Observing Exoplanets with High Dispersion Coronagraphy. I. The scientific potential of current and next-generation large ground and space telescopes
由于系外行星与其宿主恒星之间的角距很小，对比度很高，因此对系外行星进行直接成像是一项艰巨的技术挑战。高色散日冕照相术（HDC）是一种对宜居带中的类地行星实现前所未有的灵敏度的途径。在这里，我们提出了一个框架来模拟HDC观测和数据分析。这些模拟的目标是对各种仪器配置、目标类型和科学案例的原始星光抑制和光谱分辨率之间的权衡进行详细分析。我们预测了凯克天文台的HDC仪器在近红外波段表征直接成像的气体巨行星的性能。我们还模拟了HDC观测的类地行星使用下一代地基（TMT）和空间基地望远镜（HabEx和LUVOIR）。我们的结论是，地面ELT更适合HDC的观测类地行星比未来的空间任务，由于收集面积的相当大的差异。对于地面望远镜，HDC观测可以在10 $^{-4}$星光抑制水平下在M矮星周围的宜居带探测到一颗类地行星。与10个$^{-7}$行星/恒星对比度相比，HDC将星光抑制要求放宽了10个$^3$。对于天基望远镜，探测器噪声将是光谱分辨率高于10 $^4$的主要限制。考虑到探测器噪声和斑点色噪声，R=400（1600）是HabEx（LUVOIR）的最佳光谱分辨率。对于HabEx（LUVOIR），探测行星/恒星对比度= $6.1\times10^{-11}$的行星的相应星光抑制要求放宽了10（100）倍。
2017-03-29 astro-ph.EP astro-ph.IM
Enhanced high-dispersion coronagraphy with KPIC phase II: design, assembly and status of sub-modules
凯克行星成像仪和表征仪（KPIC）是一种专门用于凯克K和L波段高色散日冕测量的仪器。该仪器将提供北半球可见的已知直接成像系外行星和低质量褐矮星伴星的第一个高分辨率（R $>$ 30，000）光谱。KPIC分阶段开发。第一阶段目前处于早期运营阶段，第二阶段升级将于2021年底部署。第二阶段的目标是最大限度地提高行星光的吞吐量，并最大限度地减少恒星泄漏，从而减少获取具有给定信噪比的光谱所需的曝光时间。为了实现这一目标，KPIC第二阶段利用了几种以前从未以这种方式结合的创新技术。这些包括用于波前校正和散斑控制的1000元件可变形反射镜，一组无损光束成形光学器件以最大化耦合到光纤中，光瞳切趾器以抑制不需要的星光，光瞳平面涡旋掩模以使光谱的采集处于衍射极限和衍射极限内，以及大气色散补偿器。这些模块与第一阶段中的有源光纤注入单元相结合，将成为一个高效的系外行星表征平台。在本文中，我们将介绍光学和光学机械的最终设计，并强调我们实施的一些创新解决方案，以促进所有新功能。我们将提供子模块的组装和实验室测试的概述以及一些结果。最后，我们将概述部署时间轴。
2020-12-11 astro-ph.IM
Stellar Coronagraphy
本章概述了探测亮星附近系外行星所需的星光抑制技术，重点介绍日冕仪的工作原理与应用。
2024-11-05 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Phase-Occultation Nulling Coronagraphy
通过描述类地行星在宜居带中的特征来寻找生命是天文学的关键科学目标之一。本文提出了一种新的相位掩蔽干涉调零日冕测量方法。PO-NC方法采用干涉仪腔体内部的光束行走和自由形式的光学表面，以在每个干涉仪臂（光路）之间引入径向依赖的板尺度差，其在传输离轴场的同时以高对比度使中心恒星归零。该设计很容易在分段反射镜望远镜架构上实现，利用单个调零干涉仪来实现高吞吐量、小的内工作角（IWA）、六阶或更高的星光抑制和全离轴发现空间，这些功能的组合是其他日冕仪设计通常必须交易的。与以前的NC方法不同，PO-NC方法不需要光瞳剪切;这增加了吞吐量，并使其对轴上共模望远镜误差不太敏感，从而减轻了实现$\leq10^{-10}$对比度水平所需的天文台稳定性。天文台的操作也得到了简化，不再需要多个望远镜辊和剪切机来构建高对比度图像。PO调零器的设计目标类似于用于直接探测宜居带（HZ）地球外信号的其他日冕仪：在$\geq10$ %带通上，在IWA为$\leq3λ/D$时，与在可见光和近红外波段工作的大（$>10$ ~m）分段孔径空间望远镜进行$10^{-10}$量级的对比。这项工作提出了一个介绍的PO调零日冕方法的基础上，其可见调零日冕（VNC）的遗产和关系的径向剪切干涉仪。
2015-04-22 astro-ph.IM
A Family of Phase Masks For Broadband Coronagraphy Example of the Wrapped Vortex Phase Mask Theory and Laboratory demonstration
