Control of segmented deformable mirrors for future large telescopes

Both space and ground-based modern telescopes need active control to achieve better image quality. It takes two different forms: active optics deals with the correction of the aberrations related to the shape and position of the mirrors; the goal of adaptive optics is to compensate the aberrations of the light beam due to atmospheric turbulence. Deformable mirrors are a widespread technology for active control in optics: their shape can be modified thanks to a network of suitable actuators, to compensate for aberrations by reflection. The deformable mirrors considered in this text for applications for future telescopes need many degrees of freedom and high resonance frequencies, as well as reliability, low cost, high optical quality, . . .To comply with all these requirements together, the concept of segmentation is used: instead of building a large, unique mirror, a set of co-phased smaller mirrors (segments) is preferred. In this thesis, we first describe the prototype of an hexagonal segmented deformable mirror developed at Active Structure Laboratory of ULB and its numerical model. Then, the principles of control are presented: morphing, that is the local deformation of segments to compensate for the aberrations, and co-phasing of the segments, to achieve the continuity of the surface formed by the segments. These concepts are applied to two different approaches of control that are studied and compared numerically to understand the influence on the results of the actuator network and of the sensing method. Finally, a parametric study is conducted to compare the performances and advantages of different configurations of deformable mirrors, starting from a single mirror and gradually increasing the degree of segmentation. This parametric study shows that the concept of segmented deformable mirror is an interesting alternative to the common architecture based either on a single deformable mirror or on a segmented mirror with only rigid-body actuation.

Al giorno d’oggi nei telescopi spaziali e terrestri il controllo attivo è fondamentale per ottenere alta qualità delle immagini. Si può suddividere in due casi: l’ottica attiva si occupa di correggere le aberrazioni legate a forma e posizione degli specchi; l’obiettivo dell’ottica adattiva è compensare le aberrazioni del fascio di luce dovute alla turbolenza atmosferica. Gli specchi deformabili sono una tecnologia diffusa per il controllo attivo in ottica: la loro forma può essere modificata grazie ad una appropriata configurazione di attuatori, in modo da compensare le aberrazioni tramite la riflessione. Gli specchi deformabili qui studiati, per applicazioni in telescopi di nuova generazione, necessitano di un alto numero di gradi di libertà ed alte frequenze di risonanza, ma allo stesso tempo di affidabilità, basso costo, alta qualità ottica, . . .Per soddisfare tutte queste richieste, si utilizza il concetto di segmentazione: invece di costruire un grande ed unico specchio, si preferisce un insieme di specchi più piccoli (segmenti), coordinati tra loro. In questa tesi, si descrive innanzitutto il prototipo di un specchio esagonale segmentato sviluppato presso il Laboratorio di Strutture Attive dell’ULB, e il suo modello numerico. Si presentano quindi i principi del controllo: controllo di forma, ovvero la deformazione locale dei segmenti per compensare le aberrazioni, e messa in fase dei segmenti, in modo che i segmenti formino una superficie continua. Questi concetti sono applicati a due differenti approcci al controllo, che sono studiati e analizzati numericamente per comprendere in che modo i risultati sono influenzati della rete di attuatori e del metodo di misura. Infine viene condotto uno studio parametrico per mettere a confronto prestazioni e vantaggi di differenti configurazioni di specchi deformabili, partendo da un singolo specchio e alzando gradualmente il livello di segmentazione. Questo studio parametrico mostra che il concetto di specchio deformabile segmentato è una interessante alternativa alla comune architettura basata o su un singolo specchio deformabile o su uno specchio segmentato con con attuazione a soli moti rigidi.