변형 거울

Deformable mirror
변형 거울은 천체망원경의 파동측 오류를 교정하는 데 사용될 수 있다.

변형 가능한 미러(DM)는 파동 제어 및 광학적 이상 교정을 달성하기 위해 표면이 변형될 수 있는 미러를 말한다. 변형 가능한 거울은 적응형 광학에서 파동전면 센서 및 실시간 제어 시스템과 결합하여 사용된다. 2006년에 그들은 펨토초 펄스 형태에서 새로운 용도를 발견했다.[1]

DM의 모양은 광학 시스템에 존재하는 동적 이상 보상에 적합한 속도로 제어될 수 있다. 실제로 DM 모양은 교정할 프로세스보다 훨씬 빨리 변경되어야 한다. 정적 일탈의 경우에도 보정 프로세스는 여러 번 반복될 수 있기 때문이다.

DM은 보통 많은 자유도를 가지고 있다. 일반적으로 이러한 자유도는 기계식 액추에이터와 연관되며, 한 액추에이터가 한 자유도에 해당하는 것으로 대략 파악할 수 있다.

변형 가능한 미러 파라미터

VLT의 변형 가능한 보조 미러[2]

액츄에이터 수는 거울이 교정할 수 있는 자유도(파형 앞면 편향)의 개수를 결정한다. 임의의 DM을 제르니케 다항식의 형태로 파동전면 모드를 완벽하게 재현할 수 있는 이상적인 장치와 비교하는 것은 매우 일반적이다. 사전 정의된 이상 통계에서 M 액추에이터가 있는 변형 가능한 거울은 N(일반적으로 N < M) 자유도를 가진 이상적인 Zernike 교정기와 동일할 수 있다. 대기 난류의 교정의 경우 저차 제르니케 항을 제거하면 대개 영상 화질이 크게 개선되는 반면 고차 항을 추가로 수정하면 덜 유의미한 개선이 나타난다. 일반적으로 고속 공기역학 유량장에서 부딪히는 충격 및 웨이크 난류 같은 강력하고 빠른 파동 프런트 오류 변동의 경우, 액추에이터 수, 액추에이터 피치 및 스트로크는 보상할 수 있는 최대 파동 프런트 기울기를 결정한다.

액추에이터 피치는 액추에이터 센터 사이의 거리를 의미한다. 액추에이터 피치가 크고 액추에이터 수가 많은 변형 가능한 거울은 부피가 크고 가격이 비싸다.

액추에이터 스트로크는 최대 가능한 액추에이터 변위치로, 일반적으로 중앙 null 위치에서 양의 편차 또는 음의 편차를 나타낸다. 스트로크의 범위는 일반적으로 ±1 ~ ±30마이크로미터이다. 자유 액추에이터 스트로크는 보정된 파형 전선의 최대 진폭을 제한하고, 액츄레이터 간 스트로크는 보정 가능한 고차 이상의 최대 진폭과 구배를 제한한다.

영향 기능은 단일 액추에이터의 작용에 대한 미러 반응에 해당하는 특성 형상이다. 변형 가능한 미러의 종류에 따라 영향 기능이 다르며, 더욱이 영향 기능은 동일한 미러의 서로 다른 작동기에 대해 다를 수 있다. 거울 표면 전체를 덮고 있는 영향 함수를 "모달"함수라고 하고, 국부적 반응을 "영역"이라고 한다.

액추에이터 커플링은 한 액추에이터의 움직임이 이웃을 얼마나 대체하는지를 보여준다. 모든 '모달' 거울은 큰 교차 결합을 가지고 있는데, 실제로는 통계적 무게가 가장 높은 매끄러운 저차 광학 이상 교정 품질을 확보하여 좋다.

응답 시간은 미러가 제어 신호에 얼마나 빨리 반응하는지를 보여준다. 열로 제어되는 DM의 경우 마이크로초(MEMS 및 자석 미러)에서 수십 초까지 다양할 수 있다.

