Calibration of quasi-static aberrations in exoplanet direct-imaging instruments with a Zernike phase-mask sensor
上下文几个系外行星直接成像仪器将很快投入使用。他们使用极端自适应光学（XAO）系统来校正大气湍流，并向近红外（NIR）日冕仪提供高度校正的光束以抑制星光。然而，由于存在于可见XAO感测路径与NIR科学路径之间的差分波前误差，导致日冕照相图像中的残余散斑，因此日冕照相的性能受到非共路像差（NCPA）的限制。目标。在过去的几年中，已经开发了几种方法来精确校准NCPA，校正准静态散斑，并允许观测比其宿主恒星暗至少1 e6的系外行星。我们提出了一种基于Zernike相衬法的方法，用于测量可见光XAO波前传感器和近红外日冕仪所见光路之间的NCPA。方法.该方法使用尺寸为λ/D的焦平面相位掩模，其中λ和D分别表示波长和望远镜孔径直径，以通过将上游光瞳平面中的准静态像差编码成下游光瞳图像中的强度变化来测量上游光瞳平面中的准静态像差。我们开发了一个严格的形式主义，导致NCPA的高精度测量，在一个准线性的方式在观察。结果对于λ = 1.625 μm（0.026 λ）处标准偏差为44 nm rms的静态相位图，我们估计，与典型电流生成系统的预期性能相比，在存在AO残差的情况下，色度NCPA可能降低3至10倍。这将使探测到的图像中的准静态散斑水平减少10到100倍，从而相应地提高观测系外行星的能力。
2013-05-31 astro-ph.IM
Improving VLT/SPHERE without additional hardware: Comparing quasi-static correction strategies
本文比较了VLT/SPHERE的准静态像差校正策略，重点展示暗区算法在不增加硬件条件下提升高对比度成像性能的在天空测试结果。
2023-05-31 astro-ph.IM
Calibration of quasi-static aberrations in exoplanet direct-imaging instruments with a Zernike phase-mask sensor. III. On-sky validation in VLT/SPHERE
使用极端自适应光学和日冕照相术的第二代系外行星成像仪显示了它们在研究近距离星周环境、探测新的伴星和帮助了解它们的物理特性方面的巨大潜力。然而，在非常小的角分离，他们的性能在对比度是有限的几个因素：复杂的望远镜光瞳衍射不完全取消日冕，残留的动态波前误差，色波前误差，和波前误差所造成的非共路像差（NCPA）。在以前的工作中，我们演示了使用泽尔尼克波前传感器称为ZELDA感测NCPA在VLT/SPHERE和他们的补偿。在目前的工作中，我们将进入下一个步骤，使用ZELDA进行NCPA补偿的天空验证。我们开始通过再现以前的结果的内部源，并表明，1和15个周期/瞳孔之间集成的像差的量减少了5倍，这转化为原始对比度的增益在2和3之间低于300 mas。在天空中，我们证明了NCPA补偿工作在闭环中，导致像差量的衰减约为2倍。然而，我们确定了传感器的灵敏度损失，这只能部分解释为内部和天空测量之间的Strehl比的差异。在ExAO校正区域，天空上的日冕成像在原始对比度上最多提高2.5倍。我们使用coronagraphic图像重建的仪器的详细模型的基础上，以证明内部和对天空的原始对比度可以精确地解释，我们建立NCPA补偿后的观察到的性能不再受到限制的不适当的补偿像差，但由当前的变迹光瞳Lyot coronagraphic设计。[删节]
2019-07-25 astro-ph.IM
On-sky validation of image-based adaptive optics wavefront sensor referencing
区分系外行星信号和残余斑点噪声是高对比度成像中的一个关键挑战。散斑是由大气湍流和仪器光学引入的快速、慢速和静态波前像差的组合引起的。虽然在过去十年中开发的波前控制技术在最大限度地减少快速大气残差方面表现出了希望，但慢速和静态像差（如非共路像差（NCPA））仍然是系外行星探测的关键限制因素。NCPA不能被自适应光学（AO）环路的波前传感器（WFS）检测到，因此难以校正它们。我们建议改进这些畸变的识别和拒绝。该算法DrWHO，执行频繁的静态和准静态像差的补偿，以提高图像对比度。通过在算法的每次迭代中改变WFS参考，DrWHO改变了AO收敛点，使其朝向静态和慢速像差的补偿。使用迭代幸运成像方法计算参考，其中每次迭代更新WFS参考，最终有利于高质量的焦平面图像。我们通过数值模拟和在8.2米斯巴鲁望远镜的SCExAO仪器上进行的天空测试来验证这一概念。模拟结果表明，82%的NCPA的校正快速收敛。空中测试在可见光（750 nm）下进行10分钟以上。我们引入了一个通量浓度（FC）度量来量化的点扩散函数（PSF）的质量和测量15.7%的改善。DrWHO算法是一种强大的焦平面波前传感校准方法，已成功地在天空中演示。它不依赖于模型，也不需要波前传感器校准或线性。它与不同的波前控制方法兼容，并且可以进一步优化速度和效率。
2021-10-28 astro-ph.IM
Exoplanet direct imaging in ground-based conditions on THD2 bench
