Adaptive optics with programmable Fourier-based wavefront sensors: a spatial light modulator approach to the LOOPS testbed
波前传感器将入射波前的相位信息编码为可以在相机上测量的强度图案。天文自适应光学中使用了多种波前传感器。其中,基于傅立叶的波前传感器对焦平面中的波前执行滤波操作。此类WFS最著名的例子是Zernike波阵面传感器,金字塔波阵面传感器(PWFS)也属于此类。基于相同的原理,可以提出新的WFSs,例如n面金字塔(最终成为轴锥)或扁平金字塔,这取决于图像形成是不相干的还是相干的。为了测试这些新概念,马赛天文物理学院的LOOPS自适应光学测试平台已经升级,增加了一个空间光调制器(SLM)。这种装置,放置在焦平面产生高清晰度的相位掩模,模仿否则散装光学设备。在本文中,我们首先介绍了光学设计和升级的实验装置的LOOPS工作台。然后,我们专注于与SLM的相位掩模的产生和具有这样的设备在焦平面的影响。最后,我们提出了第一个闭环结果,无论是静态或动态模式与不同的WFS应用于SLM。
2019-03-15 astro-ph.IM
The AOLI low-order non-linear curvature wavefront sensor: a method for high sensitivity wavefront reconstruction
自适应光学幸运成像仪(AOLI)是一种正在开发的新仪器,用于演示大型地面望远镜在可见光区的近衍射极限成像。本文介绍了一种由大行程变形镜、固定元件非线性曲率波前传感器和光子计数EMCCD探测器组成的自适应光学系统。我们描述了波前传感器的光学设计,其中两个光子计数CCD提供总共四个参考图像。系统的光学特性的模拟进行了讨论,其相关性低,高阶AO系统。介绍了高速波前重建算法的发展和优化。最后,我们讨论了仿真结果,以证明系统的灵敏度。
2012-07-04 astro-ph.IM
The minimum of the time-delay wavefront error in Adaptive Optics
给出了时间预测滤波条件下自适应光学系统中时延引起的波前误差(也称为伺服滞后误差)最小值的解析表达式。该分析是基于冯卡门模型的折射率波动的谱密度和冻结流的假设。与通常用于自适应光学系统中的零阶预测策略相比,最佳的时间预测器可以实现波前相位方差的高达1.77倍的减少。或者,最佳预测器可以允许1.41倍长的时间延迟以达到相同的残余相位方差。通常,最佳的时间预测器的性能取决于时间延迟、风速和湍流外尺度的倒数的乘积。
2020-06-19 astro-ph.IM
Wavefront sensor for millimeter/submillimeter-wave adaptive optics based on aperture-plane interferometry
我们提出了一个毫米波阵面传感器的概念,允许实时感测的地面毫米/亚毫米望远镜的表面。对于地基毫米/亚毫米天文学来说,在保持表面精度的同时使望远镜更大变得越来越重要。为了建立“毫米自适应光学(MAO)”,即即时校正由望远镜光学系统变形引起的波前退化,我们的波前传感器基于无线电干涉测量测量从主镜表面上的特征位置到焦平面的多余路径长度的变化。这在计划中的50米级亚毫米望远镜,如LST和AtLAST中起着重要作用。
2021-02-18 astro-ph.IM
Design of the MagAO-X Pyramid Wavefront Sensor
自适应光学系统实时校正大气湍流。大多数自适应光学系统通常在波长大于1微米的近红外线中进行校正。MagAO-X是一种新的极端自适应光学(ExAO)仪器,将提供可见光至近红外波长的校正。当2040致动器变形镜在3.6 kHz下运行时,MagAO-X将在H α下实现大于70%的Strehl比率。可见光金字塔波前传感器(PWFS)优化传感在600-1000 nm波长将提供高阶波前传感的MagAO-X。我们提出了MagAO-X金字塔波前传感器的光学设计和预测性能。
2018-07-11 astro-ph.IM
