Optique adaptative amateur : un correcteur de tip tilt en impression 3D

[brizhell 2 626]

Bonjour à tous,

 

Le travail que je présente ici est issu à la base d'un besoin instrumental que j'ai dans le cadre de mes manips d'interférométrie stellaire amateur. L'idée de départ est d'avoir un stabilisateur d'image permettant de faire de l'injection en fibre optique, mais le champs d'application complet en astro amateur est peut être plus étendu que je ne le pressent. Sur ce point, vos suggestions et commentaires sont les bienvenus. Les softs de registration planétaires font aussi cela très bien, mais quand l'impératif est de récupérer les photons avant leurs conversions, à un endroit bien précis...
Ce type de design est par contre réservé à de F/D supérieurs à 10 (si on veut être optiquement honnête au regard de la physique de la turbulence)....
En quelques phrases, il s'agit d'un correcteur de tip tilt permettant de stabiliser une image à une cadence de l'ordre de 160 actuations secondes sur des durées de quelques minutes. Le montage lors du premier test sur le ciel (ça date de quelques jours) est visible sur les clichés suivants :

 

 

Le micro calculateur est un Odroïd XU4 (8 coeurs, sous linux Debian), à peu près 2 fois plus cher (70$) qu'un Raspberry Pi mais 2 fois plus puissant. Ce microPC pilote un miroir basculant reposant sur 3 actuateurs piezzo basse tensions, et permet de recentrer l'image avec une précision de l'ordre de 3 pixels (améliorable). L'ensemble mécanique est réalisé en impression 3D. L'une des deux caméras sert à mesurer la position du centroïde de l'image (ici c'est une Basler), et l'Odroïd calcule la tension de correction à renvoyer vers le miroir. La deuxième voie de sortie constitue la voie d'imagerie où pour l'occasion j'ai utilisé une ASI224.

Tout les détails du système et des vidéos de tests (sur table puis sur Jupiter, Saturne et Altair) sont disponibles ici :  

 

http://brizhell.org/correcteur_tip_tilt.htm

 

De base c'est pas complètement "user friendly", le code est brut et se lance en ligne. En plus comme je code avec les pieds, ce post est aussi un appel à toute bonnes volontés pour m'aider à coder proprement les améliorations à venir ;).
Ce truc reste un proto, il reste encore des améliorations à envisager, mais les résultats présentés sont plutôt très encourageants. Certains diront que j'ai réinventé la roue et qu'un célèbre fabricant de caméras outre atlantique va me tomber sur le poil. C'est possible, mais l'idée est d'avoir un système plus rapide que les perfs annoncées de ce produit, et surtout un design open source non figé par rapport au type de caméra utilisé.

Pour couper court à toute polémique potentielle concernant l'éventualité d'une publicité déguisée (Merci JPCazard de m'avoir donné son accord pour poster), le travail que je présente ici est de type open source et n'a aucune visée lucrative, à savoir que toute personne intéressée peut me contacter en privé pour avoir le détail du design et faire du DIY. Après, je ne serais jamais en mesure de faire personnellement de la production en série....

 

Bernard

[jp-brahic 4 077]

un grand bravo pour cette réalisation !!!    çà me laisse rêveur 

[ALAING 58 805]

Alors là Bernard, chapeau bas pour cette superbe réalisation

Je connais un dénommé ms que ça pourrait intéresser

Bonne journée,

AG

Modifié 10 août 2019 par ALAING

[Jijil 264]

Bravo bravo! et merci pour le partage!

[michelsonia08 203]

Magnifique !! Bravo !!

[serge vieillard 6 768]

Yooooooo !!!!

alors ça c’est de la très haute bricole ! stupéfiant d'élégance et d'efficacité, avec des concepts sacrément poussés et aboutis. On en viendrait presque à rêver d'une correction adaptative du front d'onde.....