下一代地面仪器的目标是通过对始终更接近恒星的星周环境进行成像来突破我们对系外行星的了解。然而，直接成像需要一个AO系统和高对比度的技术，如日冕，以拒绝衍射光的观察星和一个额外的波前传感器，以控制准静态像差，包括非共路像差。为了观察微弱的物体，需要具有亚纳米波前控制能力的焦平面波前传感器。在过去的几年中，我们开发了THD 2工作台，这是一个高对比度成像技术的测试平台，工作在可见光和近红外波长，目前在太空模拟条件下达到低于1 e-8的对比度水平。我们最近在光路上增加了一个湍流轮，它模拟了一个典型的极端自适应光学系统给出的残差，我们测试了几种方法来消除准静态散斑。估计像差的一种方法是称为成对探测的方法，在该方法中，我们记录具有我们应用于自适应光学可变形反射镜上的已知形状的少数图像。一旦估计，我们寻求通过称为电场共轭的算法来最小化焦平面电场。在本文中，我们提出的第一个结果THD 2工作台上使用这两种技术在湍流条件下。然后，我们比较所取得的性能与预期的所有准静态散斑校正时。
2019-10-20 astro-ph.EP astro-ph.IM
Estimation and correction of wavefront aberrations using the self-coherent camera: laboratory results
对系外行星的直接成像需要非常高的对比度，这是使用日冕仪获得的。但是残留的准静态像差在日冕下游的焦平面上产生了斑点，掩盖了行星。这个问题出现在地面仪器和空间望远镜中。在日冕镜上游使用可变形反射镜对这些波前误差进行主动校正是强制性的，但是传统的自适应光学受到差分路径像差的限制。必须采用专用技术直接在科学焦平面上测量相位和振幅误差。首先，我们提出了一种方法，用于估计相位和振幅像差上游的日冕从散斑复杂的领域在下游焦平面。然后，我们提出了自相干相机，它利用光的相干性对焦平面散斑进行空间编码，并恢复相关的复场。这使我们能够在闭环中估计和补偿日冕上游的像差。我们进行了数值模拟以及实验室测试，使用四象限相位掩模和32 x32致动器变形镜。我们在实验室中展示了我们实现稳定闭环并补偿相位和幅度准静态像差的能力。我们确定了最适合的参数值来实现我们的技术。在焦平面中，在2和12 λ/D之间的对比度优于10-6，在7和11 λ/D之间的对比度甚至达到3.10-7（RMS）。对比度水平似乎主要受到可变形镜表面产生的振幅缺陷和检测器动态的限制。这些结果是有希望的未来应用到一个专门的空间任务的系外行星的特性。已经确定了一些可能的改进。
2013-09-09 astro-ph.IM
An analytic expression for coronagraphic imaging through turbulence. Application to on-sky coronagraphic phase diversity
日冕照相高对比度系外行星成像系统（如SPHERE或GPI）的最终性能受到准静态像差的限制。这些像差产生的斑点可能会被误认为是图像中的行星。为了设计仪器、校正准静态像差或分析数据，在有残余湍流存在时日冕仪的点扩散函数的表达式是非常有用的。在这里，我们推导出这个点扩散函数的解析表达式，这是一个扩展到日冕成像的Roddier的表达式通过湍流成像。我们给出了它的结构的物理解释，我们通过数值模拟验证它，我们表明，它是计算效率。最后，我们将此成像模型的日冕相位多样性方法（COFFEE），并通过模拟验证，它允许波前重建存在的残余湍流。初步的结果，这给一个亚纳米级的精度的情况下，类球体系统，强烈建议，准静态像差可以通过这种方法在观测过程中进行校准。
2017-01-30 astro-ph.IM physics.optics
Coronagraphic phase diversity through residual turbulence: performance study and experimental validation
日冕照相系统中的准静态像差是地基和天基系外行星成像仪能力的最终限制。这些像差-可能是由于各种原因，如光学对准或在观察过程中移动光学部件-在焦平面上产生称为散斑的光残留，可能会被误认为是行星。对于地面仪器，由于部分自适应光学校正而产生的残余湍流波前误差的存在给在日冕物质存在下测量像差的挑战带来了额外的困难。在本文中，我们提出了一个扩展的COFFEE，日冕相位多样性，准静态像差的估计存在自适应光学校正的残留湍流。我们进行逼真的数值模拟，以评估性能，可以预期的仪器上的当前一代。我们在实验室进行了第一次实验验证，这表明，准静态像差可以在观测期间通过日冕相位多样性进行校正。
2019-07-16 astro-ph.IM physics.optics
On-sky compensation of non-common path aberrations with the ZELDA wavefront sensor in VLT/SPHERE
星周环境现在通常由大型地面观测站上的专用高对比度成像仪观测。这些设施结合了极端的自适应光学和日冕照相术，以实现前所未有的灵敏度，用于系外行星探测和光谱表征。然而，在这些日冕系统中的非共路像差（NCPA）代表了一个关键的限制，用于检测与主恒星的距离非常小（$<$ 0.3 $^{\prime\prime}$）的对比度低于几个$10^{-6}$的巨行星。在2013年，我们提出了ZELDA，一个Zernike波前传感器来测量这些残留的准静态相位像差，并在SPHERE（VLT的系外行星成像仪）中安装了一个原型。在2016年，我们证明了我们的传感器能够为仪器中的内部源上的这些像差提供纳米校准和补偿，从而在冠状图像中在0.2 $^{\prime\prime}$处实现10的对比度增益。然而，2017年的初始天空测试在内部校准NCPA然后在天空上应用校正时并没有显示出明显的增益。在这篇文章中，我们提出了最近的天空测量，以证明我们的传感器在观测期间用于NCPA补偿的潜力，并量化日冕数据中的对比度增益。
