any desired shape can be produced at the surface of the ferrofluid. This new concept offers a potential alternative for low cost, high stroke and large number of actuators deformable mirrors.