Adaptive Optics - 東北大学天文学教室[Tohoku

天文学用MEMS可変形鏡の開発
大屋 真 (国立天文台ハワイ観測所)
アウトライン
• 補償光学装置(AO)と形状可変形鏡(DM)
• AO用MEMS-DM
• 次世代MEMS-DM開発に向けて
補償光学装置と形状可変形鏡
補償光学装置とは
• 光波面の歪みをリアルタイムで
補正して回折限界像を取得
w/o AO
w/ AO
•天文学と眼科医療で応用が盛ん
網膜
海王星
w/o AO
w/ AO
w/o AO
w/ AO
形状可変鏡 (Deformable Mirror; DM)
• ピエゾ (最もよく使われている)
• 磁歪
• 電磁石
天文用では一般的ではないが、次の様な方式もある
– 透過型: 液晶位相板
透過率や偏光特性が問題
– 熱変形
特に赤外波長では背景雑音になる
– 液体
安定性?
ピエゾDMの代表例
積層アクチュエータ
バイモルフ
AO用MEMS-DM
なぜMEMS-DM?
ピエゾ
MEMS
大きさ
大きい
素子間隔: > 5 mm
(64x64素子: >300mm□)
小さい
素子間隔: <1 mm
(64x64素子: < 60mm□)
重さ
重い (特に積層アクチュエータ)
50kg
軽い (CPUチップ程度)
<100g
価格
$1,000 / actuator
$100 / actuator
ヒステリシス
> 5%
< 0.1%
ストローク
(変形量)
大きい
> 10 mm
小さい
< 10 mm
緑色:MEMS-DMに期待される項目
赤色:MEMS-DMに対する課題
既存のMEMS-DM
基本原理は、静電力で「引き」、機械的バネ(張力)で「戻り」
単一メンブレン式
OKO
二段メンブレン式
Boston Micromachines
分割三脚式
Iris AO
各方式の比較
単一メンブレン式
二段メンブレン式
分割三脚式
仕組みが簡単
現在、最も注目されている
あまりやられていない
素子数<100
素子数<4096
素子数>100
中心ストロークは
>10um
エッジでは小さい。
ストローク不十分
(多分10umは行かない)
ストロークが大きい
(既に10umに到達)
湿度に弱い。
分割による鏡面としての
性能の劣化?
振動に弱い?
面が不安定。
多素子には不向き?
注意:AO用では各素子の高さ方向の変位が重要。
DLP用DMDの様に各素子の傾きが変わるだけでは不十分
次世代MEMS-DMの開発に向けて
背景
• 口径30mの超大型望遠鏡を建設予定
TMT: Thirty Meter Telescope
現在の世界の主力は口径10m級(すばる望遠鏡は8m)
– 素子数、ストロークを増やす必要あり
– 観測時間が貴重⇒多天体化⇒安価・簡素
• 多様化
– 観測目的ごとに異なったAO方式が必要
– 各AO方式ごとに違う要素技術(DM)が必要
TMT-AOに必要な仕様
• 素子数: N ∝ (D/r0)2
Subaru AO188と同等の性能が必要なら
188×(30/8)2~2600
1000素子以上は必須
• 波面誤差: σ ∝ (D/r0)5/6
3σで評価(±3σ、鏡で半分)、TT補正済
0.6"@0.5μm; 天頂
Subaru: 2.2[μm]、TMT: 6.5[μm]
1.2"@0.5μm; EL=30°Subaru: 5.5[μm]、TMT: 16.4[μm]
秋山さんのシミュレーションによる見積もりは
http://www.astr.tohoku.ac.jp/~akiyama/index_Note_TMTinst_DM1.html
AO方式の多様化
…
顕微鏡
レンズ
(従来型AO)
…
広視野カメラ
ExAO (Extreme AO)
MOAO (Multi-Object AO)
明るい星近傍の惑星
暗い遠方銀河を複数同時
究極の波面補償性能による
高コントラストイメージ
- 超多素子
- 高速動作
- 高い鏡面精度
トモグラフィック3D波面推定と
オープンループ制御
- 繰り返し精度
- 鏡面の安定性
高反射率
多ユニット
- 簡素・安価
これまでのMEMS-DMは、
主にExAO用に作られてきた。MOAO用では仕様が異なる。
MEMS-DMの仕様(案)
既存のMEMS-DM、すばる望遠鏡のDMの仕様を基にTMT-MOAO用にアレンジ
Element count
1024 = 32x32 (goal: 4096 = 64x64)
Pitch
300 ~ 1,000 mm
Aperture size
10~ 30mm (goal: 20~ 60mm)
Fill factor
98%
Actuator yield
> 99%
Stroke (overall)
20 mm
Stroke (at highest spatial freq.)