이력(hysteresis)과 크리프는 변형 거울의 반응 정밀도를 감소시키는 비선형 작동 효과다. 다른 개념의 경우 압전식 액츄에이터가 있는 거울의 경우 이력(hysteresis)은 0(정전기 작동식 미러)에서 수십 퍼센트까지 다양할 수 있다. 이력(hysteresis)은 이전 액추에이터 위치 명령에서 발생한 잔류 위치 오류로 피드백 루프 외부에 있는 피드포워드 모드에서 작업할 수 있는 미러 기능을 제한한다.

변형 가능한 미러 개념

ESO의 초대형 망원경어댑티브 광학 설비를 위한 얇은 쉘 미러. 껍질은 가로 1120밀리미터지만 두께는 2밀리미터에 불과하다.[3]

분할된 개념 미러는 독립적인 평면 미러 세그먼트에 의해 형성된다. 각 세그먼트는 작은 거리를 앞뒤로 이동하여 패치 영역 위로 파형의 평균 값을 대략적으로 측정할 수 있다. 이 거울들은 액추에이터 사이에 교호작용이 거의 또는 제로인 것이 장점이다. 단계적 근사치는 매끄러운 연속 파동프론트에 적합하지 않다. 세그먼트의 날카로운 가장자리와 세그먼트 사이의 간격은 빛의 산란을 야기하여, 산란된 빛에 민감하지 않은 것으로 응용을 제한한다. 세그먼트당 피스톤, 팁 및 틸트 3도의 자유도를 도입하면 세그먼트 미러의 성능이 상당히 향상될 수 있다. 이 미러는 피스톤 세그먼트 미러에 비해 3배 많은 액츄에이터가 필요하다. 이 개념은 Keck 망원경, JWST 및 미래 E-ELT를 위한 대형 분할된 기본 미러의 제작에 사용되었다. 세그먼트를 정확하게 공상화하고 세그먼트 모양과 간격에 의해 유입되는 회절 패턴을 줄이기 위한 수많은 방법이 존재한다. NASA Large UV 광학 적외선 조사관과 같은 미래의 대형 우주 망원경도 분할된 1차 거울을 갖게 될 것이다. 대비를 증가시키기 위한 강력한 방법의 개발은 외부 행성의 직접 이미지와 특성화의 핵심이다.

이산 액츄에이터가 있는 연속 페이스플레이트 개념 미러는 얇은 변형 가능한 막의 전면 표면에 의해 형성된다. 플레이트의 모양은 뒷면에 고정된 다수의 이산형 액추에이터에 의해 제어된다. 거울의 모양은 페이스 플레이트에 가해지는 힘, 경계 조건(판들이 거울에 고정되는 방식)과 판의 기하학적 구조와 재료의 조합에 따라 달라진다. 이 거울은 최대 수천도의 자유도로 부드러운 전면 제어를 가능하게 한다.

자석 개념 미러는 자석 액츄에이터에 의해 움직이는 연속 반사 표면을 기반으로 한다. 큰 획, 직선성, 빠른 안착 시간이 특징이다.

MEMS 개념 미러는 벌크 및 표면 마이크로마키닝 기술을 사용하여 제작된다. 그것들은 다수의 액추에이터에 의해 제어되는 얇은 반사막으로 구성된다.[4] MEMS 미러는 기존의 적응형 광학 장치의 높은 가격 임계값을 깨뜨릴 수 있다. 그것들은 보다 비용 효율적인 가격으로 더 높은 작동기 수를 가능하게 하여 정확한 파형 전면 보정을 가능하게 한다.[4] MEMS 미러는 제한된 이력(hysteresis)으로 액추에이터로부터[5] 빠른 응답 시간을 제공한다. 또 다른 이점은 마이크로마칭 기술이 더 많은 수의 액추에이터로 더 저렴하고 가벼운 변형 거울을 만들 수 있는 규모의 경제를 가능하게 한다는 것이다.[6]

멤브레인 개념 미러는 단단한 평면 프레임 위에 늘어뜨린 얇은 전도성 및 반사막에 의해 형성된다. 멤브레인 아래나 위에 위치할 수 있는 정전극 액츄에이터에 제어 전압을 가하면 정전기적으로 막을 변형시킬 수 있다. 막 위에 위치한 전극이 있으면 투명하다. 미러 아래에 위치한 하나의 전극 그룹만 사용하여 미러를 작동할 수 있다. 이 경우 모든 전극에 바이어스 전압이 가해져 막이 처음에는 구형이다. 막은 기준 구를 기준으로 앞뒤로 움직일 수 있다.