Je l’interroge sur le support du miroir qui doit encaisser l'accélération due aux mouvements des piezo. Je pense que cette pièce se doit d'avoir une rigidité maximale, d'avoir le minimum de flexion, perturbant les mouvements par sa propre élasticité. En ce sens, pas sûr qu'un truc en imprimante 3 D soit opportun. Au regard de l'apparente simplicité de la pièce, j’utiliserais du carbone monolithique, ou si le poids et l'inertie du système doit être minimisé, du sandwich composite carbone/mousse, et peut être en revoyant la géométrie de cette pièce, non en forme d'étoile à 3  (frêles) branches mais de triangle, au besoin avec des nervures de renfort verticales pour obtenir une rigidité maximale. Et peut être envisager une fréquence plus élevée.

Mais peut être est-ce un faux problème.

[Sébastien Lebouc 1 191]

ça sera compatible avec EVA?

[Diabolo 274]

Séquence admiration !  Tu viens encore de réaliser un truc de ouf ! Bravo Bernard !

 

[Chris277 581]

Bernard! bravo, admiratif je suis!

[brizhell 2 626]

Merci bien à tous, après si il y a des gens qui ont envie de s'impliquer dans l'évolution du système, serez les bienvenus !

 

@ALAING, t'es taquin tout de même.... J'aimerai vraiment être aussi fort que lui quand je serais grand...

 

12 hours ago, serge vieillard said:

On en viendrait presque à rêver d'une correction adaptative du front d'onde.....

 

Merci de ton passage et de tes conseils Serge, j'en rêve aussi, mais ce qui est dissuasif c'est le prix des miroirs déformables.... Ça coûte un bras voire deux, et c'est pas facile à mettre en œuvre. Par contre quand tu voit certaines architectures optique adaptatives sur les télescopes pro, il commencent d'abord par stabiliser le tip tilt avant de corriger les autres ordres du front d'onde.

 

12 hours ago, serge vieillard said:

Au regard de l'apparente simplicité de la pièce, j’utiliserais du carbone monolithique, ou si le poids et l'inertie du système doit être minimisé, du sandwich composite carbone/mousse, et peut être en revoyant la géométrie de cette pièce, non en forme d'étoile à 3  (frêles) branches mais de triangle, au besoin avec des nervures de renfort verticales pour obtenir une rigidité maximale.

 

Ça semble une excellente, idée, à tester, mais je ne maîtrise pas les fabrications carbones. En tout cas, cela pourrait en effet expliquer le comportement chewing gum aux hautes vitesses de corrections dur miroir mobile, avec une réponse au second ordre et une résonance à 250Hz :

 

 

12 hours ago, serge vieillard said:

Et peut être envisager une fréquence plus élevée.

Mais peut être est-ce un faux problème.

 

En fait oui et non. La rigidification mécanique permettrait d'augmenter la fréquence de correction, mais le temps de pose du contrôleur de position devrait être plus court. Donc il y a un compromis en vitesse/sensibilité à trouver qui dépendra du diamètre du télescope utilisé. Mais ça reste à creuser.

 

 

Modifié 10 août 2019 par brizhell
Graphiques mal positionné dans le texte

[brizhell 2 626]

Au fait , @ALAING, j'ai cru comprendre que tu était basé du coté du sud ouest, as tu pour intention de te rendre aux RAAGSO en Gironde ?

J'ai l'intention d'y emmener mon proto au cas où....

[ALAING 58 805]

Ce serait effectivement très sympa de se rencontrer et de voir ton proto

C'est pas très loin de chez moi, mais je ne pourrais éventuellement passer qu'en coup de vent un après midi, ayant des obligations qui ne me permettent pas de quitter la maison trop longtemps.

Et j'ai vu qu'il fallait également adhérer à l'association pour s'y rendre.

J'aurais plaisir à voir l'évolution et le compte rendu des RAAGSO sur Astrosurf

Bonne soirée,

AG

[Cavadore 125]

Intéressant et bravo pour cette réalisation  ! As tu pu mesurer le temps qui sépare la prise d'image et l'application de la correction sur le miroir ? Tu parles de 160Hz, ca fait 6.25 ms

[brizhell 2 626]

Salut Cyril ! Merci de ton passage.

