Miroir Tip Tilt

Prototype encore en travaux mai ça commence a ressembler à quelque chose.....

Nous avons vu, dans le cadre de l'analyse de la turbulence, que l'une des composantes principale de cette dernière était la composante du tip tilt, provoquant un décalage local, rapide, de l'image le long de l'axe X ou de l'axe Y.

Une manière de détecter le tip tilt est présentée ici. Mais corriger ce Tip Tilt consiste en premier lieu à réorienter l'axe optique dans une direction compensant le déplacement en XY due au Tip/Tilt.

Pour ce faire, un miroir orientable est nécessaire quelque par dans le trajet optique. Cette page présente un premier prototype de miroir orientable et son électronique de correction d'angle.

Tous les modèles 3D présentés dans cette page ont été réalisés avec Google Sketchup.

En faisant le constat que les buzzers piezzo à membrane sont couramment utilisés dans des applications de stabilisation (dans des gammes de fréquences allant du DC à quelqus kHz) de longueur d'onde de lasers sur certaines manips de physique de mon nouveau (et aussi de mon ancien laboratoire), je me suis imaginé tenter l'expérience de la fabrication d'un miroir basculant rapide sur la base d'un système à 3 degrés de liberté (3DOF) permettant la compensation du Tip, du Tilt, mais aussi du piston. Pour ce faire, j'ai profité de l'expérience acquise dans la réalisation de pièces à l'imprimante 3D tel l'exemple suivant :

Ce projet consistait à obtenir simultanément 2 voies de sorties optiques sur un seul et même faisceau d'entrée. Au prix d'une perte de flux de 50% au passage de chaque séparatrice de faisceau, le challenge était dans la conception et la réalisation de la pièce mécanique supportant les cubes séparateurs, ainsi que el prisme de sortie finale. Sans s'appesantir sur cet élément, j'ai donc commencé la réalisation d'une pièce consistant en un cube séparateur 50/50, acheté chez Surplushed pour quelques dollars, suivi d'un prisme de renvoi à 45°, récupéré dans une paire de jumelle achetée chez Lidl....

Le Flip mirror que j'avais fabriqué il y a quelques années, et dont j'avais remplacé le miroir par ce cube séparateur, se simplifie dorénavant de la manière suivante :

Le modèle 3D de l'image de gauche nous montre, les 2 pièces optiques inclues dans le renvoi double. Le télescope est situé à droite, et les rayons se propagent de la droite vers la gauche. Le cube séparateur renvoi 50% du flux incident vers le premier tube vertical. Le faisceau traversant le cube séparateur à l'horizontale est renvoyé à 90° comme avec un renvoi classique. La mise au point se fait sur cette sortie avec le télescope. Le tube vertical dispose d'un ajustement de la mise au point afin de positionner le plan optique d'un oculaire  sur la première sortie. On peu ainsi avoir une image nette sur l'un ou l'autre des deux sorties.

Ce système devrait permettre de faire une étude approfondie du senseur de Tip Tilt, en corrélant le signal du senseur de tip/tilt,  avec les décalages mesurés via une caméra d'acquisition rapide. A noter d'ailleurs que les modèles Sketchup peuvent être directement importés dans le logiciel de génération des couches de l'imprimante 3D, d'où son utilisation...

Mais le coeur du système consiste en la réalisation et l'adaptation du miroir à buzzer piezo en remplacement du prisme de jumelle. Le buzzers piezo utilisés sont des KPSG100 de chez Kingstate, et coûtent 3.55euros HT pièce. L'avantage de ces buzzers, en comparaison des "stack piezo" classiques utilisés dans la première qualification du senseur de tip/tilt (voir page dédiée) est leur amplitude de déplacement.

Ces buzzers font 50mm de diamètre et disposent d'un pastille centrale de céramique piezo d'environ 25mm. Afin d'assurer le positionnement à 3 degrès de liberté, j'ai choisi de placer ces 3 haut parleurs à 120° comme le montre le montage préliminaire suivant :

 

La petite lame de verre posée sur le haut parleur a permis, par réflexion d'un laser sur la face supérieure, de voir quelle était l'amplitude de déplacement vertical fonction de la tension. La mesure faite montre que ces haut parleurs permettent une variation de hauteur de 2mm pour une tension d'excitation de 20V. L'image de droite nous montre aussi le support de miroir dont le modèle sketchup est vu en suivant. Le miroir choisi est un miroir plan de 19mm de diamètre, précision Lambda/10 avec aluminure protégée et disponible chez Thorlabs pour moins de 40 euros.  Des essais ont tout de même pût être menés pour vérifier les fréquences de réponse.  La dimension du miroir est adapté à un faisceau incident ayant une ouverture de l'ordre de F10 ou au dessus. En deçà, il y a un risque de vignetage. Sur la vidéo de droite, on voit le miroir basculer autour d'une position centrale, avec au début une fréquence de 5Hz, puis abaissé à 0.5Hz. Les réglages fins se feront ensuite au niveau de l'électronique.