2018-06-27 astro-ph.IM
High-order myopic coronagraphic phase diversity (COFFEE) for wave-front control in high-contrast imaging systems
准静态像差的估计和补偿是实现高对比度成像系统最终性能的必要条件。COFFEE是一种焦平面波前传感方法，其包括将相位分集扩展到高对比度成像系统。基于贝叶斯方法，它估计从科学相机本身记录的两个焦平面图像的准静态像差。在本文中，我们提出了COFFEE的扩展，它允许估计的低和高阶像差与纳米精度的任何coronagraphic设备。的性能进行评估的现实模拟，在SPHERE仪器框架。我们开发了一个短视的估计，使我们能够考虑到使用的多样性阶段的不完善的知识。最后，我们评估了COFFEE在补偿过程中的性能，以优化探测器上的对比度，并表明它允许在距离恒星几个分辨率元素处达到SPHERE所需的10^-6对比度。值得注意的是，我们提出了一种非线性能量最小化方法，可用于达到非常高的对比度水平（在类球体环境中优于10^-7）
2013-10-21 astro-ph.IM
A Statistical Framework for the Utilization of Simultaneous Pupil Plane and Focal Plane Telemetry for Exoplanet Imaging, Part I: Accounting for Aberrations in Multiple Planes
如果能够充分克服在实现区分行星信号和恒星信号所需的极高动态范围方面的困难，被称为超大望远镜的新一代望远镜有可能提供前所未有的系外行星系统成像和光谱学。充分利用ELT的潜力进行系外行星成像可能需要同时和自我一致的确定行星图像和光学系统的多个平面中的未知像差，使用基于波前传感器和科学相机数据流的统计推断。该方法有望克服基于差分成像的各种方案（例如ADI和SDI）中固有的最重要的系统误差。本文是关于这个问题的系列文章中的第一篇，其中建立了系外行星成像问题的形式主义，为未来的统计推断方法奠定了基础。已尽一切努力做到严格和完整，以便以后可以评估近似值的有效性。这里，偏振图像用具有自适应光学系统的偏振望远镜的各个平面中的像差来表示。此外，示出了利用焦平面感测来校正散斑场的当前方法，例如，电场共轭依赖于多个光学表面上的像差可以表示为单个光学表面上的像差的默认假设，最终限制了它们对地基天文学的潜在有效性。
2016-03-03 astro-ph.IM
Speckle temporal stability in XAO coronagraphic images II. Refine model for quasi-static speckle temporal evolution for VLT/SPHERE
观察序列表明，在高对比度成像中的主要噪声源限制是由于准静态散斑的存在。准静态散斑演化的时间尺度由各种因素确定，其中包括机械或热变形。了解这些随时间变化的仪器散斑，特别是它们与其他畸变的相互作用，称为钉扎效应，对于寻找暗淡的恒星同伴至关重要。准静态散斑的时间演变例如对于在使用角微分成像（ADI）时预期的增益的量化以及确定必须执行散斑置零技术的间隔是需要的。在ESO总部的高阶测试台（HOT）在实验室条件下获得的自适应校正的日冕图像的时间序列的早期分析之后，我们在欧洲的最后测试阶段用SPHERE仪器进行了新的测量，证实了我们的结果。通过对直接和差分日冕照相图像中的残余散斑图的分析，可以表征准静态散斑的时间稳定性。数据是在热主动控制的环境中获得的，再现了望远镜遇到的现实条件。准静态波前误差的时间演变呈现线性幂律，其可用于在即将到来的高对比度成像仪器的背景下模拟准静态散斑演变，并对仪器（设计、观测策略、数据减少）具有影响。这样的模型可以用于例如导出非公共路径像差必须被感测和校正的时间尺度。我们在数据中发现，准静态波前误差以每分钟约0.7埃的速度增加。
2013-02-28 astro-ph.IM
Improved GRAVITY astrometric accuracy from modeling of optical aberrations
欧洲南方天文台VLTI上的重力仪通过提供$10 - 100\,μ$ as级别的天体测量，开创了高精度近红外干涉测量领域的先河。如此高精度的测量关键取决于系统效应的控制。在这里，我们研究如何引入沿从望远镜到探测器的路径上的小光学缺陷的像差影响天体测量。我们开发了一个分析模型，描述了复杂的维生素E的测量上的这种畸变的影响。我们的形式主义占瞳孔平面和焦平面像差，以及静态和湍流像差之间的相互作用，并成功地再现校准测量的双星。在2017年和2018年，当Sgr A* 和恒星S2都以单光纤指向为目标时，银河中心的重力观测受到这些畸变的影响，其水平小于0.5 mas。消除这些影响使测量与2019年和2020年的双光束观测保持一致，这些观测不受这些像差的影响。这也解决了先前报告的推导出的距离$R_0$到银河系中心之间的小系统差异。
