为找到另一颗地球, NASA对变形抛物面反射镜实施纳米级精准控制
NASA“宜居世界天文台”：
开启新一代系外行星探测任务
在探索“另一个地球”的旅程中，NASA 正规划一项新的任务，称为"宜居世界天文台"(Habitable Worlds Observatory，HWO), 该项目旨在通过高对比成像与光谱分析来寻找类地系外行星及其特征。为了达成这一目标，NASA 将借鉴哈勃、詹姆斯·韦伯空间望远镜和即将发射的罗曼空间望远镜的建造经验，并结合新的技术需求进行发展。
HWO是NASA规划中的下一代旗舰级天文任务，目标是在太阳系外直接成像潜在宜居行星并分析其大气特征，以判断其是否具备生命存在的条件。该任务对成像系统提出极高技术要求，必须实现卓越的波前稳定性与先进的日冕仪性能，以屏蔽恒星强光并增强弱信号探测能力。这一极端指标旨在确保望远镜能够在强背景光干扰下识别类地行星所反射或发出的微弱光信号，构建用于生命探测的关键观测基础。
图1 : 图为从 Astro2010 到 Astro2020 期间通向 HWO 的主要研究进展及时间线。图片来源：NASA / Aki Roberge
图2 :早期星遮罩概念。此类高对比度成像研究为 HWO 的技术路径提供了背景参考。图片来源：NASA/JPL
在当前阶段，人类主要通过凌日法（Transit Method）进行系外行星的发现，如开普勒和TESS任务已揭示了数千颗行星。然而，凌日法本身无法直接评估行星的宜居性，并且从地球的观测视角来看，绝大多数行星并不会恰好掠过其所环绕的恒星前方，限制了该方法的适用范围。因此，若要探测围绕近邻恒星运行的潜在宜居行星，更适宜采用直接成像的方法。
在工程实现层面，HWO将延续詹姆斯·韦伯空间望远镜与罗曼空间望远镜的技术成果。韦伯展示了屏蔽恒星强光以观测其周围行星的前沿技术，而罗曼项目的成功实施（在预算范围内按期完成）也将为 HWO 的后续建设奠定坚实基础。一旦建成并发射，HWO 将与 NASA 的其他空间望远镜以及地面天文台密切协同，构建跨平台观测网络，进一步拓展人类对宜居世界的探测能力。
双系统测试平台：
Zygo + Phasics 的策略组合
在这项任务中，NASA Goddard 团队通过ExoSpec技术路径推进新一代变形抛物面反射镜(Parabolic Deformable Mirror, PDM)的开发与表征。该器件不同于传统平面可变形镜，其目标是在更宽的光学带宽范围内实现更强的波前控制能力。研究表明，将镜面本身设计为可变形结构，可显著增强系统对波前误差的控制能力。
为此，NASA 团队搭建了一套完整的 PDM 表征与闭环控制平台。
平台采用双路径测试设计：采用Zygo干涉仪对镜面静态面形误差进行测量，并完成与系统中离轴抛物面镜（OAP）的配准和定标；随后，使用Phasics波前传感器对准直光进行动态波前测量，并作为闭环反馈信号源。
图3: ExoSpec 测试平台; a）表征测试平台的示意图；b）在空气环境中搭建的测试平台实物图。图片来源: NASA Goddard Space Flight Center, Proc. SPIE 2024.
该系统通过Zygo干涉仪定标与Phasics波前传感器实控的协同模式实现高精度控制闭环。在初始状态下，PDM 面形误差 RMS 值约为 2 微米；经过闭环优化后，系统成功将其压缩至约 29 纳米 RMS，显著提升了镜面调控能力。值得注意的是，试验过程中团队识别出执行元异常与振动干扰等问题，并通过引入浮动隔振平台与不间断电源（UPS）稳压系统将背景波前噪声进一步降低至约 16 纳米 RMS。
该系统不仅实现了对 PDM 的稳定闭环控制，还揭示出器件漂移主要源于低阶波前像差（如焦点偏移与彗差），为后续引入低阶波前传感器（LOWFS）和暗区成像测试提供了数据基础。第二代 PDM（Gen 2）设计正在推进，将在热稳定性、面形误差控制与点扩散函数（PSF）一致性等维度提出更严苛指标，并规划部署于未来日冕仪系统中，以实现“暗洞”深度压制验证。Phasics 波前传感器在整个系统中不仅承担动态测量任务，更作为闭环控制环节的核心部件，Phasics独特的QWLSI技术为波前畸变的高空间分辨率监测提供了坚实基础。
在自适应光学系统中，Phasics方案具备高度兼容性，可支持多种变形光学元件（如压电、机械、电磁、MEMS 可变形镜，以及空间光调制器和自适应透镜等）。结合 OASys 控制软件，Phasics 可为每一类应用提供量身定制的闭环设计与专家支持，从激光波前整形到太空望远镜的高对比探测，构建高度灵活与稳定的自适应光学系统。
通过与 Zygo 干涉仪协同使用，Phasics 波前传感器从原型验证延伸至系统级集成，为新一代日冕仪与波前控制技术的实验奠定了坚实基础，也为未来 HWO 对类地系外行星的高对比观测任务提供了关键保障。
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Reference:
Subedi, H. B.; Groff, T. D.; Will, S.; Juanola-Parramon, R. “Experimental Verification of the Parabolic Deformable Mirror for the ExoSpec Project”, NASA Goddard Space Flight Center, Proc. SPIE 2024.
