[논문 리뷰] Microelectromechanical deformable mirror development for high-contrast imaging, part 1: miniaturized, flight-capable control electronics

Eduardo Bendek, Garreth Ruane외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 03.

Adaptive optics and wavefront sensing인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 우주에서 고대비 exoplanet 이미징을 위한 비행 가능하고 소형화된 변형 가능한 거울(DM) 제어기를 제안한다. 견고한-플렉서블 PCB에 11개의 상용 고전압 DAC를 사용하고, 인서트 및 콘フォ멀 코팅을 적용하여, 16비트 해상도, 220 V 동적 범위, 1 kHz 동작을 구현한 제어기는 10×10×5 cm³, 0.5 kg, 8 W의 크기로, 제어기의 성능은 JPL의 HCIT에서 진공 환경에서 5×10⁻⁹의 대비를 달성했으며, PICTURE-C 고도 기상미션에서 성공적인 비행 인증을 통과했다.

ABSTRACT

Deformable mirrors (DMs) are a critical technology to enable coronagraphic direct imaging of exoplanets with current and planned ground - and space-based telescopes as well as future mission concepts that aim to image exoplanet types ranging from gas giants to Earth analogs. This places several requirements on the DMs such as requires a large actuator count (>3000), fine surface height resolution (<10 pm), and radiation hardened driving electronics with low mass and volume. We present the design and testing of a flight-capable, miniaturized DM controller. Having achieved contrasts on the order of 5x10-9 on a coronagraph testbed in vacuum in the high contrast imaging testbed facility at NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), we demonstrate that the electronics are capable of meeting the requirements of future coronagraph-equipped space telescopes. We also report on functionality testing onboard the high-altitude balloon experiment "Planetary Imaging Concept Testbed Using a Recoverable Experiment Coronagraph," which aims to directly image debris disks and exozodiacal dust around nearby stars. The controller is designed for the Boston Micromachines Corporation Kilo-DM and is readily scalable to larger DM formats. The three main components of the system (the DM, driving electronics, and mechanical and heat management) are designed to be compact and have low-power consumption to enable its use not only on exoplanet missions, but also in a wide-range of applications that require precision optical systems, such as direct line-of-sight laser communications. The controller is capable of handling 1024 actuators with 220 V maximum dynamic range, 16-bit resolution, 14-bit accuracy, and 1 kHz operating frequency. The system fits in a 10 x 10 x 5 cm3 volume, weighs <0.5 kg, and consumes <8 W. We have developed a turnkey solution reducing the risk for future missions.

연구 동기 및 목표

• 지구형 exoplanet을 타깃으로 하는 미래의 우주 기반 코로나그래프 임무를 위해 소형, 저전력, 방사선 내성 DM 제어기를 개발하기 위해.
• 기존 DM 제어 시스템에서 다수의 커넥터로 인한 높은 고장 위험, 특히 발사 및 진공 조건에서의 위험을 해결하기 위해.
• MEMS DM의 비행 환경에서 16비트 해상도, 14비트 정밀도, 1 kHz 대역폭을 갖춘 신뢰성 있고 고정밀 웨이브프론트 제어를 가능하게 하기 위해.
• 기존 제어기 대비 부피, 질량, 전력 소모를 줄여, CubeSats 및 태양계 외부 탐사 임무에 적합하게 만들기 위해.
• JPL의 HCIT에서 코로나그래프 테스트베드와 고도 기상미션(PICTURE-C)에서 제어기의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 제어기는 DM 소켓에 직접 납땜된 11개의 상용 고전압 DAC(HV-DAC)를 사용하여 중간 커넥터를 제거하고 고장 위험을 줄였다.
• 견고-플렉서블 인쇄 회로 기판(PCB) 구조를 통해 네 층으로 접어 10×10×5 cm³의 엄격한 부피 제약을 충족시켰다.
• 전자기기의 진공 및 열 사이클링 환경에서의 신뢰성을 확보하기 위해 인서트 및 콘포멀 코팅을 적용하였다.
• 시스템은 16비트 해상도, 14비트 정밀도, 최대 220 V 동적 범위, 1 kHz 업데이트 주파수를 갖추고 1,024개의 액추에이터를 제어한다.
• 제어기는 JPL의 고대비 이미징 테스트베드(HCIT)에서 뷰르트 코로나그래프를 사용하여 진공에서 테스트되었으며, PICTURE-C 기상미션에서 검증되었다.
• 비행 단위는 나사 어메스에서 열 및 진공 테스트를 거친 후, JPL에서 통합 및 성능 검증이 완료되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형화되고 저전력이며 진공에 견디는 DM 제어기가 고대비 exoplanet 이미징을 위해 요구되는 16비트 해상도와 1 kHz 대역폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고액추에이터 수를 가진 DM 시스템에서 비행 환경에서 커넥터 관련 고장 위험을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ3 비행 인증을 통과한 제어기가 코로나그래프를 사용한 진공 테스트베드에서 10⁻⁹ 이하의 대비 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 고도 기상미션의 열 및 기계적 스트레스에 노출된 후에도 제어기가 정상적으로 기능을 유지하는가?
• RQ5 이 제어기는 더 큰 DM 형식으로 확장 가능하며, CubeSat 또는 태양계 외부 탐사 임무 아키텍처에 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 제어기는 JPL의 HCIT 시설에서 진공 환경에서 뷰르트 코로나그래프와 잔류 제어(RC) 필터를 사용하여 2–12 λ/D 영역에서 평균 대비 5×10⁻⁹를 달성했다.
• 비행 단위는 성공적으로 고도 기상미션(PICTURE-C)을 수행하여 지구로 귀환했으며, 기능이 그대로 유지되고 정상적인 텔레메트리가 전송되어 근간우주 환경에서의 생존성과 성능을 입증했다.
• 제어기는 10×10×5 cm³ 이내의 부피에 수용되었고, 0.5 kg 미만의 무게와 8 W 이하의 전력 소비를 기록하여, 엄격한 CubeSat 및 태양계 외부 탐사 임무의 제약 조건을 충족했다.
• HV-DAC를 DM 소켓에 직접 납땜함으로써 ZIF 소켓 고장 모드인 굽힘 및 외부 삽입 고장을 제거하여 액추에이터의 100% 기능 가용성을 달성했다.
• 제어기는 16비트 해상도, 14비트 정밀도, 220 V 동적 범위를 구현하여 고대비 이미징을 위한 정밀한 웨이브프론트 제어를 가능하게 했다.
• 진공 및 열 사이클링 테스트에서 성공적으로 검증되었으며, 비행 단위는 나사 어메스에서 발사 및 재진입 조건을 모두 견뎌내어 비행 준비 상태를 확인했다.