Systemanalyse und Methoden zum Reglerentwurf für verformbare Sekundärspiegel in der Adaptiven Optik

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Osten; Professor Dr.-Ing. Oliver Sawodny
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 137998148

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen der beiden Projektphasen konnte eine Vielzahl wichtiger Forschungsergebnisse gewonnen werden. Es konnte gezeigt werden, dass mittels holografischer Sensorik bei monochromatischen Anwendungen (z.B. Laserkommunikation, Mikroskopie, Retinadiagnostik) mit konventioneller Rechentechnik sehr hohe Adaptionsgeschwindigkeiten realisiert werden können. Es zeigte sich weiterhin, dass insbesondere die Kombination von modaler Wellenfrontsensorik mit Shack-Hartmann basierter Wellenfrontsensorik Vorteile (vor allem bei starken Wellenfrontdeformationen) bringt. Die Realisierung kann durch ein einzelnes Multiplex-Hologramm (und entsprechende Photodioden) erfolgen. Hierdurch kann einer der Hauptnachteile der modalen Wellenfrontsensorik, nämlich der vergleichsweise geringe Dynamikbereich, umgangen werden. Eine Kombination von modaler Wellenfrontsensorik mit krümmungsbasierter Sensorik ergibt nur geringe Vorteile, führt aber zu einem stark erhöhten Rechenaufwand und kann daher nicht empfohlen werden. Der holografische Einsatz ist prinzipbedingt auf monochromatische Anwendungen mit ausreichend Licht eingeschränkt. Der Einsatz von Eigenmoden des Wellenfrontkorrektors kann nutzbringend zur Vereinfachung der Regelung eingesetzt werden. Insbesondere kann im nächsten Schritt bei Anwendungen mit quasistationärer Korrektur auf spiegelinterne Sensoren verzichtet werden, da die modalen Sensorsignale auch analog und damit in Echtzeit ohne zusätzlichen Rechenaufwand verfügbar sind. Parallel dazu konnte gezeigt werden, dass die unterlagerte Regelung von verformbaren Spiegeln auch mit vergleichsweise wenigen Sensoren sehr gut möglich ist, insbesondere in Kombination mit einer modellbasierten Vorsteuerung. Entscheidend dafür ist jedoch eine sehr gute Beschreibung des dynamischen Verhaltens der Spiegelmembran. Um dieses zu verbessern konnte das Membranmodell des verformbaren Spiegels dank der zeitlich hochaufgelösten Vibrometermessungen um eine Druckdynamik erweitert werden. Optimierungsbasierte Ansätze zeigten, dass einzelne Aktoren zugunsten einiger weniger Sensoren entfallen können und über beobachterbasierte Ansätze leistungsfähige Regelungen auch bei bauraumbeschränkten Spiegeln realisiert werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Modellbasierter Reglerentwurf für verformbare Membranspiegel in der adaptiven Optik, Dissertation Universität Stuttgart, Band 13, Berichte aus dem Institut für Systemdynamik, Shaker Verlag
  Th. Ruppel
  
• "Global feedforward and glocal feedback control of large deformable mirrors," Second International Conference on Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes (2011)
  T. Ruppel, O. Sawodny
  
• "Model-Based Feedforward Control of Large Deformable Mirrors," European Journal of Control, 17(3):261-272, (2011)
  T. Ruppel, W. Osten, O. Sawodny
  
• "Response analysis and experimental results of holography-based modal Zernike wavefront sensor," Proceedings of the SPIE 8165(1):816506 (2011)
  S. Dong, T. Haist, W. Osten, T. Ruppel, O. Sawodny
  
• "Vibration control of ELTs," Conference on AO4ELT 2 (2011)
  J. Pott, M. Kürster, M. Böhm, T. Ruppel, S. Engelke, J. Trowitzsch, J. Borelli, W. Gässler, T. Herbst
  
• "Holographic combination of lowresolution Shack-Hartmann sensor and holography-based modal Zernike wavefront sensor," Proc. SPIE 8447, 84473Y, 1-12 (2012)
  S. Dong, T. Haist, W. Osten, T. Ruppel, O. Sawodny
  
• "Hybrid wavefront sensor for the fast detection of wavefront disturbances," Appl. Opt. 51, 6268-6274 (2012)
  S. Dong, T. Haist, W. Osten
  
• "Feedforward Control of Deformable Membrane Mirrors for Adaptive Optics," IEEE Transactions on Control Systems Technology 21(3), 579-589 (2013)
  T. Ruppel, S. Dong, F. Rooms, W. Osten, O. Sawodny
  
• “Hybrid curvature and modal wavefront sensor," Proc. SPIE 9227, 922702, 1-13 (2014)
  S. Dong, T. Haist, T. Dietrich, W. Osten
  
• „Optimal sensor placement for modal based estimation of deformable mirror shape“, IEEE conference on Control Applications (CCA), 418-423 (2015)
  M. Böhm, O. Sawodny
  
• „Control of deformable mirrors including a nonlinear modal model for air gap damping“, Proc. SPIE 9953, 995303 (2016)
  M. Böhm, O. Sawodny