2021-01-28 astro-ph.GA astro-ph.IM
How much can Galactic aberration impact the link between radio (ICRF) and optical (GCRF) reference frames
高精度光学参考系GCRF（盖亚天体参考系）预计将在几年内上市。同时，新版本的射电参考系ICRF（国际天体参考系）也将发布。GCRF与ICRF之间的联系将通过使用射电（VLBI）和光学（盖亚）观测到的共同河外天体计算两个框架之间的方位角来确定。考虑到ICRF和GCRF的前几十微弧秒的预期精度，它们之间的联系应该在微弧秒级别定义，这需要使用最精确的算法和模型。其中一个模型是自行中的银河系像差，它还没有包括在数据处理中。在本文中，它对ICRF-盖亚链接的影响进行了估计。初步结果显示，这一影响的水平约为1微弧秒。
2015-10-04 astro-ph.CO astro-ph.IM
The MICADO first light imager for the ELT: MISTHIC simulation pipeline for the high contrast mode of MICADO
本文提出MISTHIC仿真管线，用于模拟MICADO高对比度模式的真实图像并评估其在多种像差和瞳面跟踪策略下的预期性能，以支持ELT科学观测准备。
2024-08-30 astro-ph.IM
High-order aberration compensation with Multi-frame Blind Deconvolution and Phase Diversity image restoration techniques
上下文为了精确测量强度和确定小尺度太阳（磁）结构的磁场强度，对点扩散函数的了解和补偿是至关重要的。对于用瑞典1米太阳望远镜记录的图像，用多帧盲解卷积和联合相位分集散斑方法进行恢复导致图像质量显著改善，但颗粒对比度太低，表明有额外的杂散光。目标。我们提出了一种方法来补偿杂散光高阶大气像差不包括在MFBD和JPDS处理。方法.为了补偿未校正的像差，提出了一种重新制定的图像恢复过程中，允许的平均效果的数百个高阶模式进行补偿，依靠这些模式的柯尔莫哥洛夫统计。该方法的适用性需要同时测量弗里德参数r0。该方法进行了测试，模拟以及实际数据和扩展到包括补偿传统的杂散光。结果我们发现，只有部分的SST图像中的颗粒对比度的减少是由于未补偿的高阶像差。其余的仍然是不明原因，并归因于杂散光从大气中，望远镜与其重新成像系统和各种高空视宁效应。结论.我们的结论是，高阶模式的统计补偿是一种可行的方法，以减少损失的对比度时发生的有限数量的像差是明确补偿MFBD和JPDS处理。我们表明，良好的补偿是可能的，只有10个记录帧。该方法的主要局限性在于，MFBD和JPDS处理已经引入了高阶补偿，如果不考虑高阶补偿，则可能导致过补偿。
2010-07-07 astro-ph.IM astro-ph.SR
Coherent Differential Imaging of high-contrast extended sources with VLT/SPHERE
Université Paris Cité（巴黎西岱大学）；Observatoire de Paris（巴黎天文台）；Université PSL（巴黎文理研究大学）；Sorbonne Université（索邦大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；European Southern Observatory（欧洲南方天文台）；University of Bern（伯尔尼大学）；Universidad de Chile（智利大学）；Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；Laboratoire J.-L. Lagrange（J.-L. 拉格朗日实验室）；Université Cote d’Azur（蔚蓝海岸大学）；Observatoire de la Cote d’Azur（蔚蓝海岸天文台）
本文在VLT/SPHERE上验证了相干差分成像（CDI）方法，通过对AO变形镜施加相位偏移调制散斑场，结合Karhunen-Loève投影框架，成功恢复了四个恒星周围几乎正面朝向的星周盘，避免了传统ADI的自消减伪影，为未来直接成像巡天中的像差校准提供了高效且无伪影的新策略。
2025-11-10 astro-ph.EP astro-ph.IM
Treating Wavefront Measurement Error in Estimation of Non-Common Path Aberration for Direct Imaging of Exoplanets