未来的仪器需要在大光谱范围内有效的日冕仪，以使宽带成像或光谱特征的系外行星1 e8比他们的恒星暗。提出了若干解决办法。光瞳变迹器可以将恒星的强度衰减1 e10倍，但它们只能传输少量的行星光。相位/振幅掩模的级联既可以衰减星光又可以透射大部分行星光，但是要对准的光学器件的数量对于仪器来说不是一个实际的解决方案。最后，矢量相位掩模可用于检测靠近明亮恒星的微弱光源，但它们需要使用高质量的圆偏振器，而对于以前的解决方案，这导致了一个复杂的仪器，需要许多光学器件来对准和稳定。我们提出了简单的日冕仪，需要一个标量相位掩模和一个二元Lyot停止只提供高传输的行星光（>50%）和高衰减的星光在一个大的光谱带通（~30%）和360度的视野。从数学的考虑，我们发现一个家庭的2D相位掩模优化的一个未遮挡的瞳孔。一个掩模是方位角包裹的涡旋相位斜坡。通过数值模拟和实验室测试，我们探讨了它的日冕性能。从数值模拟中，我们预测包裹涡可以衰减的峰值的恒星图像的因子1 e4超过29%的带通和1 e5超过18%的带通与传输超过50%的行星通量在~4 lambda/D。我们在实验室中证实了这些预测在可见光550 nm和870 nm之间。我们还获得了实验室黑洞的图像，其中系外行星的流量是3e-8倍的主机恒星流量可以检测到在3sigma。利用蚀刻连续2D功能的新技术，可以很容易地制造新型掩模，为宽带冠状照相术开辟新的可能性。
2020-01-16 astro-ph.IM
Quantum-optimal coronagraphy with spatial mode sorting for direct exoplanet observations
Sterrewacht Leiden（莱顿天文台）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；NASA Ames Research Center（NASA艾姆斯研究中心）
研究如何计算现实观测场景下最优消零模式，利用量子信息理论工具数值计算，给出测量已知信号行星的最优模式及多行星位置权衡，还给出三种科学案例的日冕仪设计。
2026-07-02 astro-ph.EP astro-ph.IM
High-Contrast Coronagraphy
本文综述了高对比度日冕仪成像类地行星的科学需求、工作原理及关键技术，指出结合主动波前控制、焦平面传感和偏振抑制可在不同望远镜平台上实现$10^{-7}$至$10^{-10}$对比度。
2025-06-03 astro-ph.IM
Optimal mode-sorting coronagraphy: limits of single-moded measurements for the Habitable Worlds Observatory
Sterrewacht Leiden（莱顿天文台）
研究探索涉及单空间模式测量的日冕仪极限，用于宜居世界天文台红外臂。给出单通道1/D行星通量与单通道恒星抑制的函数关系，表明测量单个优化空间模式能达理论信息极限约80%。
2026-07-23 astro-ph.IM
On the Detection of Exorings in Reflected Light with JWST NIRCam
本研究通过NIRCam日冕仪模拟，评估JWST在近红外反射光中探测系外环的能力，发现F200W可探测大型环系统，并可为系外环发生率提供经验约束。
2025-09-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
Future exoplanet direct imaging instruments: Simulating spatial light modulator-based pixelated focal-plane coronagraphy
针对未来系外行星直接成像，开发了基于SLM像素化焦平面相位日冕仪的Python模拟器，评估采样与相位分辨率影响，支持PLACID仪器操作及CDI成像。
2024-08-20 astro-ph.EP astro-ph.IM
XAO-assisted coronagraphy with SHARK NIR: from simulations to laboratory tests
几个专用于探测和表征系外行星的极端自适应光学（XAO）系统目前正在8-10米级望远镜上运行。日冕仪通常用于这些设施中，以拒绝观察到的恒星的衍射光，并使其星周环境的直接成像和光谱学成为可能。SHARK-NIR是一种将在大型双目望远镜（LBT）上使用的日冕照相机。经过广泛的模拟活动，SHARK-NIR团队选择了一套在仪器中实施的日冕技术，以满足科学要求。总之，高斯Lyot日冕仪是服务于所有需要场稳定和适度对比度的科学案例的选择。在光瞳稳定模式下搜寻系外行星的观测可以利用三个成形光瞳掩模（SPC）和一个四象限相位掩模（Four-Quadrant Phase Mask）日冕仪。SPC的设计是为了在靠近恒星的小视场内实现高对比度，并且对图像和瞳孔抖动具有鲁棒性。该传感器可以访问整个科学FoV（18“x18”），并在理想条件下（高斯特列尔比）提供出色的性能，但性能仍然很好，无论是靠近还是远离恒星，即使在较低的斯特列尔和适度的振动。采购阶段结束后，冠状掩模被运送到我们的实验室，我们开始在光学工作台上测试其性能，并定义将在我们的清洁室中最终集成仪器时使用的对准程序。在这篇文章中，我们描述了我们在实验室中使用SHARK-NIR日冕仪进行的测试。我们测量了每种技术在非常高的斯特列尔条件下可实现的对比度，并定义了增强集成程序。