La pièce de liaison supérieure est conçue de manière à remplacer l'actuel capot de maintien du prisme de renvoi.

Les résultats sur les 3 degrès de libertés sont montrés en suivant :

 

 

 

 

 

 

Piston Tip Tilt

Reste donc à adapter une électronique de contrôle à l'asservissement de position en X, Y et peut être Z. La matrice de conversion en direction des 3 haut parleurs n'est pas très compliquée, et l'électronique d'entrée du miroir basculant permettra de faire directement la conversion.

Le miroir est arrivé, après installation et mise en place sur le banc de mesure improvisé pour l'occasion, cela donne ceci : 

Avant d'établir la caractérisation temporelle de la réponse du miroir Tip/Tilt, j'ai essayé de voir comment se comporte ce renvoi coudé à double sortie, avec son nouveau miroir.

- Oculaire de la séparatrice : 15mm

- Oculaire du miroir mobile : 30mm

Image oculaire de 15mm Image oculaire de 30mm

Le centrage est quasi parfait (il peut se compenser sur le miroir mobile en ajoutant une tension d'offset). La mise au point est viable avec cette combinaison, même si le tube de la séparatrice est très dévissé.

La qualité des images lunaire est relative, car prise avec un téléphone portable derrière l'oculaire et encore pendant la pénombre crépusculaire.

En inversant les oculaires, on obtiens le résultats suivants :

- Oculaire de la séparatrice : 30mm

- Oculaire du miroir mobile : 15mm

Image oculaire de 15mm Image oculaire de 30mm

Donc ça fonctionne. On peut imaginer d'ailleurs utiliser ce double renvoi pour faire des prises planétaires simultanées ou (mais cela reste à étudier en profondeur), l'imagerie simultanée de la perturbation du front d'onde et de l'objets imagé.

Donc histoire de qualifier la bande passante de déplacement sur les deux axes, j'ai monté un banc de test comportant un laser, et un détecteur de position PSD déjà utilisé dans une étude de miroir à cales piézo.

Le miroir mobile est alimenté par un générateur de signal. L'excitation sur les buzzers piezo est une sinusoïde (dont on a fait varier l'amplitude). Le laser placé à 1155mm (mesure faite avec un distomètre Leica), se reflète sur le miroir mobile en vibration. Après réflexion, le faisceau est récupéré sur le PSD afin de récupérer la variation de position via un oscilloscope.

Analyse en X (X en orange, Y en rose, Excitation en Bleu) X (excitation à 2.96 en bleu, 0.93 en orange) Y

En fonction du niveau d'excitation, on arrive à un niveau de saturation à 0.4°, pour une tension d'entrée de 2.96V). On constate que la bande est quasi continue jusqu'a 100Hz voir un peu plus, et ce sur les deux axes.

Cette réponse en boucle ouverte est donc à remettre en perspective avec ce que l'on souhaite comme bande théorique qui recevra la consigne de PID.  En X comme en Y, si l'on corrige la bande (et plus particulièrement la résonance autour de 150Hz), on peut espérer atteindre une bande passante de 200Hz.

En tout état de cause, le contrôle en boucle ouverte nécessite une conversion rapide des tensions à appliquer sur les buzzers. 

Le calcul des tensions des buzzers 1, 2 et 3 sont décrites dans le document suivant. On pourra y trouver, en plus des relations de conversion des tensions X,Y,Z vers les tensions V1, V2, V3, le circuit électronique permettant de faire la conversion.

Le circuit une fois réalisé et monté dans un boîtiers encore une fois réalisé à l'imprimante 3D ressemble a ceci :

Tant qu'a tenter de faire une AO sur le premier ordre des polynomes de Zernikes, , pourquoi pas essayer de faire une électronique un peu évoluée, incluant un asservissment PID (ou PI) locké en analogique sur la consigne issue du détecteur de Tip Tilt 

que j'ai en chantiers depuis des lustres, et basé sur la technologie du détecteur utilisé pour caractériser la fonction de réponse en fréquence de ce miroir (voir un peu plus haut dans cette page). 

Aussitôt dit, aussitôt mis en chantier....

La caméra d'imagerie (ici une ASI224) est là pour illustrer dans l'idéal ou devrait se situer l'imageur, laissant la première voie libre pour l'analyse du Tip/Tilt. En fait, l'utilisation de ce système peut se faire aussi, sauf preuve du contraire, mais il va falloir attendre (les tests sur le ciel), en utilisant une seconde caméra identique à la première (ou un CMOS rapide type Basler). Le système se transforme en compensateur d'erreur périodique de "tueur". 

 

Le PID achevé (en l'occurrence il s'agit principalement d'un régulateur PI (proportionnel, intégral)), auquel j'ai adjoint des boutons de consigne et l'entrée du PSD, se présente sous la forme suivante : 

Ça commence a ressembler à un produit fini. Une présentation s'impose : 

On reconnais le miroir mobile monté sur la voie optique de sortie (coté ASI224) et qui reçoit par le câble nappe (les possesseurs de caméra Audine rigoleront) les alimentations, les consignes de positions et de régulation du boîtier d'asservissement.