利用自适应光学对系外行星进行地面直接成像的主要困难之一是科学相机（SC）中的准静态散斑，这些散斑会使行星图像模糊不清。这些散斑是由称为非共路像差（NCPA）的像差引起的，非共路像差在自适应光学环路中未被校正，并且在后处理中减去它们的所有尝试都是有问题的。Frazin（2013）（F13）的方法使用波前传感器（WFS）和SC的同步毫秒遥测，以自洽的方式估计NCPA和系外行星图像。Rodack等人（2018）提出了使用F13估计方法在天空中实时校正NCPA，并将此过程称为“实时Frazin算法”。“F13方法的原始回归模型没有考虑到WFS测量中的不确定性，这不能用标准统计方法来完成，因为这些不确定性表现在自变量中（即，它们不能被视为SC数据中的另一个噪声源）。此外，模拟表明，简单地使用噪声波前测量而不考虑其不确定性会导致NCPA的估计值具有不可接受的大偏差。在这里，这种偏差的来源是解释的“变量误差”的统计模型。然后，F13的方法被推广到占WFS测量误差使用一个新的顺序估计技术，处理NCPA，WFS测量和WFS测量的误差协方差之间的非线性耦合。这种新技术保持了NCPA、系外行星图像及其联合协方差矩阵的运行估计。该方法的顺序实施应使其计算效率足够高，以适合于NCPA的天空校正以及离线分析。
2018-11-13 astro-ph.IM
High contrast imaging wavefront sensor referencing from coronagraphic images
高对比度成像（HCI）的一个关键挑战是区分散斑和系外行星信号。散斑的来源是大气残差和非共路像差的组合，非共路像差（NCPA）由于不能直接测量，且包含静态、准静态和动态分量，补偿起来特别困难。所提出的方法直接解决了补偿NCPA的挑战。算法DrWHO -直接增强波前启发式优化-是静态和动态NCPA的准实时补偿，用于提高图像对比度。它是一种基于图像的幸运成像方法，旨在寻找并不断更新波前传感器（WFS）的理想参考，包括NCPA，并更新WFS的新参考。这样做会更改AO循环的会聚点。我们在这里展示了DrWHO冠状造影后应用的第一批结果。DrWHO不依赖于任何模型，也不需要精确的波前传感器校准，适用于非线性波前传感情况。我们提出了在天空中使用金字塔WFS传感器与斯巴鲁日冕极端AO（SCExAO）仪器的性能。
2021-10-28 astro-ph.IM
On the implications of the Galactic aberration in proper motions for celestial reference frame
近年来，星系自行光行差（GA）的天体测量意义受到了广泛的关注。这种效应在微弧秒级的天体测量中引起系统误差。有些作者认为这是如此严重，它需要重新定义的天体参考系（CRF）。我们认为，对GA的这种关注过于夸张。这只是一个小的天体测量修正，在高精度的天体测量和大地测量数据处理过程中必须考虑。这种校正的准确性取决于银河系旋转参数的准确性，对于大多数应用，取决于银河系和赤道系统之间的旋转矩阵的准确性。我们的分析表明，我们今天对这两个因素的了解足以计算出精度优于10%的GA校正。在几十微弧秒/年的水平上的剩余效应现在可以忽略不计。引入GA校正的另一个后果是需要回到经典的天体测量建模的VLBI导出河外射电源的位置的线性趋势模型。将基于射电源零运动假设的VLBI导出的CRF的当前范例改变为经典范例，导致J2000.0历元星表的射电源位置偏差高达几十微弧秒。
2015-01-06 astro-ph.IM
Estimation of polarization aberrations and their effect on the coronagraphic performance for future space telescopes
本文模拟了6.5 m TMA望远镜的偏振像差，并使用hcipy框架评估了八种镜面镀膜方案对日冕仪性能的影响，发现裸/氧化铝和Al+18nm LiF镀膜性能最佳。
2023-09-08 astro-ph.IM
Revisiting the Borde-Traub focal plane wavefront estimation technique for exoplanet direct imaging
本文重新审视Borde-Traub焦平面波前估计技术，从理论上证明其在不受光子噪声限制时优于成对探测（PWP），并在JPL测试平台和VLT/SPHERE上验证了其性能与实际应用。
2024-08-26 astro-ph.EP astro-ph.IM
Polarization aberrations in next-generation giant segmented mirror telescopes (GSMTs) I. Effect on the coronagraphic performance
本文模拟了三台下一代巨型拼接镜面望远镜的偏振像差，发现由主次镜陡峭角度引起的延迟离焦会将日冕仪对比度限制在 $10^{-4}$ 至 $10^{-6}$ 量级，并指出镀膜选择及补偿设计是未来高对比度成像的关键。
2023-04-04 astro-ph.IM
Empirical Green's Function Approach for Utilizing Millisecond Focal and Pupil Plane Telemetry in Exoplanet Imaging
由于新一代近红外探测器阵列具有亚电子噪声，能够达到kHz的读出速率，毫秒焦平面遥测现在变得实用。将这些数据与波前传感系统同时提供的数据相结合，可以自洽地确定光学像差（准静态散斑的原因）和行星图像。这种方法对于发现距离恒星3 $λ/ D$以内的行星特别有利，因为差分成像是无效的。正如作者最近的一篇文章所示（J. Opt. Soc. Am.一、33，712，2016），必须考虑光学系统的几个非共轭平面中的未知像差，这又需要在这些平面之间计算传播场的能力。这些计算很可能难以实现并且昂贵。在这里，提供了一个更方便的替代方案的基础上经验格林函数。它表明，经验格林函数（EGF），占所有多平面，非共同路径的像差，并导致在一个更容易处理和高度并行的计算问题。它还表明，EGF可以推广到治疗偏振，从而在经验格林张量（EGT）。