4 mm
Surface roughness (RMS)
< 20nm (goal: <10nm)
Flatness (controlled; RMS)
< 20 nm
Bandwidth
> 100Hz
First resonance
> 1kHz
Hysteresys
< 0.1%
Reflective surface
Gold (Silver) w/ overcoat
Uniformity of surface reflectivity
±1% RMS
Stability
< 4nm
Repeatability
< 4nm
Resolution
< 4nm
Maximum drive voltage
< 300V
Operating temperature
-5℃ ~ +15℃ (goal: -30℃ ~ +30℃)
Relative Humidity
0 ~ 90 %
Altitude
0 ~ 4500 m
開発の着眼点
既存のMEMS-DMで不足な点・問題点
MEMSの専門家から見た新方式のアイデアはないか?
•ストローク
•耐久性
•制御回路
•価格
大気ゆらぎの空間周波数ごとの強度
Zernike polynomials
各動径次数の各形状の
波面誤差(RMS)の比
干渉計でなければ
補正しない。
4.4
(別途補正)
1
0.51
0.33
0.23
この先はなかなか
減らない…
N^-0.43 (R^-0.87)
大きな波面誤差を持っているのは低空間周波数成分
Woofer-tweeter
ストローク不足の場合は、スピーカーの様に
• Woofer: 低空間周波数を低速で補正
• Tweeter: 高空間周波数を高速で補正
f/15 input
OAE 1
OAE 2
300
Woofer DM
Tweeter DM
f/35 output
2700
光学系が複雑になり、透過効率も落ちる。
ある程度空間周波数が大きくなるとwooferの効果が薄い。
ストロークの目標
•特にエッジを大きく
•Woofer-tweeterを一枚で
金メダル
20 mm
世界初 (単一メンブレン式以外では)
Wooferを無くせる。
銀メダル
10 mm
分割式では実現しているが、
連続面式であれば世界初
Wooferの仕様を緩くできる。
5 mm
BMCのMEMS-DMと同じ。
他の点を改良できれば十分意味あり。
銅メダル
エッジで大ストロークなら、小素子数やTT鏡でも意味あり。
素人発想としては、「三脚式の二段メンブレンができないか?」
耐久性
安定した運用のために重要。チャンピオンデータだけではダメ。
•耐環境性
特に耐湿度。観測装置は半屋外。
例: Boston Micromachinesのkilo-DM
•高電圧(150V)を掛けると電線が腐食するらしい。
•ウィンドを付けるか、湿度<
50%以下で使用
•メンテナンスフリー
光学アラインメントがあるので交換は容易ではない。
10年は無故障であって欲しい。
制御回路
•低電圧駆動
•誤電圧印加防止回路
•リニアな制御電圧特性
静電式は変位∝電圧の2乗で非線形(D/Aの分解能が変化)
電圧-変位特性に合わせた高電圧アンプが用意できないか?