Photonic lantern wavefront reconstruction in a multi-wavefront sensor single-conjugate adaptive optics system
本文在SEAL测试平台验证光子灯笼作为低阶焦平面波前传感器的线性范围与闭环控制,并仿真其与调制金字塔WFS协同的多传感器AO方案。
2024-06-11 astro-ph.IM
Identification and adaptive control of a high-contrast focal plane wavefront correction system
所有用于系外行星高对比度成像的日冕仪都需要波前校正系统来抑制光学像差并产生足够暗的黑洞。由于最有效的波前校正算法(控制器和估计器)通常是基于模型的,系统的建模精度影响最终的波前校正性能。目前,波前校正系统通常近似为使用傅立叶光学的线性系统。然而,傅立叶光学模型通常是有偏见的,由于在布局测量的不准确性,固有的光学像差的不完善的诊断,以及缺乏知识的可变形反射镜(致动器增益和影响函数)。此外,由于仪器的不稳定性和环境的影响,望远镜的光学系统会随着时间的推移而变化。在本文中,我们提出了一个期望最大化(E-M)的方法来识别和实时适应线性望远镜模型的数据。通过在E步骤(卡尔曼滤波器和Rauch平滑器)和M步骤(分析或基于梯度的优化)之间迭代,该算法能够恢复系统,即使模型取决于电场,其是不可测量的隐藏变量。在普林斯顿大学高对比度成像实验室的仿真和实验表明,该算法提高了模型的精度,提高了波前校正的效率和速度。
2018-10-07 astro-ph.IM
Integrating supervised and reinforcement learning for predictive control with an unmodulated pyramid wavefront sensor for adaptive optics
本文提出一种结合离线监督学习与在线强化学习的控制方法,利用未调制金字塔波前传感器同时驱动倾斜平台和高维镜,在暗弱恒星和差视宁度下显著优于传统控制,且对大气变化鲁棒。
2024-05-22 astro-ph.IM
Forecasting Wavefront Corrections in an Adaptive Optics System
我们使用的遥测数据从双子座北ALTAIR自适应光学系统,以调查如何以及波前校正的命令(包括提示/湍流和高阶湍流)可以预测,以减少滞后误差(由于波前传感器平均和计算延迟),提高交付的图像质量。我们表明,一个高水平的减少($\sim$ 5小费,小费,小费和$\sim$ 2高阶模式)在RMS波前误差可以通过使用“预测滤波器”的基础上,只有几个系数($\sim$ 30小费,小费,小费和$\sim$ 5高阶模式),以补充现有的积分伺服控制器。更新该滤波器以适应不断变化的观测条件在计算上是廉价的,并且需要不到10秒的遥测数据。我们还使用了几种机器学习模型(长短期记忆和扩张卷积模型)来评估是否可以通过更复杂的非线性模型实现进一步的改进。我们的尝试表明,即使对于线性模型残差很高的大滞后,线性自回归预测也没有明显的改进,这表明在双子座北望远镜上ALTAIR的非线性波前失真可能无法用当前的设置进行预测
2022-05-12 astro-ph.IM
Wavefront Sensing and Control with the Many Headed Hydra Modal Basis
空间和地面望远镜的未来与波前传感和控制的技术和算法发展密切相关。只有通过尖端的发展和不寻常的想法,我们才能在地面上建立衍射限制天文台,以应对地球大气层,以及基于空间的天文台,感测和控制光学像差和望远镜抖动。存在用于分解波前图像的各种数学基础,包括带状模式基础、泽尼克多项式和傅立叶模式。然而,以前的基地忽略了最重要的元素天文光学:我们的领域是一样好的人在it.In本文中,我们提出了一个新的多头水螅模态基础(水螅头)的波前分解,使用物理表示的自适应光学社区。我们发现,第一作者作出了最好的波前分解,在正确的重建原始湍流图像的$\sim 1\%$内的顺序。我们讨论了工程上的影响,多头水螅模态的基础上,适用于变形镜技术和内的主动和自适应光学控制回路。最后,我们探索预测控制途径,假设第一作者是最有效的波前预测一个成功的未来,他们作为一个高对比度成像科学家。