 

9 hours ago, Cavadore said:

As tu pu mesurer le temps qui sépare la prise d'image et l'application de la correction sur le miroir ?

 

Désolé pour les autres, mais on va rentrer dans la partie très technique...

Oui, j'ai fait des mesures en ce sens, à l'oscillo sur l'entrée de la carte de commande du miroir et sur les piezzo.

Elles sont citées sur cette page : http://brizhell.org/Mesure_Numerique_du_tip_tilt.htm

Le temps d'actualisation est limite par la vitesse de la liaison SPI entre l'odroïd et le convertisseurs de tension numérique/analogique. L'Odroîd (et c'est un problème connu apparemment sur cette  machine) est lent sur cette liaison (0.3ms).

Pour les essais sur le ciel, j'ai limité le débit camera de mesure de position à 300fps, mais le temps de réaction du miroir (PID compris) vu sa bande passante est vraisemblablement de l'ordre 3ms.

Si cela t'intéresse, j'ai fait des simulations Matlab (Gain et Phase) sur la vitesse de l'asservissement, et la marge de phase de l'asservissement est aux environs de 160Hz sur les simulations autant que sur le réglage du PID par la méthode de Ziegler Nichols (fréquence propre d'oscillation lors du réglage du coefficient proportionnel).

Le chiffre de 160 Hz est une estimation du taux de rafraîchissement pour une stabilisation à 2 pixels, il faut que je trouve une deuxième Basler pour synchroniser les prises de vues vidéos et timestamper les images acquises sur les deux caméras pour avoir la vraie valeur.

 

 

 

[Cavadore 125]

La Basler donne t elle un signal une fois l'image lue ? Tu as 3 ms entre le moment de l'acquisition et de la correction ? 
Quelle est la dynamique angulaire de ton système ?

[brizhell 2 626]

15 minutes ago, Cavadore said:

La Basler donne t elle un signal une fois l'image lue ?

 

Oui, la Basler dispose d'un signal de trig externe pour synchroniser une deuxième caméra en début ou fin de pose, mais l'ASI n'a pas d'entrée de synchro.

Il faut que je trouve une deuxième Basler et que je fasse le câble de connexion à connecteur Hirose pour établir la liaison camera maître/esclave entre les deux Basler et que j'y implante de timestamps sur les images.

 

16 minutes ago, Cavadore said:

Tu as 3 ms entre le moment de l'acquisition et de la correction ?

 

0.3ms entre la fin de l'acquisition de la Basler, le calcul et l'application de la consigne par le CNA. Après il faut tenir compte du temps de réponse du miroir qui est dans l'ordre de grandeurs des 3ms, soit environ 6ms de temps de correction avec la réponse du PID. Comme dit plus haut, c'est une estimation sur les courtes valeurs de déplacements.

 

25 minutes ago, Cavadore said:

Quelle est la dynamique angulaire de ton système ?

 

Environ 0.4° sur le miroir.

 

 

[zeubeu 865]

Salut,

j'ai vu les vidéos et je ne comprends pas bien... C'est l'équivalent d'un AOL ce système ??

[Bingocrepuscule 274]

D'abord félicitation pour ton travail, Je suis très admiratif. Même en tant que pro, il faut maîtriser une spectre de connaissances et d'outils assez large pour parvenir à ce résultat, c'est remarquable. Je connais pas tant de professionnels capable de mettre en œuvre une longue chaîne de compétence comme celle ci.

 

Ton but est de stabiliser la position de l'objet pour l'injection dans une fibre. Ton échantillonnage sur la Basler est seulement de 0.95arcsec, et tu ecris que "la variation locale de position du centroïde d'une image sur l'autre, qui est calculée au pixel et non à la fraction de pixels" et "Précision de stabilisation à 3 ou 4 pixels pour le centroïde".

Cela me semble bien pour corriger la monture, le vent, le long train optique,  mais insuffisant pour corriger la turbulence. Pourquoi choisir une si gros échantillonnage ?

