Деформируемое зеркало
Деформируемые зеркала ( ДМ ) — это зеркала , поверхность которых можно деформировать для достижения контроля волнового фронта и коррекции оптических аберраций . Деформируемые зеркала используются в сочетании с датчиками волнового фронта и системами управления в реальном времени в адаптивной оптике . В 2006 году они нашли новое применение в формировании фемтосекундных импульсов . [1]
Формой ДМ можно управлять со скоростью, подходящей для компенсации динамических аберраций, присутствующих в оптической системе. На практике форму ТМ приходится менять гораздо быстрее, чем корректируемый процесс, поскольку процесс коррекции даже статической аберрации может занять несколько итераций.
ДМ обычно имеет много степеней свободы. Обычно эти степени свободы связаны с механическими приводами , и можно грубо предположить, что один привод соответствует одной степени свободы .
Параметры деформируемого зеркала
[ редактировать ]
Количество приводов определяет количество степеней свободы ( перегибов волнового фронта ), которые зеркало может корректировать. Очень часто произвольный ДМ сравнивают с идеальным устройством, которое может идеально воспроизводить моды волнового фронта в виде полиномов Цернике . Для заданной статистики аберраций деформируемое зеркало с M приводами может быть эквивалентно идеальному корректору Цернике с N (обычно N < M) степенями свободы. Для коррекции атмосферной турбулентности исключение членов Цернике низкого порядка обычно приводит к значительному улучшению качества изображения, тогда как дальнейшая коррекция членов более высокого порядка приводит к менее значительным улучшениям. Для сильных и быстрых колебаний волнового фронта, таких как удары и турбулентность в следе, обычно встречающихся в высокоскоростных аэродинамических полях потока, количество приводов, шаг и ход привода определяют максимальные градиенты волнового фронта, которые можно компенсировать.
Шаг привода – это расстояние между центрами привода. Деформируемые зеркала с большим шагом привода и большим количеством приводов громоздки и дороги.
Ход привода — это максимально возможное смещение привода, обычно при положительном или отрицательном отклонении от некоторого центрального нулевого положения. Ход обычно составляет от ±1 до ±30 микрометров. Свободный ход привода ограничивает максимальную амплитуду корректируемого волнового фронта, тогда как ход между приводами ограничивает максимальную амплитуду и градиенты корректируемых аберраций высшего порядка.
Функция влияния – это характерная форма, соответствующая отклику зеркала на действие одиночного исполнительного механизма. Различные типы деформируемых зеркал имеют разные функции воздействия, причем функции воздействия могут быть разными для разных исполнительных механизмов одного и того же зеркала. Функция воздействия, охватывающая всю поверхность зеркала, называется «модальной», а локализованный отклик — «зональной».
Муфта актуатора показывает, насколько движение одного актуатора будет смещать соседей. Все «модальные» зеркала имеют большую перекрестную связь, что на самом деле хорошо, поскольку обеспечивает высокое качество коррекции плавных оптических аберраций низшего порядка, которые обычно имеют наибольший статистический вес.
Время отклика показывает, насколько быстро зеркало отреагирует на управляющий сигнал. Может варьироваться от микросекунд (МЭМС и магнитные зеркала) до десятков секунд для терморегулируемых DM.
Гистерезис и ползучесть — это нелинейные эффекты срабатывания, которые снижают точность срабатывания деформируемого зеркала. Для разных концепций гистерезис может варьироваться от нуля (зеркала с электростатическим приводом) до десятков процентов для зеркал с пьезоэлектрическими приводами. Гистерезис — это остаточная ошибка позиционирования от предыдущих команд положения привода, которая ограничивает способность зеркала работать в режиме прямой связи, вне контура обратной связи.