2022-04-01 astro-ph.IM
Design of pre-optics for laser guide star wavefront sensor for the ELT
本文研究了用于激光导引恒星波前传感器主动再聚焦的变焦系统的光学设计。该系统是根据来自欧洲(E)-ELT的第一光积分场摄谱仪-极大望远镜(ELT)-HARMONI仪器的规格设计的。该系统必须根据望远镜指向和入射光束的大偏心来提供激光引导的重新聚焦。该系统考虑了四个移动透镜组,它们中的每一个都是具有一个非球面表面的双合透镜。这种解决方案的优点和缺点方面的组件位移和复杂的表面进行了详细描述。实验结果表明,该系统的波前残余误差的中值为13.8- 94.3nm,最大值<206 nm,出瞳畸变率为0.26-0.36%。
2017-11-16 astro-ph.IM
Estimation of the dome seeing from results of the optics quality tests with Shack-Hartman wavefront sensor
Shack-Hartman波前传感器是为2.5米SAI望远镜的最终验收而设计的,它允许使用明亮的恒星测量望远镜出射光瞳上的波前形状。波长为532 nm的参考激光源用于测量。在不同望远镜上测试该设备的过程中,人们发现了估计圆顶中气流的一些特性的可能性。对三个圆顶进行了这种估计:乌兹别克斯坦迈达纳克天文台的1.5米AZT-22和1.0米蔡司望远镜,以及乌克兰克里米亚天文台的2.6米望远镜ZTSh。对于圆顶中最慢的流,获得了以下结果:AZT-22的β=0.34”,Zeiss-1000的β=0.67”,ZTSh的β=0.69”。
2011-01-20 astro-ph.IM
Fried Parameter Estimation from Single Wavefront Sensor Image with Artificial Neural Networks
Australian National University(澳大利亚国立大学);School of Computing(计算机学院);Research School of Astronomy and Astrophysics(天文与天体物理研究学校);Advanced Instrumentation Technology Centre(先进仪器技术中心)
大气湍流降低了地面望远镜的天文观测质量,导致图像失真和模糊。自适应光学(AO)系统被设计为抵消这些影响,使用波前传感器捕获的大气测量来对入射波前进行实时校正。Fried参数r0表征了大气湍流的强度,并且是优化AO系统和最近的自由空间光学(FSO)通信信道的天空轮廓的性能的基本控制参数。在本文中,我们开发了一种新的数据驱动的方法,适应机器学习方法从计算机视觉的Fried参数估计从一个单一的夏克哈特曼或金字塔波前传感器图像。使用这些数据驱动的方法,我们提出了一个详细的基于模拟的评估我们的方法使用开源的COMPASS AO模拟工具来评估夏克哈特曼和金字塔波前传感器。我们的评估是在一个范围内的指南星的星等,和现实的噪音,大气和仪器条件。值得注意的是,我们能够开发一个单一的基于网络的估计,是准确的开放和闭环AO配置。我们的方法准确地估计弗里德参数从一个单一的WFS图像直接从AO遥测到几毫米。我们的方法适用于实时控制,在零售NVIDIA RTX 3090 GPU硬件上显示出0.83ms的r0推理时间,从而展示了用于实时仪器控制的引人注目的经济解决方案。
2025-04-23 astro-ph.IM cs.AI
Demonstration of simultaneous PIAA- coronagraphy and wavefront sensing using a single metasurface-based focal-plane optic
