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℃