D - Actives Structures Laboratory
publicité
Piezoelectric Mirrors for Adaptive Optics in Space Telescopes David ALALUF Supervisor: prof. André Preumont PhD Defense Active Structures Laboratory Ecole Polytechnique - Université Libre de Bruxelles Brussels, December 2nd, 2016 Les télescopes à réfraction Galilée - 1609 Onde sphérique Objet Onde sphérique divergente Image Onde sphérique convergente L’aberration chromatique Indice de réfaction: n=n(λ) Réfraction de la lumière… Aberration chromatique ça rend flou…. Réfraction: Lorsque la lumière passe à travers la lentille, chaque couleur est déviée différemment Les télescopes à réflexion Problème résolu en utilisant des miroirs pour focaliser la lumière Newton: télescope à réflexion - 1668 Miroir parabolique Rayons de lumière D = 3cm Le point focal ne dépend plus de la couleur 4 Evolution des télescopes: 1700-1920 Herschel - 1781 Herschel - 1789 D = 20cm D = 1.25m Découverte d’Uranus Parson- 1845 D = 1.8m Monture alt-az Mt Wilson (USA) - 1917 D = 2.5m •Plus le miroir est grand, plus il collecte de lumière ! Œil géant sur l’Univers… •Problèmes liés aux turbulences atmosphériques ! Monture éq. Schémas de principe d’un télescope Télescope: Ensemble de miroirs positionnés précisément pour collecter et focaliser la lumière La diffraction Grand miroir Objet Point On voit plus On voit mieux (Résolution) Image Tache d’Airy Vue en coupe On ne pourra jamais faire mieux qu’une tâche d’Airy L’optique adaptative 8 Les miroirs déformables Electrostatic MEMS Piezo-stacked actuator Piezoelectric bimorph Electromagnetic actuator 9 Déformation de la structure Gravité, phénomènes thermiques, vent, vibrations, … Déformation de la structure Déformation des miroirs g g 10 M1 Optique active (1) New Technology Telescope – D=3.5 m (1989) Contrôle de position de M2 Contrôle des axes de rotation [ESO] Contrôle de forme de M1 (78 actionneurs ) Optique active (2) ESO D = 3.6m (passif) Télescope Schmidt (D = 1m, passif) ESO NTT (D = 3.5m, actif) Image brute Après post-traitement 12 [Wilson, 2003] Very Large Telescope (VLT) [ESO] Mont Cerro Paranal (alt. 2600m) •4 UT, Mirroir =8 m •4 télescopes auxiliaires (2m) •Interférométrie 13 Very Large Telescope (1998) Support du miroir primaire (D = 8.2m, th=17cm, 150 actionneurs) [ESO] 14 D>8 m Segmentation Twin Keck telescopes (Hawaii – alt: 4145 m) Miroir primaire: 36 segments (2m) Diamètre M1: 10 m Contrôle des segments (PTT) Gran Telescopio Canarias (GTC) •La Palma (îles Canaries) •Miroir primaire: 36 segments •Segments: 8 cm d’épaisseur •Diamètre: 10.4 m 16 Le futur proche Télescopes spatiaux M1 des télescopes actuels et futurs HST – 2.6m Herschel – 3.5m JWST – 6.5m (2018 ?) E-ELT – 39m (2025) Télescopes terrestres TMT – 30m (?) VLT – 8m Keck – 11m Human At the Same scale 17 Pourquoi utiliser des télescopes spatiaux ? •Pas d’atmosphère (mais AO!) •Longueurs d’onde filtrées •Observer la terre •Voir les astres sous d’autres angles D = 2.4 m [NASA] 18 Hubble Space Telescope (1990) •Anomalie après le lancement Images floues… •Orbite: 600 km Réparation… •Visible – IR – Ultraviolet •Désorbitage: 2020 19 20 Herschel [ESA ] •Plus grand télescope spatial •Lancement: 2009 •IR •Orbite: L2 •Désorbitage:2013 21 James Webb Space Telescope D = 6.5m •Plus grand que Herschel segmentation •JWST M1: 6.5m - 18 segments (déploiement en orbite) •Lancement 2018, L2 •IR •Etude des premières étoiles & galaxies [NASA, ESA, CSA] 22 JWST - Goddard Space Flight Center (NASA - 2016) 23 Principe du JWST: pas extrapolable pour des très grands réflecteurs Changement de paradigme (Densité surf./Place) Replace structure by information use active materials Hubble 2500 kg/m² JWST 25 