Leiden University(莱顿大学);University of California, Santa Barbara(加州大学圣塔芭芭拉分校);University of Arizona(亚利桑那大学);Flatiron Institute(平顿研究所);Subaru Telescope, National Astronomical Observatory of Japan(日本国立天文台昴星团望远镜);National Institutes of Natural Sciences(自然科学研究机构);Northrop Grumman Corporation(诺斯罗普·格鲁曼公司);Draper Laboratory(德拉珀实验室);Kirtland Air Force Base(基尔兰空军基地);Durham University(杜伦大学)
本研究制备了混合超表面焦平面光学元件,可在H波段两个中间波段滤光片分别充当复杂掩模日冕仪与泽尼克波前传感器,地面测试验证了其波前传感及日冕观测的功能。
2026-08-26 astro-ph.IM
Pyramid wavefront sensor optical gains compensation using a convolutional model
极大望远镜绝大多数选择金字塔波前传感器(PyWFS)而不是更广泛使用的夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS)来执行其单共轭自适应光学(SCAO)模式。PyWFS是一种基于傅立叶滤波的传感器,已被证明在许多天文学应用中非常成功。然而,它表现出非线性行为,导致其灵敏度降低时,与非零残留波前。这种所谓的光学增益(OG)效应降低了SCAO系统的闭环性能,并阻止了非共路像差(NCPA)的精确校正。在本文中,我们的目标是计算OG使用快速和敏捷的策略,以控制PyWFS测量在自适应光学闭环系统。使用基于卷积模型的PyFWS的新理论描述,我们能够分析预测PyWFS在闭环操作中的行为。该模型使我们能够探索残余波前误差对特定方面的影响,如灵敏度和相关的OG。所提出的方法依赖于剩余波前统计的知识,并能够自动估计当前OG。端到端的数值模拟被用来验证我们的预测和测试我们的方法的相关性。我们证明,使用非侵入性策略,我们的方法提供了一个准确的估计OG。该模型本身只需要AO遥测数据来获得大气湍流的统计信息。此外,我们表明,通过仅使用当前Fried参数r_0的估计和基本的系统级特性,可以估计OG的精度小于10%。最后,我们强调了在NCPA补偿的情况下OG估计的重要性。该方法被应用到PyWFS。
2020-07-15 astro-ph.IM
Development of a scalable generic platform for adaptive optics real time control
本项目的主要目标是探索一个自适应光学控制系统的可行性完全基于现场可编程门阵列(FPGA),充分利用其并行处理能力。在自适应光学(AO)系统中,从波前传感器(WFS)测量产生可变形镜(DM)控制电压通常是通过波前斜率与预定重建器矩阵相乘。在FPGA中同时访问数百个硬乘法器和存储器的能力使性能远远超过现代CPU或GPU,用于具有明确定义的结构的任务,如自适应光学控制。当前项目的目标是从来自波前传感器的信号生成用于实时波前校正的信号,其中系统将是灵活的以适应所有当前波前感测技术以及用于波前补偿的不同方法。该系统还应适应不同的数据传输协议(如以太网,USB,IEEE 1394等)。用于将数据传输到FPGA器件和从FPGA器件传输数据,从而为自适应光学控制提供更灵活的平台。初步的模拟结果制定的平台,并设计一个完全可扩展的斜率计算机。
2015-04-16 astro-ph.IM
Control algorithms for dual-wavefront sensor single-conjugate adaptive optics
University of California, Santa Cruz(加州大学圣克鲁兹分校);Lawrence Livermore National Laboratory(劳伦斯利弗莫尔国家实验室)
本文提出基于双波前传感器单共轭自适应光学的控制算法,通过时间滤波缓解NCP像差转移,提升科学图像质量。
2026-01-20 astro-ph.IM
Laboratory Testing the Layer Oriented Wavefront Sensor for the Multiconjugate Adaptive optics Demonstrator