2020-11-25 astro-ph.IM
Bayesian Analysis for Remote Biosignature Identification on exoEarths (BARBIE) I: Using Grid-Based Nested Sampling in Coronagraphy Observation Simulations for H2O
本文量化了可见光波段下H2O的可探测性，利用140万光谱网格和PSGnest嵌套采样程序分析了不同信噪比与丰度下的最佳观测带通，为未来日冕仪设计优化提供了指导。
2023-08-01 astro-ph.EP astro-ph.IM
Bayesian Analysis for Remote Biosignature Identification on exoEarths (BARBIE) II: Using Grid-Based Nested Sampling in Coronagraphy Observation Simulations for O2 and O3
本研究基于网格嵌套采样模拟日冕仪观测，量化了下一代望远镜在可见光反射光下探测类地行星大气O2和O3的可探测性，明确了不同SNR、波长与丰度下的探测阈值及最优带通，为未来高对比度仪器设计优化提供了关键约束。
2023-11-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
Segment-level thermal sensitivity analysis for exo-Earth coronagraphy with segmented space telescopes
University of Massachusetts（马萨诸塞大学）；Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）；LIRA, Observatoire de Paris, Université PSL, Sorbonne Université, Université Paris Cité, CY Cergy Paris Université（巴黎天文台，PSL大学，索邦大学，巴黎西岱大学，CY塞尔吉巴黎大学）；Rensselaer Polytechnic Institute（伦斯勒理工学院）；BAE Systems, Space & Mission Systems Inc.（BAE系统公司，空间与任务系统公司）；L3Harris Technologies, Inc.（L3哈里斯技术公司）
该研究针对空间分镜式望远镜，建立分镜级热稳定性误差预算，通过分析温度梯度与波前变化的关联，优化热公差分配，明确分镜尺寸、公差与波前传感时间的权衡，为类地行星日冕仪观测提供支撑。
2026-07-31 astro-ph.EP astro-ph.IM
The Phase Induced Amplitude Apodizer and Nuller -- High transmission, high dispersion coronagraphy at 2λ/D
Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève（日内瓦天文台，天文学系，日内瓦大学）；Division of Space and Planetary Sciences, University of Bern（伯尔尼大学空间与行星科学系）；Division of Space Research and Planetary Sciences, Physics Institute, University of Bern（伯尔尼大学物理研究所空间研究与行星科学系）
PIAAN冠状图通过单模光纤实现高对比度和高传输率，为比邻星b的高色散冠状图观测提供关键技术方案。
2025-03-24 astro-ph.IM
Instrumental Polarization in Stellar Coronagraphy: Coherent Behavior and its Implications for Dark Hole Optimization
本研究针对恒星日冕仪的仪器偏振问题，通过琼斯微积分和矢量场模拟证明二次偏振与入射场完全相干且正交不干涉，发现暗斑构建可同时减弱二次强度，为放宽日冕仪偏振设计要求及优化调制方案提供依据。
2025-08-01 astro-ph.EP astro-ph.IM
JWST-TST High Contrast: Living on the Wedge, or, NIRCam Bar Coronagraphy Reveals CO$_2$ in the HR 8799 and 51 Eri Exoplanets' Atmospheres
本文利用JWST NIRCam棒状日冕仪观测HR 8799和51 Eri系统，首次探测到CO2吸收等特征，揭示了行星的金属富集与大气化学特性，为研究系外行星大气与形成历史提供了新视角。
