天文学用天文学用 MEMSMEMS 可変形鏡の開発可変形鏡の開発天文学用天文学用 MEMSMEMS 可変形鏡の開発可変形鏡の開発

大屋　真 ( 国立天文台ハワイ観測所 )

アウトラインアウトラインアウトラインアウトライン

• 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形状可変形鏡補償光学装置と形状可変形鏡補償光学装置と形状可変形鏡

補償光学装置とは補償光学装置とは補償光学装置とは補償光学装置とは• 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

•天文学と眼科医療で応用が盛ん

w/o AO w/ AO

網膜海王星

w/ AO

w/o AO

w/ AOw/o AO

形状可変鏡 形状可変鏡 (Deformable Mirror; (Deformable Mirror; DM)DM)

形状可変鏡 形状可変鏡 (Deformable Mirror; (Deformable Mirror; DM)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 ?

ピエゾピエゾ DMDM の代表例の代表例ピエゾピエゾ DMDM の代表例の代表例積層アクチュエータ バイモルフ

AOAO 用用 MEMS-DMMEMS-DMAOAO 用用 MEMS-DMMEMS-DM

なぜなぜ MEMS-DM?MEMS-DM?なぜなぜ MEMS-DM?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 m

小さい< 10 m

緑色： MEMS-DM に期待される項目赤色： MEMS-DM に対する課題

既存の既存の MEMS-DMMEMS-DM既存の既存の MEMS-DMMEMS-DM

単一メンブレン式 二段メンブレン式 分割三脚式OKO Boston Micromachines Iris AO

基本原理は、静電力で「引き」、機械的バネ ( 張力 ) で「戻り」

各方式の比較各方式の比較各方式の比較各方式の比較

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

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>10mmエッジでは小さい。

ストローク不十分( 多分 10mm は行かない )

ストロークが大きい( 既に 10mm に到達 )

面が不安定。多素子には不向き ?

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 ?

次世代次世代 MEMS-DMMEMS-DM の開発に向けの開発に向けてて

次世代次世代 MEMS-DMMEMS-DM の開発に向けの開発に向けてて

背景背景背景背景• 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]

AO 方式の多様化AO 方式の多様化レンズ (従来型 AO)

顕微鏡 広視野カメラ

ExAO (Extreme AO) MOAO (Multi-Object AO)

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。

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

明るい星近傍の惑星 暗い遠方銀河を複数同時

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

……

MEMS-DMMEMS-DM の仕様の仕様 ((案案 ))MEMS-DMMEMS-DM の仕様の仕様 ((案案 ))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 m

Aperture size 10～ 30mm (goal: 20～ 60mm)

Fill factor 98%

Actuator yield > 99%

Stroke (overall) 20 m

Stroke (at highest spatial freq.) 4 m

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

開発の着眼点開発の着眼点開発の着眼点開発の着眼点

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大気ゆらぎの空間周波数ごとの強度度

大気ゆらぎの空間周波数ごとの強大気ゆらぎの空間周波数ごとの強度度

各動径次数の各形状の 波面誤差 (RMS) の比

大きな波面誤差を持っているのは低空間周波数成分

干渉計でなければ補正しない。

4.4 (別途補正 )

この先はなかなか減らない…N^-0.43 (R^-0.87)

1

0.51

0.33

0.23

Zernike polynomials

Woofer-tweeterWoofer-tweeterWoofer-tweeterWoofer-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

OAE 1

Woofer DM

OAE 2

Tweeter DM

2700

300

f/35 output

f/15 input

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。

ストロークストロークストロークストローク•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。

金メダル 20 m世界初 ( 単一面式以外では )Woofer を無くせる。

銀メダル 10 m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。

銅メダル 5 mBMC の MEMS-DM と同じ。他の点を改良できれば十分意味あり。

耐久性耐久性耐久性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。

制御回路制御回路制御回路制御回路•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…。

３ U

価格価格価格価格

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 )

鏡であることによる注意点鏡であることによる注意点鏡であることによる注意点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 ?

まとめまとめまとめまとめ• 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 ?