Концепции деформируемых зеркал
[ редактировать ]
Сегментированные концептуальные зеркала состоят из независимых плоских зеркальных сегментов. Каждый сегмент может перемещаться на небольшое расстояние вперед и назад, чтобы приблизительно определить среднее значение волнового фронта по площади участка. Преимущество состоит в том, что эти зеркала имеют незначительные или нулевые перекрестные помехи между исполнительными механизмами. Ступенчатая аппроксимация плохо работает для гладких непрерывных волновых фронтов. Острые края сегментов и промежутки между сегментами способствуют рассеянию света, что ограничивает возможности применения только теми, кто не чувствителен к рассеянному свету. Значительного улучшения характеристик сегментного зеркала можно добиться введением трех степеней свободы на каждый сегмент: поршневой, законцовой и наклонной. Эти зеркала требуют в три раза больше приводов по сравнению с зеркалами с поршневыми сегментами. Эта концепция была использована для изготовления больших сегментированных главных зеркал для телескопов Кека , космического телескопа Джеймса Уэбба и будущего E-ELT . Существует множество методов точной синхронизации сегментов и уменьшения дифракционных картин, вызванных формой сегментов и зазорами. Будущие крупные космические телескопы, такие как НАСА. Большой УФ-оптический инфракрасный геодезист также будет оснащен сегментированным главным зеркалом. Разработка надежных методов увеличения контраста является ключом к прямому получению изображений и характеристике экзопланет .
Концептуальные зеркала с непрерывной лицевой панелью и дискретными приводами образованы передней поверхностью тонкой деформируемой мембраны. Форма пластины контролируется рядом дискретных приводов, закрепленных на ее задней стороне. Форма зеркала зависит от комбинации сил, приложенных к лицевой панели, граничных условий (способа крепления пластины к зеркалу), а также геометрии и материала пластины. Эти зеркала позволяют плавно управлять волновым фронтом с очень большими – до нескольких тысяч – степенями свободы.
Магнитные зеркала состоят из тонкой гибкой сплошной мембраны, приводимой в действие звуковыми катушками и магнитами. Эта технология обеспечивает большую гибкость конструкции для достижения самых разных характеристик. В зависимости от выбранного конструктивного решения они могут достичь непревзойденного хода — деформация до ста микрон — или очень высокой скорости — за период <мс. Поскольку мембрана представляет собой цельный лист материала, также достигается очень высокое оптическое качество. Эта технология может демонстрировать хорошую стабильность и сохранять форму практически неизменной в течение нескольких недель. Количество актуаторов может варьироваться от нескольких десятков до нескольких тысяч актуаторов.
зеркала MEMS Концептуальные изготавливаются с использованием технологий объемной и поверхностной микрообработки. Они состоят из тонкой отражающей мембраны, управляемой множеством исполнительных механизмов . [4] Зеркала MEMS могут преодолеть высокий ценовой порог традиционной адаптивной оптики . Они позволяют использовать большее количество приводов по более экономичной цене, обеспечивая точную коррекцию волнового фронта. [4] Зеркала MEMS обеспечивают быстрое время отклика исполнительных механизмов. [5] с ограниченным гистерезисом. Дополнительным преимуществом является то, что технологии микрообработки позволяют за счет эффекта масштаба создавать более дешевые и легкие деформируемые зеркала с большим количеством приводов. [6]
Зеркала концепции мембраны состоят из тонкой проводящей и отражающей мембраны, натянутой на прочную плоскую раму. Мембрану можно деформировать электростатически, подавая управляющее напряжение на электростатические приводы электродов, которые можно располагать под или над мембраной. Если над мембраной расположены какие-либо электроды, они прозрачны. Зеркало можно эксплуатировать только с одной группой электродов, расположенных под зеркалом. В этом случае на все электроды подается напряжение смещения, чтобы мембрана изначально стала сферической. Мембрана может перемещаться вперед и назад относительно эталонной сферы.
Зеркала концепции Bimorph состоят из двух или более слоев различных материалов. Один или несколько (активных) слоев изготовлены из пьезоэлектрического или электрострикционного материала. Структура электрода нанесена на активный слой для облегчения местного ответа. Зеркало деформируется, когда к одному или нескольким его электродам прикладывается напряжение, заставляя их расширяться вбок, что приводит к локальному искривлению зеркала. Биморфные зеркала редко изготавливаются с числом электродов более 100.