2016-07-28 astro-ph.IM
Millisecond Exoplanet Imaging, II: Regression Equations and Technical Discussion
在实现直接成像系外行星和相关结构（如行星）所需的对比度方面的主要困难是，原行星盘）的波长范围从可见光到红外线是准静态的斑点，它们很难在必要的精度水平上与行星区分开来。准静态散斑的来源是硬件像差，其不被自适应光学系统补偿。这些像差称为非共路像差（NCPA）。在2013年，Frazin展示了如何在原则上，波前传感器（WFS）和恒星日冕背后的科学相机的同步毫秒（ms）遥测可以用作回归方案的输入，该回归方案可以同时和自洽地估计NCPA和行星系统的图像（系外行星图像）。回归方法的物理原理相当简单：由WFS测量的波前调制由NCPA引起的散斑，因此可以用作光学系统的探针。作者在2013年的文章中对现实主义最重要的偏离是假设WFS进行了无误差测量。第一部分中的模拟提供了NCPA和系外行星图像的联合回归结果，这些回归来自三种不同的方法，称为理想估计，朴素估计和偏差校正估计。理想估计量在物理上是不可实现的，但作为模拟研究的基准是有用的，但其他两个是，至少在原则上。本文提供了所有这三种估计量的回归方程以及支持性的技术讨论。简而言之，朴素估计器简单地使用有噪声的WFS测量，而不尝试考虑误差，并且偏差校正估计器使用波前的统计知识来处理WFS测量中的误差。
2021-06-30 astro-ph.IM
Simultaneous exoplanet detection and instrument aberration retrieval in multispectral coronagraphic imaging
用于探测和表征系外行星的高对比度成像依赖于仪器阻挡宿主恒星光线的能力。目前的一些用于校准剩余散斑的后处理方法使用由多光谱成像提供的信息冗余，但不使用关于这些散斑的起源的任何先验信息。我们调查是否可以使用额外的信息系统和图像形成过程中，更精细地利用多光谱信息。我们开发了一种反演方法，在贝叶斯框架的基础上，分析成像模型来估计散斑和对象地图。该模型将仪器像差与图像焦平面中的散斑图案联系起来，区分日冕物质抛射上游和下游的像差。我们提出并验证了几种数值技术，以处理困难的相位恢复的最小化问题，并实现了10^6的对比度在0.2 arcsec从模拟图像，在光子噪声的存在。这开辟了在真实数据上进行测试的可能性，如果仪器具有良好且稳定的冠状成像质量，则最终性能可以超越当前技术。这为新的天体物理学开发甚至未来仪器的新设计铺平了道路。
2013-02-28 astro-ph.IM
Active correction of aperture discontinuities - optimized stroke minimization I: a new adaptive interaction matrix algorithm
未来在可居住的系外行星上寻找生物标志物将依赖于望远镜仪器，这些仪器在小的行星到恒星的角间距上实现极高的对比度。日冕照相术是一种很有前途的星光抑制技术，它可以在清晰的孔径上为离轴光源提供优异的对比度和吞吐量。然而，随着时间的推移，空间和地面望远镜孔径的复杂性不断增加，这是由于主镜分割，次镜和支撑结构的组合。望远镜孔径的这些不连续性限制了日冕仪的性能。在本文中，我们提出了ACAD-OSM，一种新的主动方法来纠正光圈不连续性的衍射效应在最终的图像平面的日冕。主动方法使用一个或多个可变形反射镜，这些可变形反射镜由相互作用矩阵控制以校正瞳孔中的像差。然而，它们通常受到由孔径不连续性引入的像差量的限制。该算法依赖于在校正过程期间重新校准相互作用矩阵以克服该限制。我们首先描述了ACAD-OSM技术，并将其与以前用于校正孔径不连续性的主动方法进行比较。然后，我们展示了其性能的对比度和离轴吞吐量静态孔径不连续性（分割，支柱）和一些像差演变的仪器的寿命（剩余相位像差，文物的孔径，失调的冠状动脉设计）。这种技术现在可以在任何给定的孔径上获得10^（-10）对比度的类地行星探测阈值，至少10%的光谱带宽，有几种日冕仪设计。
2017-09-07 astro-ph.IM
Cascade adaptive optics with a second stage based on a Zernike wavefront sensor for exoplanet observations II. Validation in broadband light on the ESO/GHOST testbed
Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur（蔚蓝海岸大学，蔚蓝海岸天文台）；Aix Marseille Université（艾克斯-马赛大学）；European Southern Observatory (ESO)（欧洲南方天文台）；University of Arizona（亚利桑那大学）
针对地面高对比度成像中XAO残差限制性能的问题，提出基于Zernike波前传感器的快速第二级级联AO方案，并在宽带光下通过GHOST测试平台验证，对比度提升可达一个数量级。
2026-06-26 astro-ph.IM
Self-coherent camera as a focal plane wavefront sensor: simulations
