Micro deformable mirrors for next generation Adaptive Optics : Characterization and Simulation
Micro-miroirs déformables pour l'optique adaptative de prochaine génération : Caractérisation et Simulation
Résumé
Next generation Adaptive Optics systems will require deformable mirrors with a high number of actuators combined with a reduced inter-actuator spacing. Current technologies have shown their limitation and a new kind of components is requested. We are designing, modeling, realizing and characterizing micro-deformable mirrors based on Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems (MOEMS) technology. The originality of our approach lies in the elaboration of a sacrificial layer and of a structural layer made of polymer materials in collaboration with LAAS. A dedicated characterization bench has been developed for the complete analysis. This Twyman-Green interferometer allows high in-plane resolution (3µm) or large field of view (20mm). Out-of-plane measurements are performed with phase-shifting interferometry showing a high resolution (standard deviation<1nm). Features such as optical quality or electro-mechanical behavior are extracted from these high precision three-dimensional component maps and finite-element models can be fitted. Dynamic analysis like vibration mode and cut-off frequency is realized with time-averaged interferometry. The first polymer piston-motion actuators have been processed in order to reach high strokes for low driving voltages: a 10µm thick mobile plate with four springs attached to the substrate, and with an air gap of 10µm exhibits a piston motion of 2µm for 30V. Actuators and a continuous-membrane micro deformable mirror (3*3 actuators, 600*600 µm2) have been designed in-house and processed in the Memscap foundry. The deformable mirror exhibits a 350nm stroke for 35 volts on the central actuator. A linearization of the electrostatic response is done electronically in order to fulfil the Adaptive Optics requirements. The limited stroke should be overcome by changing the components material. Preliminary comparisons with FEM models show good agreement and design of complete polymer-based micro-deformable mirrors looks possible.
Cette thèse est consacrée à l'étude des micro-miroirs déformables pour l'optique adaptative. Les miroirs déformables actuels montrant aujourd'hui leurs limites en terme de nombre d'actionneurs et d'espace inter-actionneurs, une nouvelle classe de miroir doit être développée. En plus de satisfaire des spécifications actuelles requerrant entre autres une course de dix microns, une réponse linéaire et une bande passante supérieure au kilohertz, ces miroirs déformables devront aussi être compacts et comporter plusieurs milliers d'actionneurs. L'originalité de notre approche tient en la réalisation, en collaboration avec le Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes, de micro-miroirs déformables basés sur la technologie des MOEMS et en l'élaboration de couches sacrificielles et structurales en matériau Polymère.
Des moyens de modélisation et de caractérisation sont mis en œuvre pour comprendre le comportement de tels composants. Un banc de caractérisation interférométrique est développé afin d'étudier des composants dont les dimensions varient de la dizaine de microns à vingt millimètres. Les mesures de la qualité optique et du comportement électro-mécanique sont menées à bien en travaillant avec l'interférométrie à décalage de phase dont la résolution est inférieure au nanomètre. L'analyse dynamique incluant les modes de vibration et les fréquences de coupure, est effectuée avec l'interférométrie moyennée dans le temps.
Un prototype de micro-miroir déformable a été fabriqué dans une fonderie externe. Celui-ci comporte 9 actionneurs dont la course mesurée est de 350 nm. Cette valeur est trop faible pour générer les déformations dont nous avons besoin. En revanche, l'utilisation pour la première fois du procédé polymère a permis d'élaborer un actionneur permettant une course de 2 microns pour 30 V, confirmant les choix effectués jusqu'ici. Une électronique a été conçue et réalisée afin de rendre linéaire la réponse électrostatique de ces composants. Des simulations préliminaires montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. La conception de micro-miroirs déformables en polymère apparaît donc comme une voie prometteuse.
Des moyens de modélisation et de caractérisation sont mis en œuvre pour comprendre le comportement de tels composants. Un banc de caractérisation interférométrique est développé afin d'étudier des composants dont les dimensions varient de la dizaine de microns à vingt millimètres. Les mesures de la qualité optique et du comportement électro-mécanique sont menées à bien en travaillant avec l'interférométrie à décalage de phase dont la résolution est inférieure au nanomètre. L'analyse dynamique incluant les modes de vibration et les fréquences de coupure, est effectuée avec l'interférométrie moyennée dans le temps.
Un prototype de micro-miroir déformable a été fabriqué dans une fonderie externe. Celui-ci comporte 9 actionneurs dont la course mesurée est de 350 nm. Cette valeur est trop faible pour générer les déformations dont nous avons besoin. En revanche, l'utilisation pour la première fois du procédé polymère a permis d'élaborer un actionneur permettant une course de 2 microns pour 30 V, confirmant les choix effectués jusqu'ici. Une électronique a été conçue et réalisée afin de rendre linéaire la réponse électrostatique de ces composants. Des simulations préliminaires montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. La conception de micro-miroirs déformables en polymère apparaît donc comme une voie prometteuse.
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