kg/m² Inflatable concept 2-5 kg/m² Adapted from Ivan Bekey: Advanced spaces system concepts and technologies: 2010‐2030+ (AIAA‐2003) Bekey concept 0.25 kg/m² 24 Réflecteurs spatiaux très grands et ultra-légers Configuration enroulée Membranes lenticulaires (collées au bord) •Pression variable (distance focale) •Contrôle de forme (piézoélectrique) •Contrôle par les CL Polymer thin film - Mevicon 25 Comportement d’une coque… Transition length D=10 m - RC=16 m 1. Comportement 2. Rigidité annulaire 3. Characteristic length 26 Démonstrateur technologique Small-size prototype Consortium: ASL Cetech Materia Nova Samtech (Control of a shell) (PEEK Substrate) (Thin films) (FE simulation e.g buckling) 27 Configuration en pétale Petal configuration Rigidité annulaire On casse le rigidité annulaire 28 Miroirs déformables pour télescopes spatiaux Télescopes terrestres Télescopes spatiaux Thesis goals: deformable mirrors to compensate for: •Manufacturing errors & creep of M1 •Thermal gradient •Gravity gradient 29 Bimorph Adaptive Optics Silicon Mirror made by screen printing Reflecting side Of the mirror Silicon wafer (700 µm) PZT Thick film deposition (80 microns) Gold electrodes Source: G. Rodrigues (2010) Manufacturing: Fraunhofer IKTS (Dresden) 30 Collage sous tensions électriques •Collage de patch individuels •Miroir en Si •PZT V>0 Laser 31 Collage sous tensions électriques - Dimples Low frequency terms High frequency terms Defocus Dimples: •Inherent to the bimorph architecture •Ultimate accuracy (≈ 1/200 PV) 32 Optique Adaptative miroirs segmentés avec des actionneurs PZT Pourquoi utiliser la segmentation ? Stoney’s formula t: épaisseur du miroir D: diamètre du miroir tp: épaisseur du patch 33 Résultats expérimentaux •IF Jacobien •Comparison Numerque vs Exp IF •Contrôle en boucle fermée 34 Inversion du Jacobien Problème: Meth. 1: Singular Value Decomposition rectangulaire Meth. 2: Tikhonov regularization (or Damped Least Squares) mal-conditionné w: déplacements v: voltages σ v α cut-off RMSerror ≈ const & Voltage range ! 35 Disposition Honeycomb et Keystone Honeycomb 2013: 37 patchs indépendants Keystone 2014: Un seul patch Laser 36 Gluing under constant voltage PZT Free-form without polishing Wafer back side D=76 mm 37 AO mirror with PZT actuation Keystone electrode design (ESA-2015) Optical pupil Active foot Electrodes and tracks are obtained by laser ablation (G. Martic, CBRC) 38 Electronique Miroir déformable Senseur NIMO 39 Performances du prototype Mesure relative Mesure absolue •Z1 Z15: RMS error < 30 nm (optical pupil 30 mm, PV 0.5 1 µm) •Voltage range for active control (< 20% & <50 % of Vmax) •Long-term stability > 1h •Resonance frequency > 250 Hz •Reflectivity > 97% Mesures absolues ! Satisfait toutes les exigences de l’ESA 40 Ultra-flat design (2016) f1≈ 350 Hz 41 Alternative configuration Goal: Control the mirror in both direction with positive voltages Thermally balanced design 1. 2. 3. 4. Materials with the same CTE Al optical coating Clamped configuration Al ring… Optical pupil Numerical study Active feet 42 Passive ring Numerical study Active ring 43 Remerciements • Supervisor: Prof. André Preumont Thank you • Colleagues: Renaud Bastaits, Ioan Burda (Electronic parts), Mihaita Horodinca, Iulian Romanescu & Geoffrey Warniez (Mechanical parts), Bilal Mokrani (Coach) • ESA’s technical officers: Eric Wille (BIALOM) & Gonçalo Rodrigues (MATS) • Partners: AMOS, CSL, Materia Nova, Certech, Samtech • Timo Scholehwar (PI Ceramic), Grégory Martic (BCRC), Pierre Taquet (SONACA), Paul Alexandre (SABCA), Thales Alenia Space. This thesis is funded by the European Space Agency (ESA) in the framework of the GSTP program. 44