Pourquoi ne pas calculer le centroide à la fraction de pixel? C'est étonnant. C'est le piezo qui limite?

Est ce qu'il y a quelque chose qui m’échappe? C'est vraiment specifique au but de ta manip?

 

Est ce que tu prévois de faire quelques plot de perfs? De descendre en échantillonnage?

 

En fait ce qui manque c'est le perf que tu recherches.

[frédogoto 2 005]

ton systeme est tres intéressant  et ressemble bigrement à OA de starlight. en plus rapide

j'ai quelques question :

• pourquoi un beamsplitter ? tu perd la moitié du signal et donc potentiellement  de la vitesse de correction  et en tout cas d’acquisition ? pourquoi ne pas utiliser un D.O ?

sans compter que cela induit un peu d’astigmatisme

• comment fais tu pour avoir une telle fréquence ? perso je m'estimais heureux quand j'étais a 4hz je visais de secteurs parfois "peut riche" en étoile et c’était pas terrible sur les activateur

• que se passe t'il quand tu arrive au limite latérale de corrections ? (sur mon ancien système tip tilt il y avait un port st4 qui impulsait la monture pour recentre l’objet

je vois que tu a a essayé avec toute sorte de truc, tous asse brillant. et avec les étoiles faiblement brillante par exemple ?

[brizhell 2 626]

8 hours ago, zeubeu said:

j'ai vu les vidéos et je ne comprends pas bien... C'est l'équivalent d'un AOL ce système ??

 

Plutôt un AO7 en moins cher, plus rapide et ouvert à tout type de caméra.

[brizhell 2 626]

8 hours ago, Bingocrepuscule said:

Je connais pas tant de professionnels capable de mettre en œuvre une longue chaîne de compétence comme celle ci.

 

Merci Bingocrépuscule ! Le compliment me touche, mais je connais des pros, académiques ou industriels, ayant tout autant voir plus de compétences que moi. De base je suis électronicien, mais les labos dans lesquels j'ai travaillé implique d'étendre son panel de compétence Le CNRS c'est une super école

 

8 hours ago, Bingocrepuscule said:

Cela me semble bien pour corriger la monture, le vent, le long train optique,  mais insuffisant pour corriger la turbulence. Pourquoi choisir une si gros échantillonnage ?

 

Au départ par défaut. Je suis d'accord avec toi, la turbulence va provoquer à certain moments des déplacements plus faible que la fonction d'étalement. Mais l'idée de départ était déjà de voir si avec du matériel amateur il était possible de stabiliser la PSF d'une étoile sur le coeur d'une fibre multimode de l'ordre de quelques dizaines de micron. Ma cible de départ était pour un coeur de fibre de 50 microns, soit environ 9 pixels avec cet échantillonnage. J'ai conscience que c'est peu, mais c'est améliorable (voir mon commentaire en suivant).

 

9 hours ago, Bingocrepuscule said:

Pourquoi ne pas calculer le centroide à la fraction de pixel? C'est étonnant. C'est le piezo qui limite?

 

Ben là tu touche aux limites de mes compétences Le code de calcul que j'ai utilisé est un exemple de détermination de centroïde utilisant la fonction de calcul des moments en OpenCV. Cet exemple donnait les centroïdes en format int, c'est vraisemblablement améliorable à condition de savoir coder correctement, or je suis un codeur du dimanche..... J'ai trouve des publis avec des algos de déterminations des centroïdes subpixels rapide mais je ne sais pas pour le moment les implanter. Cela fait partie de l'évolution à venir. Et pour ce qui est du Piezo, non il ne limite pas. Les tensions de commande analogique du piezo sont codés sur 16bits dans une plage de +/-10V ce qui correspond a un déplacement d'environ 200 pixels en X ou en Y. Ca fait 100mV pour un déplacement d'1 pixels, là ou le pas du convertisseur est de 0.3mV. Autrement dit il y a de la marge....

 

9 hours ago, Bingocrepuscule said:

Est ce que tu prévois de faire quelques plot de perfs? De descendre en échantillonnage?