•外部配線数の削減
チャンネル数分の外付け高電圧アンプ、高耐圧・高密度電線
専用回路で外部配線数を減らす工夫
(例えばCMOSイメージセンサ)
排熱との関係もあるので単純ではないが…。
3U
価格
例: Boston Micromachinesのkilo-DM
–DM chip: $75k
–Driver: $75k
4000素子のDMでは総額$500k程度
希望としてはフルスペックで
DM chip + Driver: < $100k (1千万円)
天文用観測装置用としての注意点
• 機械的性能
– 時間安定性 (ふらふらしては困る)
– 繰り返し精度 (オープンループ制御で重要)
– 大きさの自由度 (目的に応じた選択が望ましい)
大きくなると動作速度が遅くなる? 必要電流増える?
• 光学的性能
– フラットなバイアス形状(単一メンブレンだと曲面)
– 面精度(研磨・コーティング)
特に誘電体多層膜コーティングは、張力の問題で難しい?
まとめ
• 補償光学装置(AO)と形状可変形鏡(DM)
• AOとMEMS-DM
• 次世代MEMS-DM開発に向けた仕様案
• Action Item
仕様案のブラッシュアップ
– 既製品でできている部分は、実際に可能か「確認」
– 既製品で不足な部分は、新しいアイデアがないか「検討」
– 項目に抜けが無いか?
補足資料
既存品の仕様例: 二段メンブレン式
Boston Micromachines: Kilo-DM
Element count
1032 (32x32)
Pitch
300 mm
Aperture size
9.3 mm
Fill factor
99%
Actuator yield
> 99.% (8/4096)
Stroke (overall)
1.5 mm surf.
Stroke (at highest spatial freq.)
> 0.2 mm surf.
Surface roughness (RMS)
20 nm surf.
Flatness (controlled; RMS)
0.28 nm surf.
Reflective surface
Gold-coated cont. face sheet w/ protect window
Stability
< 0.35 nm surf . (0.08 nm med.)
Repeatability
< 1 nm surf. (0.046 nm med.)
Resolution
sub-nm (14bit)
Response (10-90% slew)
20 ms
Maximum drive voltage
160V
Operating temperature
-30℃ ~ +30℃
既存品の仕様例: 分割三脚式
Iris AO: S163-8
Element count
163 (max. 367 demo)
Pitch
700 mm
Aperture size
7.7 mm
Fill factor
98 %
Actuator yield
----------
Stroke (overall)
8 mm (12 mm for 37act.)
Stroke (at highest spatial freq.)
8 mm
Tilt of each segment
8 mrad
Surface roughness (RMS)
< 30 nm
Flatness (controlled; RMS)
< 20 nm
Reflective surface
Gold / protected Aluminum; dielectric coating OK
Stability
----------
Repeatability
----------
Resolution
12 bit
Response (20-80% slew)
150 ms
Bandwidth (1dB)
> 2k Hz
Maximum drive voltage
200V
Operating temperature
5℃ ~ +70℃ (-40℃ ~ +85℃ by request)
ExAOの仕様例: 二段メンブレン式
Boston Micromachines: Gemini Planet Imager (ExAO)のtweeter
Element count
4096 (64x64)
Pitch
300 ~ 400 mm
Stroke (overall)
2.4 mm (4.0 mm)
Stroke (at highest spatial freq.)
1.0 mm
Differential stroke
> 1.0 mm
Fill factor
99%
Aperture size
19.2 ~ 25.6mm
Surface roughness (RMS)
<10nm (goal: <3nm)
Surface roughness (PV)
<30nm (goal: <9nm)
Flatness (controlled; RMS)
< 1nm
Bandwidth (1dB)
> 250Hz
First resonance
> 2,500Hz
Actuator yield
> 99.8% (8/4096)
Clear aperture
48act. across; 2act. away from edge
Reflective surface
Gold-coated continuous face sheet
Uniformity of surface reflectivity
±1% RMS
Maximum drive voltage
300V
Operating temperature
-30℃ ~ +30℃