直接探测系外行星需要高动态范围成像。日冕仪可能是解决方案，但它们在太空中的性能受到波前误差（光学制造误差、温度变化等）的限制，这在最终的图像中产生了准静态的恒星斑点。已经提出了几种解决方案来解决这种斑点噪声。差分成像技术在后处理成像中将参考图像添加到冠状残留物。其他技术尝试使用可变形反射镜主动校正波前误差。在这种情况下，波前像差必须在科学图像中测量到极高的精度。我们提出了自相干相机顺序用作焦平面波前传感器的主动校正和差分成像。对于这两种用途，恒星散斑在科学图像中进行空间编码，以便最大限度地减少微分像差。编码是基于宿主恒星和其环境之间的光不相干原理。本文首先讨论了变形镜的一个固有缺陷。然后，对自相干相机的几个参数进行了详细的研究。我们还提出了一个简单而强大的设计，将自相干相机与使用Lyot停止的日冕仪相关联。最后，我们讨论了与四象限相位掩模的关联的情况下，数值证明，这样的设备，使现实条件下的类地行星的检测。对该技术的参数研究让我们相信，它可以很容易地在未来专门用于系外行星直接成像的仪器中实现。
2009-11-12 astro-ph.EP astro-ph.IM
Image-based wavefront correction using model-free Reinforcement Learning
本研究提出一种基于无模型强化学习的数据驱动方法，仅利用焦平面附近的相位多样性图像作为输入，自动估计和校正光学像差，克服了传统物理模型不准确性带来的性能限制，并在多种现实条件和噪声水平下展现出有效性与鲁棒性。
2024-06-26 astro-ph.IM physics.optics
Multi-frame blind deconvolution and phase diversity with statistical inclusion of uncorrected high-order modes
地面望远镜收集的图像受到地球大气层湍流的模糊和扭曲。自适应光学（AO）只能部分补偿这些影响。无论是多帧盲解卷积（MFBD），也没有散斑技术恢复AO补偿图像正确的功率谱和对比度。MFBD只能补偿有限数量的低阶像差，留下未校正的高阶模的尾部。AO校正数据的散斑恢复依赖于AO校正的校准和关于大气湍流高度分布的假设。我们寻求开发一种改进MFBD相结合的散斑的湍流统计的使用占高阶模式的MFBD感测低阶模式，可以部分地通过AO和/或包括固定或缓慢变化的仪器像差的能力。我们修改的成像模型，补充拟合低阶波前像差与尾部的随机高阶像差。这些尾巴遵循柯尔莫哥洛夫统计缩放到弗里德参数r 0的估计值或测量值，其表征数据收集时的视强度。我们称之为统计多样性（SD）。我们测试MFBD与SD与无噪声的合成数据，模拟许多不同的r 0和AO校正模式的数量。SD提高了恢复图像的对比度和功率谱，无论是在准确性和一致性与不同的r 0，没有惩罚的处理时间。使用焦点分集（FD），结果几乎是完美的。SD还减少了拟合波前参数中的误差。MFBD与SD和FD似乎耐几个因素的错误在r 0。将SD添加到MFBD显示出改善恢复图像的对比度和功率谱的巨大希望。值得进一步的研究与实际数据。
2022-10-31 astro-ph.IM astro-ph.SR
A Statistical Framework for Utilization of Simultaneous Pupil Plane and Focal Plane Telemetry for Exoplanet Imaging, Part II: The Science Camera Image as a Function of the Wavefront Sensor Field
为了超越超大望远镜（ELT）时代系外行星差分成像的局限性，本系列的第一篇论文建立了一个严格的全偏振框架，用于确定科学相机（SC）图像，给出了湍流波前和光学系统多个平面中的未知像差。本文建立在论文I中开发的结构上，以严格地表达偏振SC图像中的波前传感器（WFS）上的场冲击，从而提供了两个子系统中的测量之间的直接连接。该公式允许SC图像被写入WFS测量的函数，包括以下未知量，其原则上可以通过统计推断来估计：非共路像差（NCPA）、WFS增益误差、分束器下游的像差和行星图像。它表明，WFS的偏差误差是数学上等价的NCPA。因此，在具有处理WFS偏差和增益的能力的情况下，该方法不应对WFS校准问题过度敏感。重要的是，这个公式包括随机过程，代表噪声测量的SC图像，噪声WFS测量，和高频分量的波前WFS是不敏感的。结果表明，波前误差由于噪声在WFS测量有一个方便的半解析表示WFS测量算子的奇异函数。此外，这些过程的一阶和二阶统计量被指定，从而为本系列后面的论文中描述的统计推断方法的应用奠定了基础。
2016-02-17 astro-ph.IM
SISPO: Space Imaging Simulator for Proximity Operations
本文介绍了架构，并展示了一个新开发的，基于物理的成像模拟器环境称为SISPO，开发小型太阳系机构飞越和类地行星表面任务模拟的能力。图像模拟器利用开源3D可视化系统Blender及其Cycles渲染引擎，该引擎支持基于物理的渲染功能和程序微多边形位移纹理生成。该模拟器专注于逼真的表面渲染，并有补充模型，以产生现实的尘埃和气体环境的光学模型的彗星和活跃的小行星。该框架还包括用于模拟最常见的图像像差的工具，例如切向和矢状散光、内部和外部慧形像差以及简单的几何畸变。该模型框架的主要目标是通过更好地模拟成像仪器性能的表征，协助任务规划和开发计算机视觉算法来支持小天体空间任务设计。SISPO允许模拟轨迹，光参数和相机的内部参数。
