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天文学用 MEMS 可変形鏡の開発

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).

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天文学用 MEMS 可変形鏡の開発

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Presentation Transcript

  1. 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)

  2. 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

  3. 補償光学装置と形状可変形鏡

  4. 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

  5. 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?

  6. ピエゾDMの代表例 積層アクチュエータ バイモルフ

  7. AO用MEMS-DM

  8. なぜMEMS-DM? 緑色：MEMS-DMに期待される項目 赤色：MEMS-DMに対する課題

  9. 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 二段メンブレン式 分割三脚式 Iris AO OKO Boston Micromachines

  10. 各方式の比較 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

  11. 次世代MEMS-DMの開発に向けて

  12. 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

  13. 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]

  14. AO方式の多様化 レンズ … … (従来型AO) 顕微鏡 広視野カメラ MOAO (Multi-Object AO) ExAO (Extreme AO) 暗い遠方銀河を複数同時 明るい星近傍の惑星 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。

  15. 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

  16. 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

  17. 大気ゆらぎの空間周波数ごとの強度 各動径次数の各形状の 波面誤差(RMS)の比 Zernike polynomials 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

  18. 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。

  19. ストローク • 特にエッジを大きく • Woofer-tweeterを一枚で エッジで大ストロークであれば、 小素子数やTT鏡でも意味がある。

  20. 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。

  21. 制御回路 • 低電圧駆動 • リニアな制御電圧特性 静電式は電圧と変位の関係が非線形(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

  22. 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)

  23. 鏡であることによる注意点 • 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?

  24. 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?

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