2025-04-07 astro-ph.EP astro-ph.IM
Wavefront error tolerancing for direct imaging of exo-Earths with a large segmented telescope in space
对地外行星直接成像和寻找生命是未来空间观测站最令人兴奋和最具挑战性的目标之一。空间中的分段孔径将需要达到所需的大直径，超出当前或计划中的运载火箭的能力。这些孔径为高对比度冠状照相术提出了额外的挑战，不仅在静态定相方面，而且在其稳定性方面。基于对的太空分段望远镜成像分析模型（PASTIS）是为了模拟分段级光学像差对最终图像对比度的影响而开发的。在本文中，我们扩展了原来的PASTIS传播模型，从一个纯粹的分析半解析方法，在其中，我们取代使用的解析图像与数值模拟图像。该模型的反演产生一组正交模式，可用于确定段级波前公差。我们目前的结果的情况下，段级活塞误差应用于基线日冕设计的LUVOIR A，最小和最大波前误差约束之间的56 pm和290 pm每段。该分析很容易推广到其他段级像差模式，也可以扩展到建立这些任务的稳定性公差。
2019-09-20 astro-ph.IM
Using Ground-Based Telescopes to Mature Key Technologies and Advance Science for Future NASA Exoplanet Direct Imaging Missions
地面望远镜在过去二十年中一直在系外行星直接成像科学和技术发展方面发挥主导作用，并将在今后十年及以后继续发挥不可或缺的作用。极端自适应光学（AO）系统将推进焦平面波前控制和日冕照相术，增强WFIRST-CGI的性能并降低风险，同时验证性能要求并激励改进大气模型，以明确描述HabEx/LUVOIR太阳系类似物。超大型望远镜的专用仪器可能会提供类太阳恒星周围岩石行星的第一张热红外图像，为HabEx/LUVOIR提供许多系外地球候选者和关键的辅助信息，这些信息可以帮助澄清行星是否适合居住。
2018-03-14 astro-ph.EP astro-ph.IM
Dark Hole Maintenance and A Posteriori Intensity Estimation in the Presence of Speckle Drift in a High-Contrast Space Coronagraph
通过日冕照相术进行的直接系外行星成像需要在黑洞中保持长时间的高对比度。在这段时间内缓慢变化的波前误差会累积并导致恒星的点扩散函数（PSF）中的系统误差，这限制了行星可实现的信噪比。在本文中，我们表明，估计的散斑漂移可以通过在黑洞中的强度测量与抖动的变形镜，以增加相位多样性。提出了一种基于扩展卡尔曼滤波和电场共轭的方案，用于在积分阶段保持黑洞。对于后处理阶段，提出了一种后验方法来估计PSF漂移过程的实现和与散斑不相干的行星光的强度。
2019-02-05 astro-ph.IM
Analytical tolerancing of segmented telescope co-phasing for exo-Earth high-contrast imaging
本文介绍了一种分析方法来计算段级波前误差容限，以使在太空中使用分段望远镜探测微弱的太阳系外行星。这项研究提供了一个完整的治疗空间不相关的分段望远镜日冕，迄今为止，只有接近使用特设蒙特卡罗模拟段定相误差。而不是描述波前公差全球所有的部分，我们的方法产生空间依赖的要求。我们将日冕黑洞的统计平均对比度与主镜上每个单独部分的波前误差的标准差相关联。这种分段级公差的统计框架扩展了空间分段望远镜成像（PASTIS）的基于对的分析模型，该模型唯一地基于光学传播的矩阵乘法。我们证实了我们的分析结果与蒙特卡罗模拟的E2E光传播通过日冕。将我们的结果与以前的研究进行比较，我们显示出普遍的一致性，但提供了一个放松的要求的一个重要的子集的部分的变迹光瞳Lyot Coronagraphic设计的大型紫外光学红（LUVOIR）望远镜。这些需求图对于任何给定的望远镜几何形状和日冕仪设计都是唯一的。我们计算的空间上不相关的段容差是完整误差预算的关键要素，该预算还需要包括相关段贡献的分配。我们讨论了如何PASTIS形式主义可以扩展到空间相关的情况下，通过推导的统计平均对比度和方差的非对角像差协方差矩阵。因此，PASTIS公差框架带来了一种新的能力，这是未来分段空间观测站的全球公差所必需的。
2021-03-10 astro-ph.IM
Quasi Band-Limited Coronagraph for Extended Sources
我们提出了一类分级的coronagraphic的“振幅”的图像掩模的高吞吐量的Lyot型coronagraphic传输光从一个环形区域周围的扩展源和抑制光，具有极高的比率，从其他地方。该区域的内半径与其外半径相当。面罩的设计灵感来自于M.J. Kuchner和W.A. Traub（“带限”掩模）和D. Slepian的最佳切趾方法。我们的掩模的一个潜在应用是在太阳引力透镜的帮助下对系外行星进行直接高分辨率成像，其中行星的“爱因斯坦环”图像的表观半径为弧秒量级，与太阳和日冕的表观半径相当。关键词：日冕测量，最佳限带，系外行星，太阳引力透镜
