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

Eduardo Bendek, Garreth Ruane+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2020

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 9

一句话总结

本论文提出了一种微型化、可飞行的可变形镜（DM）控制器，专为太空中的高对比度系外行星成像而设计。该控制器采用11个商用高压DAC，通过刚性-柔性印刷电路板（PCB）并使用底部填充和共形涂层，实现了16位分辨率、220 V动态范围和1 kHz工作频率，整体尺寸为10×10×5 cm³，重量0.5 kg，功耗8 W，在喷气推进实验室（JPL）的HCIT高对比度成像测试台上于真空中实现了5×10⁻⁹的对比度，并成功通过了PICTURE-C高空气球任务的飞行合格认证。

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.

研究动机与目标

• 为未来针对类地系外行星的太空冠状仪任务开发一种紧凑、低功耗、抗辐射的DM控制器。
• 解决传统DM控制系统中因大量连接器导致的高故障风险，尤其是在发射和真空环境下的可靠性问题。
• 在飞行环境中实现对MEMS DM的可靠、高精度波前控制，具备16位分辨率、14位精度和1 kHz带宽。
• 与现有控制器相比，显著减小体积、质量与功耗，使其适用于立方星（CubeSats）和深空任务。
• 在喷气推进实验室（JPL）的HCIT冠状仪测试台上进行真空测试，并在高空气球任务（PICTURE-C）中完成验证。

提出的方法

• 控制器采用11个商用高压DAC（HV-DACs），直接焊接于DM插座上，以消除中间连接器，降低故障风险。
• 采用刚性-柔性印刷电路板（PCB）结构，通过折叠实现四层布局，以满足10×10×5 cm³的严格空间限制。
• 对电子元件施加底部填充和共形涂层，以确保在真空和热循环环境下的可靠性。
• 系统工作参数为16位分辨率、14位精度、最大220 V动态范围，更新频率为1 kHz，适用于1,024个执行器。
• 控制器在喷气推进实验室（JPL）的高对比度成像测试台（HCIT）中于真空中完成测试，采用涡旋冠状仪，并通过PICTURE-C高空气球任务完成在轨验证。
• 飞行件在NASA Ames完成热力与真空测试，随后在JPL完成集成与性能验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 微型化、低功耗、真空兼容的DM控制器能否实现高对比度系外行星成像所需的16位分辨率和1 kHz带宽？
• RQ2 在高执行器数量的DM系统中，如何在飞行环境中最小化连接器相关的故障风险？
• RQ3 飞行合格的控制器能否在真空中使用冠状仪实现低于10⁻⁹的对比度性能？
• RQ4 控制器在经历高空气球飞行的热力与机械应力后是否仍能保持功能？
• RQ5 该控制器能否扩展至更大尺寸的DM，并成功集成于立方星或深空任务架构中？

主要发现

• 在喷气推进实验室（JPL）的HCIT设施中，利用涡旋冠状仪和残余控制（RC）滤波器抑制DM膜振动，控制器在真空中实现了2–12 λ/D区域的平均对比度为5×10⁻⁹。
• 飞行件成功完成高空气球任务（PICTURE-C），安全返回地球，功能完整，遥测数据正常，证明其在近太空环境中的生存能力与性能表现。
• 控制器体积为10×10×5 cm³，重量低于0.5 kg，功耗低于8 W，完全符合立方星与深空任务的严苛约束条件。
• 通过直接将HV-DAC焊接至DM插座，消除了ZIF插座的故障模式（如弯曲和外部插入失效），实现100%执行器可用性。
• 控制器实现了16位分辨率、14位精度和220 V动态范围，可实现高精度波前控制，适用于高对比度成像。
• 系统在真空与热循环环境中成功测试，飞行件经受了NASA Ames的发射与再入条件考验，确认具备飞行资格。