La voie amont est doté du PSD qui reçoit l'image directe venant du télescope. Un déplacement de cette image se traduit par une tension en X et en Y (consigne PSD) transmise au boîtiers régulateur par 2 câbles coaxiaux.

Le boîtier régulateur est doté de trois potentiomètres de réglage de position, et de trois interrupteurs de fermeture de l'asservissement de position. Si les interrupteurs sont ouvert, seule la consigne de position est envoyée au miroir.

Une fois fermés, la boucle d'asservissement est fermée et en théorie, l'image de sortie est stabilisée. Pour se faire, le circuit d'asservissement se doit d'être réglé de façon à compenser les mouvement détectés par le PSD. 

Toute la subtilité réside donc dans le réglage des coefficients de corrections de l'erreur à renvoyer vers le miroir de sortie. En première approximation, l'erreur mesurée sera dépendante de la focale de l'objectif de collecte.

Donc pour coller au mieux à la réalité, j'ai monté un setup de test et réglage des cœfficient du PI se basant sur l'instrument qui servira à faire le test final  sur le ciel : 

Le dispositif est mis à plat sur mon bureau de façon à mettre les faisceaux de sortie à l'horizontale. sur l'image de gauche, on voit à l'entrée du dispositif un petit module laser rouge de 1mW environ, qui passe par la séparatrice d'entrée et sort en direction du PSD. Le PSD est positionné à 2005mm du miroir. Le second faisceau (que l'on cherche a stabiliser) est projeté sur un écran à coté du PSD. Le boîtier régulateur dispose de trois gros boutons pour "locker" l'asservissement en X, Y et Z.

Le premier test présenté se fera sur l'axe X.

L'excitation se fait dans un premier temps (il faudra faire plus fin pour déterminer la bande passante réelle d'asservissement) en tapotant sur le renvoi coudé. Le réglage de l'axe X (film de gauche ci dessous) apparaît faisable lorsque une sur correction entraîne un déplacement du faisceau a stabiliser en sens inverse  du déplacement su faisceau PSD (faisceau témoin). Bref en ajustant les coefficients correctement, on obtiens ceci : 

 

 

 

 

 

 

 

 

Axe X réglé Axe Y sous Compensé Axe Y sur compensé Axe Y réglé

Le Lock est enclenché vers 13 secondes sur l'axe X. Le résultat parle de lui même..... Les trois vidéos de droite montre les step de réglage (sur ou sous compensé).

En suivant, test sur le ciel avec une mesure de l'amplitude de correction envisageable au foyer d'un C8 (F/D=10 approximativement 2000mm de focale). Donc pour voir, sans avoir encore fait le calcul des bras de levier envisageables pour la correction, le système est monté sur le C8 et on teste avec les potar de consigne en boucle ouverte, l'amplitude de mouvement sur le télescope :

Une vue sur le montage montre le système complet. Dans le test suivant, le détecteur de position servant de consigne pour l'asservissement n'est pas dans sa version définitive (voir plus loin). Je ne l'ai donc pas utilisé ici, je cherchais juste a obtenir l'amplitude de correction maximal que l'on peut avoir sur les deux axes.

 

 

 

 

 

 

 

 

Les films montrent sur chacun des deux axes, l'amplitude de déplacement du miroir basculant, avec comme cible l'étoile Sirius. Pour procéder à l'analyse des décalages j'ai relevé les positions suite à une registration sous Iris. Après redressement des trajectoires par rotation (pour obtenir les déplacements en X et Y) j'ai mesuré les extréma pour chaque cycles de déplacement. C'est le nombre de pixels annoncés sur chaque courbes. On peut noter, que dans la mesure ou une faible dérive interviens sur chaque axes, les amplitudes sont sous évaluées au regard des échelles en abscisse et en ordonnées.

Il n'en est rien, les max et min de déplacement sont notés pour un seul cycle d'aller/retour. On est donc pour l'axe des X aux environ de 76 pixels, et 64 pour l'axe des Y. Or si l'on calcule par la célèbre formule de Thierry Legault, l'échantillonnage de l'ASI224 pour une focale de 2000mm, on obtiens 0.386" par pixels, soit une correction possible de 29.35" sur l'axe des X et 24.72" sur l'axe des Y. Donc on doit pouvoir compenser correctement une grosse partie des défauts de suivi, ainsi que la turbulence atmosphérique dans la bande de fréquence de l'asservissement final et qui reste à mesurer précisément.

Autre step important, le gain d'asservissement dépend de la focale. Il faut donc trouver un montage judicieux pour modifier ce gain sans être obligé de sortir le tournevis et régler les potars dans la boîte PID.

En tout état de cause, l'effort doit porter maintenant sur le soin a apporter au senseur de position. De sa sensibilité et de sa précision dépendront la compensation correcte (ou pas) de la turbulence atmosphérique. 

 

 

 

 

 

To be continued.....