2021-10-13 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
High-contrast imaging at small separation: impact of the optical configuration of two deformable mirrors on dark holes
对系外行星的直接探测和定性将是未来十年的一个主要科学驱动力，涉及到超大型望远镜的开发，并需要在光轴附近进行高对比度成像。已经开发了一些复杂的技术来改善小分离处的性能（日冕照相术、波前整形等）。在本文中，我们研究了一些基本的限制，高对比度的仪器设计水平，使用的情况下，组合的冠状面和两个可变形镜的波前整形。特别是，我们专注于小分离点源成像（约1 $λ$ /D）。首先，我们分析或半分析分析的影响，几个仪器的设计参数：致动器数量，变形镜的位置和光学像差（水平和频率分布）。其次，我们开发了深入的蒙特卡罗模拟来比较使用通用测试床模型的黑洞校正的性能，以测试多个随机产生的光学静态相位误差的菲涅耳传播。我们证明，在小的分离成像需要大的设置和小的黑洞尺寸。该性能对光学像差量和空间频率分布敏感，但当黑洞足够小（从1到$\lesssim$ 5 $λ$ /D）时，显示出对致动器数量或设置架构的弱依赖性。
2017-05-12 astro-ph.IM
RETINA: a hardware-in-the-loop optical facility with reduced optical aberrations
Politecnico di Milano（米兰理工大学）
本文设计硬件在环低像差光学设施 RETINA，通过 Zemax 光学优化、误差校准与补偿实现数十角秒级相机激励，并验证其适配多相机与多任务场景的能力。
2024-07-02 astro-ph.IM cs.CV
Kernel Phase and Coronagraphy with Automatic Differentiation
像差沿着望远镜中的光路累积，在所得到的图像中产生失真和斑点，限制了相机在高角分辨率下的性能。利用硬件和数据分析软件，对行星等微弱来源达到尽可能高的灵敏度是很重要的。虽然分析方法是有效的，但实际系统的数值模型更好，但这种具有许多参数的模型可能难以理解，优化和应用。为机器学习开发的自动微分软件现在可以直接计算任意光学系统的像差导数。我们应用这个强大的新工具来增强高角分辨率天文成像。自校准观测量，如“闭合相位”或“双谱”已被广泛用于光学和射电天文学，以减轻光学像差，实现高保真图像。核相位是闭合相位在小相位误差极限下的推广。使用自动微分，我们重现现有的内核相位理论在这个框架内，并证明了扩展的Lyot coronagelum，找到自校准组合的散斑是抗相位噪声，但只有在非常高的波前质量制度。作为一个说明性的例子，我们重新分析帕洛玛自适应光学观测的二进制阿尔法蛇夫座，发现新的管道和现有的标准之间的一致性。我们提出了一个新的Python包'吗啡'，结合了这些想法，与流行的包罂粟，光学模拟与自动微分的接口类似。这些方法对于用梯度下降法设计改进的天文光学系统是有用的。
2020-11-19 astro-ph.IM
Marginal multi-object multi-frame blind deconvolution
Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)（加那利天体物理学研究所）；Universidad de La Laguna（拉古纳大学）
本文提出一种边缘估计方法，用于多目标多帧盲反卷积，通过边缘化框架提升正则化效果，增强对比度控制，并简化实现过程，适用于太阳成像中的大气湍流校正。
2026-05-12 astro-ph.IM astro-ph.SR
Demonstration of high contrast with an obscured aperture with the WFIRST-AFTA shaped pupil coronagraph
WFIRST-AFTA任务研究中的日冕仪有两种日冕结构，成形瞳孔和混合Lyot，它们可以互换用于不同的观测场景。每种架构都依赖于新开发的掩模组件，以便在AFTA孔径存在的情况下发挥作用，因此两者都必须在任务之前成熟到高技术就绪水平（TRL）。一系列的里程碑被设置为跟踪仪器所需的技术的发展;在本文中，我们报告完成WFIRST-AFTA Coronagestone里程碑2-窄带$10^{-8}$对比度测试与静态像差的形状瞳孔-和即将到来的宽带Coronagestone里程碑5的计划。
2015-11-05 astro-ph.IM
High-Precision Lunar Corner-Cube Retroreflectors: A Wave-Optics Perspective
Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）
本文通过二维傅里叶光学模型研究高精度月球直角立方反射器，探讨了孔径大小与像散角偏移的强耦合关系，指出空心硅碳反射器在1064nm波长下具有更优的光子回传性能和质量优势。
2025-10-29 astro-ph.IM gr-qc physics.ins-det
