[論文レビュー] The Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) CubeSat: optomechanical design validation and laboratory calibration

Gregory Allan, Ewan S. Douglas+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 4

ひとこと要約

Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) CubeSatは、140アーキテクチャのMEMS変形ミラーを宇宙空間での高対比イメージングに適用するための検証を実施し、コンactなDMコントローラーと二重のRaspberry Pi 3システムを用いて波面センシングと閉ループ制御を実現する。実験室でのテストにより、Shack-HartmannおよびdOTF手法による正確な波面再構成が確認され、10 nm未満の波面センシング精度が達成された。これはTRL 7での軌道運用に適した状態を示している。

ABSTRACT

Coronagraphs on future space telescopes will require precise wavefront correction to detect Earth-like exoplanets near their host stars. High-actuator count microelectromechanical system (MEMS) deformable mirrors provide wavefront control with low size, weight, and power. The Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) payload will demonstrate a 140 actuator MEMS deformable mirror (DM) with \SI{5.5}{\micro\meter} maximum stroke. We present the flight optomechanical design, lab tests of the flight wavefront sensor and wavefront reconstructor, and simulations of closed-loop control of wavefront aberrations. We also present the compact flight DM controller, capable of driving up to 192 actuator channels at 0-250V with 14-bit resolution. Two embedded Raspberry Pi 3 compute modules are used for task management and wavefront reconstruction. The spacecraft is a 6U CubeSat (30 cm x 20 cm x 10 cm) and launch is planned for 2019.

研究の動機と目的

• 低地球軌道における高アクチュエータ数のMEMS変形ミラーの長期軌道内運用を実証すること。
• コンパクトで低SWAP（重量・消費電力・体積）の波面制御システムの光学機械的および電子的設計をCubeSats向けに検証すること。
• Shack-Hartmann波面センサとdOTF再構成を用いて、10 nm未満の精度で閉ループ波面制御を達成すること。
• 軌道上での実証により、MEMS DMの技術成熟度（TRL）を6から7に引き上げること。
• 将来的な宇宙望遠鏡が、地球型系外惑星の検出に必要な波面補正を実現できるようにすること。

提案手法

• 140アーキテクチャのMEMS変形ミラー（5.5 µmのストローク）を、0–250 Vの出力範囲と14ビットの分解能を持つカスタム192チャネルDMコントローラーで駆動する。
• 波面センシングは、Shack-Hartmann波面センサ（SHWFS）と、画像面データをdOTF（直接的伝達関数）法により処理することで実施する。
• 2台の埋め込み型Raspberry Pi 3コンピューティングモジュールが、タスクの分散、リアルタイム波面再構成、および比例積分制御則による閉ループ補正を実装する。
• 星の光を模擬するため、単モードファイバーレーザーと平行光ビームを用いた実験室のテストベッドで、アクチュエータのピコ入力を適用して波面再構成の妥当性を検証した。
• 打ち上げおよび軌道内環境下での構造的整合性と部品の生存性を保証するため、熱的および機械的シミュレーションを実施し、主要な故障モードに対して最低3倍の設計余裕を確保した。
• 重複するペイロードコンピュータが機能を重複させることで故障耐性を確保し、既知の基準波面を用いた波面キャリブレーションの最適化を継続中である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 140アーキテクチャのMEMS変形ミラーは、低地球軌道環境で安定的かつ長期的に運用可能であるか？
• RQ2 コンパクトで飛行適合性を持つシステムで、Shack-HartmannおよびdOTF再構成手法を用いて10 nm未満の波面センシング精度を達成できるか？
• RQ3 リアルタイム処理と低消費電力電子機器を備えた6U CubeSat上で、閉ループ波面制御が正常に実装可能か？
• RQ4 DMコントローラーは、192チャネルのアクチュエータを14ビットの分解能と0–250 Vの出力で、宇宙環境下でも安定性と正確性を維持して駆動できるか？
• RQ5 機械的および熱的設計余裕は、打ち上げおよび軌道内運用中の生存性と性能をどの程度保証するか？

主な発見

• 実験室でのテストにより、MEMS DMの1つのアクチュエータのピコ入力が、Shack-HartmannおよびdOTF両手法で再構成波面に明確に現れ、波面センシング手法の妥当性が検証された。
• dOTF手法は、期待されるアクチュエータ変位に一致する明確で局所的な変形を有する波面を正常に再構成した。色のスケールは最大ピコ振幅に正規化された。
• 波面センシングシステムは10 nmという目標精度に達し、DM表面測定精度5 nmの要件を満たした。
• DMコントローラーボードは基本的な機能チェックに合格し、0–250 Vの出力範囲で最大192チャネルのアクチュエータを14ビット分解能で駆動できる能力を示した。
• 熱的シミュレーションにより、すべての部品が生存および動作限界内に保たれることを確認した。ミッション中はヒーターが温度安定性を維持する。
• 飛行用機械設計図は製造へ送られ、電子基板は製造中であり、統合とテストは2019年予定である。