феррожидкости концепции Зеркала представляют собой жидкостные деформируемые зеркала, изготовленные из суспензии небольших (диаметром около 10 нм) ферромагнитных наночастиц, диспергированных в жидком носителе. При наличии внешнего магнитного поля ферромагнитные частицы выравниваются по полю, жидкость намагничивается, а ее поверхность приобретает форму, определяемую равновесием между магнитными, гравитационными силами и силами поверхностного натяжения. Используя правильную геометрию магнитного поля, на поверхности феррожидкости можно создать любую желаемую форму. Эта новая концепция предлагает потенциальную альтернативу недорогим деформируемым зеркалам с большим ходом и большим количеством приводов. [7] [8] [9]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «OKO представляет линейную пьезоэлектрическую оптику.org/News_0106_2.html» .
- ^ «Новое деформируемое вторичное зеркало VLT» . www.eso.org . Проверено 1 ноября 2016 г.
- ^ «Сверхтонкое зеркало для более четкого изображения звезд» . Объявления ESO . Проверено 5 марта 2012 г.
- ^ Jump up to: а б Бифано, Т.; Корнелиссен, С.; Бирден, П. (2010). «МЭМС-деформируемые зеркала в астрономической адаптивной оптике». 1-я конференция AO4ELT — Адаптивная оптика для сверхбольших телескопов . Париж, Франция: EDP Sciences. п. 06003. Бибкод : 2010aoel.confE6003B . дои : 10.1051/ao4elt/201006003 . ISBN 978-2-7598-0496-2 .
- ^ Уоллес, Брайан П.; Хэмптон, Питер Дж.; Брэдли, Колин Х.; Конан, Родольф (30 октября 2006 г.). «Оценка МЭМС-деформируемого зеркала для стенда адаптивной оптики» . Оптика Экспресс . 14 (22): 10132–10138. Бибкод : 2006OExpr..1410132W . дои : 10.1364/OE.14.010132 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19529409 .
- ^ Мадек, П. (07.06.2015). «Обзор технологий деформируемых зеркал для адаптивной оптики». Визуализация и прикладная оптика 2015 . Оптическое общество Америки. стр. AOTh2C.1. doi : 10.1364/AOMS.2015.AOTh2C.1 . ISBN 978-1-943580-00-2 .
- ^ П. Лэрд; Р. Бергамаско; В. Берубе; Э. Ф. Борра; А. Ричи; М. Риу; Н. Робитайль; С. Тибо; Л. Виейра да Силва-младший; Х. Йокелл-Лелевр (август 2002 г.). «Деформируемые зеркала на основе феррожидкости: новый подход к адаптивной оптике с использованием жидких зеркал». В Визинович, Питер Л.; Боначчини, Доменико (ред.). Деформируемые зеркала на основе феррожидкости — новый подход к адаптивной оптике с использованием жидких зеркал . Материалы конференции SPIE по астрономическим телескопам и приборам. Том. 4839. с. 733. arXiv : astro-ph/0212189 . дои : 10.1117/12.459065 . S2CID 119057652 .
- ^ П. Лэрд; Н. Кэрон; М. Риу; Э. Ф. Борра; А. Ритси (2006). «Феррожидкостные адаптивные зеркала» . Прикладная оптика . 45 (15): 3495–3500. Бибкод : 2006ApOpt..45.3495L . дои : 10.1364/AO.45.003495 . ПМИД 16708094 .
- ^ Дени Бруссо; Эрманно Ф. Борра; Саймон Тибо (2007). «Коррекция волнового фронта с помощью 37-актюаторного деформируемого феррожидкостного зеркала» . Оптика Экспресс . 15 (26): 18190–18199. Бибкод : 2007OExpr..1518190B . дои : 10.1364/OE.15.018190 . ПМИД 19551117 .