[論文レビュー] Characterization of deformable mirrors for the MagAO-X project

Kyle Van Gorkom, Kelsey Miller+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、MagAO-Xの極限自己適応光学システムで使用される可変ミラー（DM）の高精度な特徴付けプロトコルを提示する。Zygo干渉計測定とKarhunen-Loffe8sに基づくノイズ低減を用いて、波面平坦度が1ナノメートル未塔に達する。この手法により、DM用の正確なコマンド行列が得られ、ALPAO DM97ではMagAO-Xの遮光器の開口部で1.7nm RMSの平坦度を達成し、BMC Kilo-DMではビームのフットプリント領域で3.5nm RMSを達成した。

ABSTRACT

The MagAO-X instrument is an upgrade of the Magellan AO system that will introduce extreme adaptive optics capabilities for high-contrast imaging at visible and near-infrared wavelengths. A central component of this system is a 2040-actuator microelectromechanical (MEMS) deformable mirror (DM) from Boston Micromachines Corp. (BMC) that will operate at 3.63 kHz for high-order wavefront control. Two additional DMs from ALPAO will perform low-order and non-common-path science-arm wavefront correction. The accuracy of the wavefront correction is limited by our ability to command these DMs to a desired shape, which requires a careful characterization of each DM surface. We have developed a characterization pipeline that uses a Zygo Verifire Interferometer to measure the surface response and a Karhunen-Loève transform to remove noise from our measurements. We present our progress in the characterization process and the results of our pipeline applied to an ALPAO DM97 and a BMC Kilo-DM, demonstrating the ability to drive the DMs to a flat of $\lesssim$ 2nm and $\lesssim$ 4nm RMS in our beam footprint on the University of Arizona Wavefront Control (UAWFC) testbed.

研究の動機と目的

• 高精度な波面制御を可能にするために、MagAO-X極限自己適応光学システムにおける可変ミラーの正確な特徴付けを実現すること。
• 堅牢な信号処理パイプラインを用いて、DM表面特徴付けにおける測定ノイズと環境的揺らぎを克服すること。
• MagAO-X機器で使用されるMEMSおよび電磁的DMの両方に対し、繰り返し可能で自動化された特徴付けワークフローを構築すること。
• MagAO-Xのビームフットプリントおよび遮光器開口部において、1ナノメートル未塔の波面平坦度を達成し、最適な星光抑制を実現すること。
• 2040アクチュエータを備えたBMC DMと二重のALPAO DM97の統合を予定し、検証済みの性能指標を提供すること。

提案手法

• 各DMアクチュエータの表面変形を個別に測定するため、Zygo Verifire Fizeau干渉計を用いる。これにより、影響関数（IF）を取得する。
• リラックスされたDM表面測定のライブラリを用いて、カルフンエン・ローフェ8s（KL）基底分解を適用し、測定されたIFからノイズと環境的ドリフトを差し引く。
• クリーニングされたIFからコマンド行列を構築し、アクチュエータ応答の線形重ね合わせにより正確な波面整形を可能にする。
• サーバー間で同期されたPythonベースの自動化パイプラインを用い、DMの制御と干渉計測定データの取得をコマンド-測定ループで実行する。
• 低遅延DM制御のためCACAOパッケージを用い、ZygoのPython APIを統合して干渉計測定データの取得と処理を実行する。
• 望ましい表面形状（s）のためのアクチュエータコマンド（a）を計算するために、影響行列（F）の擬似逆行列（F†）を適用する。式は以下の通り：a = F†s。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定ノイズと環境的ドリフトを効果的に可変ミラーの影響関数測定から除去することで、波面制御精度を向上させることは可能か？
• RQ2 カルフンエン・ローフェ8sに基づくノイズ低減技術が、DM表面特徴付けの忠実度をどの程度向上させられるか？
• RQ3 開発された特徴付けパイプラインを用いて、MagAO-Xのビームフットプリントおよび遮光器開口部でどの程度の波面平坦度が達成できるか？
• RQ4 非線形なアクチュエータ応答とアクチュエータ間のカップリングが波面制御性能に与える影響は何か？また、それらを予測補正のためのモデル化は可能か？
• RQ5 この特徴けパイプラインは、MEMS（BMC Kilo-DM）および電磁的（ALPAO DM97）可変ミラーの両方に対して、一貫した結果を得るために信頼性を持って適用可能か？

主な発見

• 特徴けパイプラインは、カルフンエン・ローフェ8s分解を用いて影響関数測定のノイズを効果的に低減し、高精度な表面再構成を可能にした。
• ALPAO DM97は、MagAO-Xの遮光器開口部で1.7nm RMSの波面平坦度を達成した。全13.5mm開口部では2.2nm RMSであった。
• BMC Kilo-DM（32x32）は、UA波面制御テストベッドのビームフットプリント領域で3.5nm RMSの平坦度を達成し、同パイプラインの同様のDMへの有効性を示した。
• BMC 2K DM（50x50、2040アクチュエータ）は、欠陥マスク処理後に遮光器開口部で11.3nm RMSの平坦度を達成した。全19.6mm開口部では16.7nm RMSであった。
• パイプラインにより、波面制御のための正確なコマンド行列が得られ、測定された性能はDM表面精度の理論的限界に近づいた。
• 高反射率のZygoリファレンスフラットの使用により、ペリクル由来の誤差が解消され、今後の特徴け実行でさらなる測定精度向上が期待される。