Study of a Large Deformable Mirror Concept

• It is attractive to integrate a large deformable mirror for adaptive optics into an astronomical telescope rather than using relay optics within an auxiliary instrument. However, the resulting large deformable mirror can be expensive, particularly for extremely large telescopes. We have pursued a low-cost approach using force actuators connected to the back of the deformable mirror through suction cups. This innovative concept for attachment of force actuators does not require high mechanical tolerances. Use of inexpensive voice-coil actuators and a thin mirror leads to a poorly damped system with many structural eigenfrequencies within the desired bandwidth. A feedback signal (in addition to the one from the wavefront sensor) is introduced by electro-mechanical sensors placed at the back of the deformable mirror. Using these sensors, stiffness and damping are added to the mirror through feedback loops. We introduce a local control concept with actuator families that have predetermined force patterns. Use of actuator families reduces crosstalk between adjacent actuators and prevents excitation of a number of low-order eigenmodes. This strategy can be seen as extending Saint-Venant`s principle beyond the static case. Thus, low-order eigenmodes are only weakly excited by actuation, leading to significant cost reduction for the sensors. The suggested sensors are of the electret microphone type. We present an integrated model of our suggested deformable mirror concept, which we use to demonstrate the controllability of the proposed first experimental laboratory setup. The experimental setup encompasses a partially illuminated large deformable mirror, where some force actuators are replaced by dummy actuators. From the experiment, key features, such as local control performance, dynamic range, controllability and robustness of the deformable mirror can be evaluated.

• Popular Abstract in Swedish Deformerbara speglar som används i teleskop är förhållandevis små med en diameter på 10-30 cm, med undantag av ett fåtal. Den största deformerbara spegeln som är integrerad i ett teleskop idag, har en diameter på 911 mm och återfinns i Large Binocular Telescope. I designen för E-ELT har en deformerbar spegel med en diameter på dryga 2 m inkluderats och GMT har ett antal stora deformerbara speglar som den sekundära spegeln i sin design. Behovet av forskning inom detta område är därav uppenbart. Den drivande kraften bakom stora deformerbara speglar är framförallt möjligheten att integrera spegeln i teleskopsdesignen och inte behöva använda extra optiska element. Detta argument är viktigt eftersom en del av det insamlade ljuset försvinner vid varje spegelreflektion. Effekten av att använda en stor deformerbar spegel, integrerad i teleskopsdesignen, blir alltså att mer av det insamlade ljuset når fram till forskningsinstrumenten. I denna avhandling presenteras arbetet med att ta fram ett koncept för en stor deformerbar spegel, vilket designmässigt är en sann teknisk utmaning. Fokus ligger inte enbart på att demonstrera ett fungerade spegelkoncept, utan också visa ett kostnadseffektivt alternativ. Det relativt billiga spegelkonceptet möjliggörs av att de mekaniska komponenterna är “okonventionella”. Kraftaktuatorerna, som används för att deformera spegeln, sätts fast på baksidan av den deformerbara spegeln genom att vakuumtryck skapas i sugkoppar. Användningen av sugkoppar gör att extra komponenter på baksidan, t.ex. magneter, inte behövs. Detta reducerar kravet på den mekaniska toleransen, vilken är kostsam. En tunn spegel som styrs av kraftaktuatorer har en mjuk struktur, d.v.s. spegeln vibrerar lätt och vibrationer blir långvariga. Dessutom är olika spegelformer svåra att uppnå, eftersom ett fåtal former är kraftigt dominerande. En jämförelse kan göras med ett papper; om ett pappersark hålls i mitten med ena handen medan den andra handen trycker på ett ställe, blir följden att hela pappersarket viker sig. För att motverka detta beteende hos strukturen har ett kontrollsystem tagits fram för att styra den deformerbara spegeln. Att designa ett kontrollsystem är en utmaning eftersom en deformerbar spegel har en stor mängd aktuatorer och sensorer, kan vara flera tusen. En lokal styrning har föreslagits, vilken gör systemet hanterbart. Istället för att styra varje aktuator individuellt, styrs små familjer av närliggande aktuatorer tillsammans. Energin som tillförs spegeln genom en aktuator sprids inte utanför familjen. Aktuatorfamiljen har bra egenskaper som utnyttjas i kontrollsystemet och konceptet ger också god stabilitet och robusthet. För att kunna designa en deformerbar spegel, är det viktigt att förstå de dynamiska egenskaperna hos en tunn spegel. Två olika betraktelsesätt har presenterats. Ett alternativ är att betrakta en spegels rörelse som vågor på vatten. Vågor kan reflekteras av kanterna och bilda stående vågor, vilket definerar vibrationsmoderna i en spegel. Alltså kan vågteori användas för att beskriva en spegels dynamiska beteende. Ett alternativt sätt är att betrakta en spegels rörelse utifån de ekvationer som beskriver dess utböjning. Dessa ekvationer är komplexa att lösa men det är dock möjligt. Det underlättar att betrakta en spegels utböjning som en kombination av vibrationsmoder. Ett verktyg för att lösa ekvationerna har presenterats, vilket även är användbart inom andra områden. Det är värt att nämna att det deformerbara spegelkonceptet som presenteras i denna avhandlig uppfattas som en “konventionell” deformerbar spegel i ett adaptivt optiskt system. De simuleringar av modellen som gjorts, visar att det framtagna spegelkonceptet fungerar lika bra som en idealiserad deformerbar spegel i de driftområden som adaptiva optiska system vanligtvis har. Slutligen, har planer för ett första experiment beskrivits och en integrerad model har används för att bekräfta experimentets möjligheter att demonstrera det framtagna konceptet för en deformerbar spegel.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Astronomi, astrofysik och kosmologi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Astronomy, Astrophysics and Cosmology (hsv//eng)

Nyckelord

Large deformable mirror - Adaptive optics - Distributed Control - Local control: actuator family - Faceplate: vibration modes - Faceplate: Dimensionless modal analysis

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)