 

Oui c'est prévu, mais pour cela il faut que j'approvisionne une deuxième Basler synchro avec la première pour déterminer les amplitudes de correction.

Pour le moment c'est un proto très avancé, mais il reste encore des marges de progressions. Descendre l'échantillonnage sur la voie de mesure de position est aussi une piste que je doit tester.

Merci en tout cas des ces commentaires constructifs

 

[brizhell 2 626]

 

 

7 hours ago, frédogoto said:

ton systeme est tres intéressant  et ressemble bigrement à OA de starlight. en plus rapide

 

En fait je dirait oui mais non. De ce que je voit de l'OA Starlight (que je ne connaissait pas), c'est un système qui permet de "durcir" le suivi, c'est plutôt un "super autoguideur".

Mon correcteur de tip tilt n'a pas cette vocation, il s'agit de stabiliser l'image au grés des fluctuations de la turbulence, et d’avoir le centroïde de l'image toujours à la même position en X Y.

 

7 hours ago, frédogoto said:

pourquoi un beamsplitter ? tu perd la moitié du signal et donc potentiellement  de la vitesse de correction  et en tout cas d’acquisition ? pourquoi ne pas utiliser un D.O ?

 

Justement parce que la stabilisation doit se faire sur l'objet acquis et pas sur une des étoiles du champ. Pour lutter contre la trubulence locale sur un objet, il ne faut pas que la correction se fasse sur un objet voisin mais sur l'objet lui-même. De plus, même avec une perte de 50% de flux, le gain sur le Strehl peut être suffisamment significatif pour compenser la perte de flux.....

 

8 hours ago, frédogoto said:

comment fais tu pour avoir une telle fréquence ?

 

Le système de miroir basculant est petit et trés rigide. Le déplacement des buzzers est extrêmement faible (il suffit de se rendre compte de l'amplitude totale de variation d'angle du miroir, de l'ordre de 0.4°) . Sur de trés faibles déplacements, cela peut donc aller trés vite.

 

8 hours ago, frédogoto said:

que se passe t'il quand tu arrive au limite latérale de corrections ?

 

Ben si tu arrive en limite de la zone de détection objet, l'asservissement décroche, et ca vibre dans tout les sens Ton option me semble super intéressante pour les prochaines version de code ! l'Odroïd à plein d'entrées/sorties digitales qui pourraient piloter la monture si on dépasse la fenêtre de détection.

 

8 hours ago, frédogoto said:

je vois que tu a a essayé avec toute sorte de truc, tous asse brillant. et avec les étoiles faiblement brillante par exemple ?

 

Ben ca va venir Comme je le disait au début du post, ces résultats datent du début du mois, et j'ai pas encore pu aller plus loin. Mais si tu regarde les vidéos d'Altair à 1ms de pose pour une magnitude à 0.77, ca reste encourageant pour les magnitudes plus faibles. Je discutait hier avec un ami, peut être que sur des nébuleuses planétaires avec une étoile brillante au centre......

 

 

[thomastro 25]

Salut Bernard 

 

Si on se voit courant septembre j'ai une camera Basler qui dort dans mes tiroirs. On pourra la monter sur ton optique adaptative. Ça sera l'occasiond'essayer. 

 

A+

 

Thomas

[christian viladrich 7 672]

Salut Bernard,

C'est très impressionnant. Bravo !!

Il y a certainement des choses intéressantes à faire à partir de là.

[chonum 976]

Joli projet de vacances Bernard !

Pour le calcul de barycentre en float, tu dois pouvoir le faire sans passer par une librairie. Il faut juste cadrer la zone de l'étoile pour éviter de traiter trop de pixels.

Sur un iCore, on peut faire cela à plusieurs kHz sans soucis, donc ca doit pouvoir tourner à quelques centaines de Hz sur ton petit CPU.

Genre sur une zone de 64x64 ou 32x32.

J'ai des caméras Basler sur capteur Python qui trainent au bureau, c'est pas le top en qualité d'image, mais elles sont rapides et global shutter.

Dis moi par mail ce qu'il te faudrait...