강유체 변형 거울

바이모르프 개념 미러는 둘 이상의 다른 재료 층에 의해 형성된다. 하나 이상의 (활성) 층이 압전 또는 전기 강직 재료로 제조된다. 활성층에 전극 구조를 패턴화하여 국소적 반응을 용이하게 한다. 하나 이상의 전극에 전압을 가하면 거울이 변형되어 횡방향으로 확장되어 국소 거울이 휘어지게 된다. 바이모르프 거울은 100개 이상의 전극으로 만들어지는 경우는 드물다.

페로플루이드 개념 미러는 액체 운반체에 분산된 작은(지름 약 10nm) 강자성 나노입자를 매달아 만든 액체 변형 거울이다. 외부 자기장이 있는 곳에서 강자성 입자는 자기장과 정렬하고 액체는 자화되며 그 표면은 자기력, 중력, 표면장력 사이의 평형에 의해 지배되는 형태를 얻는다. 적절한 자기장 기하학적 구조를 사용하여 원하는 모양은 페로플루이드 표면에서 생성될 수 있다. 이 새로운 개념은 저비용, 고 스트로크 및 다수의 액추에이터 변형 미러에 대한 잠재적 대안을 제공한다.[7][8][9]

참고 항목

참조

  1. ^ http://www.adaptiveoptics.org/News_0106_2.html
  2. ^ "The VLT's new Deformable Secondary Mirror". www.eso.org. Retrieved 1 November 2016.
  3. ^ "Super-thin Mirror for Sharper Star Images". ESO Announcements. Retrieved 5 March 2012.
  4. ^ a b Bifano, T.; Cornelissen, S.; Bierden, P. (2010). "MEMS deformable mirrors in astronomical adaptive optics". 1st AO4ELT Conference - Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes. Paris, France: EDP Sciences: 06003. Bibcode:2010aoel.confE6003B. doi:10.1051/ao4elt/201006003. ISBN 978-2-7598-0496-2.
  5. ^ Wallace, Brian P.; Hampton, Peter J.; Bradley, Colin H.; Conan, Rodolphe (2006-10-30). "Evaluation of a MEMS deformable mirror for an adaptive optics test bench". Optics Express. 14 (22): 10132–10138. Bibcode:2006OExpr..1410132W. doi:10.1364/OE.14.010132. ISSN 1094-4087. PMID 19529409.
  6. ^ Madec, P. (2015-06-07). "Overview of Deformable Mirror Technologies for Adaptive Optics". Imaging and Applied Optics 2015 (2015), Paper AOTh2C.1. Optical Society of America: AOTh2C.1. doi:10.1364/AOMS.2015.AOTh2C.1. ISBN 978-1-943580-00-2.
  7. ^ P. Laird; R. Bergamasco; V. Berube; E.F. Borra; A. Ritcey; M. Rioux; N. Robitaille; S. Thibault; L. Vieira da Silva Jr; H. Yockell-Lelievre (August 2002). "Ferrofluid-based deformable mirrors: A new approach to adaptive optics using liquid mirrors". In Wizinowich, Peter L.; Bonaccini, Domenico (eds.). Ferrofluid Based Deformable Mirrors - a New Approach to Adaptive Optics Using Liquid Mirrors. Proceedings of SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation meeting. Vol. 4839. p. 733. arXiv:astro-ph/0212189. doi:10.1117/12.459065. S2CID 119057652.
  8. ^ P. Laird; N. Caron; M. Rioux; E. F. Borra; A. Ritcey (2006). "Ferrofluidic adaptive mirrors". Applied Optics. 45 (15): 3495–3500. Bibcode:2006ApOpt..45.3495L. doi:10.1364/AO.45.003495. PMID 16708094.
  9. ^ Denis Brousseau; Ermanno F. Borra; Simon Thibault (2007). "Wavefront correction with a 37-actuator ferrofluid deformable mirror". Optics Express. 15 (26): 18190–18199. Bibcode:2007OExpr..1518190B. doi:10.1364/OE.15.018190. PMID 19551117.