2021-02-28 astro-ph.EP astro-ph.IM gr-qc
Calibration of quasi-static aberrations in exoplanet direct-imaging instruments with a Zernike phase-mask sensor. II. Concept validation with ZELDA on VLT/SPHERE
温暖或巨大的气体巨行星，褐矮星和附近恒星周围的碎片盘现在经常被大型地面天文台上的专用高对比度成像仪器观测到。这些设施包括极端自适应光学（ExAO）和最先进的日冕照相术，以实现系外行星探测和光谱表征的前所未有的灵敏度。然而，ExAO传感路径和科学路径之间的差异像差代表了检测巨行星的关键限制，这些巨行星的对比度低于几个$10^{-6}$，与其宿主恒星的距离非常小（<0.3 \as）。在我们以前的工作中，我们提出了一种基于Zernike相衬方法的波前传感器来规避这个问题，并在纳米级测量这些准静态像差。我们介绍了ZELDA的设计，制造和测试，这是一个原型，安装在VLT/SPHERE在其重新整合在智利。使用仪器的内部光源，我们进行了测量中的Zernike或傅立叶模式引入的变形镜的存在。我们的实验和模拟结果是一致的，证实了我们的传感器能够以纳米精度测量小像差（<50 nm rms）。然后，我们修正了长寿命的非共路像差的SPHERE的基础上ZELDA测量。我们估计在0.2 \as时冠状造影图像中的对比度增益为10，达到仪器中冠状造影设置的原始对比度极限。ZELDA的设计和相位重建算法的简单性使其成为在线测量观测过程中准静态像差的一个很好的选择。在当前和未来的设施（ELT，未来的空间任务）上实施基于ZELDA的传感路径可以简化对附近恒星周围的冷气体或大质量岩石行星的观测。
2016-06-17 astro-ph.EP astro-ph.IM
Bioverse: Assessing the Ability of Direct Imaging Surveys to Empirically Constrain the Habitable Zone via Trends in Albedo
本研究模拟未来直接成像任务（如HWO）通过反照率趋势约束宜居带的能力，发现强趋势需25-30个系外地球样本，弱趋势更难检测，并提出多种改进策略。
2025-09-09 astro-ph.EP astro-ph.IM
Status of the Keck Planet Imager and Characterizer Phase II Development
凯克行星成像仪和表征仪包括对凯克II自适应光学系统和仪器套件的一系列升级，以分别提高设施仪器NIRC2和NIRSPEC的直接成像和高分辨率光谱能力。KPIC的第一阶段包括一个近红外金字塔波前传感器和一个光纤注入单元（FIU），以向NIRSPEC提供单模光纤，这些设备已经安装，目前正在调试中。KPIC将首次实现直接成像系外行星的高色散日冕测量（HDC），与直接成像相比，提供了潜在的改进检测意义和光谱表征能力。在有利的情况下，多普勒成像，自旋测量和分子映射也是可能的。这一科学目标推动了KPIC第二阶段的发展，该阶段计划于2020年初部署。第二阶段优化系统的吞吐量和对比度，使用各种额外的子模块，包括952元素可变形反射镜，相位诱导振幅变迹透镜，大气色散补偿器，多个日冕仪，泽尼克波前传感器，和多个科学端口。加州理工学院的系外行星技术实验室正在建造一个测试平台，以便在KPIC第二阶段部署到Keck之前表征和测试每个子模块的设计。本文概述了第二阶段的设计和实验室测试的结果报告。
2019-09-13 astro-ph.EP astro-ph.IM
Biosignature detectability on transiting habitable worlds with ELT/ANDES
Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）；Department of Astronomy & Astrophysics, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学天文学与天体物理学系）；Center for Exoplanets and Habitable Worlds, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学系外行星与宜居世界中心）；Institute for Computational and Data Science, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所）
该研究利用甚大望远镜的阿马宗斯光谱仪，通过模拟检测流程和新的贝叶斯CCF框架，评估对凌日系宜居行星生物特征气体的可探测性，给出不同气体探测所需凌日次数下限，还提及替代方法为生物特征搜索提供补充途径。
2026-07-15 astro-ph.EP astro-ph.IM