ESO-甚大望远镜(VLT)的多共轭自适应光学演示器(MAD)将在天空中演示多共轭自适应光学(MCAO)技术。在本文中,实验室测试相对于第一个初步验收在欧洲的层定向(LO)波前传感器(WFS)的MAD将被描述:的LO方法的能力已被检查和WFS的能力,以测量相位屏幕定位在不同的高度进行了实验。LO WFS在交付给ESO(Garching)安装在最终光具座上之前,在Arcetri的INAF天体物理天文台进行了光机集成和校准。LO WFS在2arcmin的视场中寻找多达8颗参考星,并且可以将多达8个金字塔定位在参考星的焦斑图像形成的位置,将光分成四束。然后,两个物镜共轭在不同的高度同时产生一个四倍光瞳图像的每个参考星。
2009-12-04 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
Focal Plane Wavefront Sensing using Residual Adaptive Optics Speckles
光学缺陷、未对准、像差甚至灰尘会显著限制高对比度成像系统(如日冕仪)的灵敏度。在光瞳中的上游可变形反射镜(DM)可以用来校正或补偿这些缺陷,以提高Strehl比或抑制残留的日冕晕。在科学相机的星光晕的相位和振幅的测量是必不可少的,以确定DM形状,补偿任何非公共路径(NCP)波前误差。提出了利用DM位移波纹在空间日冕仪焦平面上产生探测散斑和反晕散斑的方法,并在实验室中得到了成功的验证。我们提出的理论和第一次在天空演示的技术来测量复杂的晕使用快速变化的残留大气散斑在6.5米MMT望远镜使用Clio中红外相机。利用自适应光学系统的波前传感器(WFS)测量来估计剩余波前,从而近似计算出快速演化的散斑晕的相位和振幅。当与相对较短的同步科学相机图像相结合时,复杂的散斑估计可以用于干涉分析图像,从而估计包括NCP效应的静态衍射晕。在一个运行系统中,这些信息可以被连续地收集,并用于迭代地校正准静态NCP误差或抑制不完美的日冕晕。
2013-03-03 astro-ph.IM
Integrated modeling of wavefront sensing and control for space telescopes utilizing active and adaptive optics
本研究针对未来空间望远镜日冕仪的极端波前校正需求,构建了结合主动与自适应光学技术的波前传感与控制集成模型,利用光线追踪和物理光学传播量化了星光抑制与波前传感器信噪比的关系。
2023-09-11 astro-ph.IM physics.optics
Centroid Detection by Gaussian Pattern Matching in Adaptive Optics
夏克哈特曼波前传感器是一种二维小透镜阵列,它通过记录焦平面附近的光斑图来进行局部倾斜测量,从而检测入射的相位畸变波前。波前重建分两个阶段进行-(a)图像质心计算局部斜率,(b)从局部斜率测量形成波前形状。在具有读出噪声和背景噪声的基于夏克哈特曼传感器的自适应光学系统中,波前重构误差主要由质心精度引起。在大气自适应光学的情况下,这变得更加困难,其中闪烁效应也可能发生。在本文中,我们使用了基于阈值Zernike重建的去噪技术,以尽量减少由于读出和背景噪声的影响。在低信噪比下,可以通过利用光斑形状的优点来进一步改进这种去噪技术。假设高斯模式的个别斑点,它表明,质心的精度可以提高在存在强烈的背景和背景。
2009-10-18 astro-ph.IM
Adaptive Optics Predictive Control with Empirical Orthogonal Functions (EOFs)
基于波前传感器测量数据的大气波前预报可以大大提高自适应光学系统的性能。我们提出了一个最佳的线性方法的基础上的经验正交函数(ERFF)框架通常用于大气预测。该方法提供了更高的鲁棒性和显着的性能优势,比以前提出的波前预测算法。它可以被实现为线性模式匹配算法,该算法将输入(最近的波前传感器测量)实时分解为先前遇到的模式的线性和,并使用该线性扩展的系数来预测未来状态。该过程对于不断变化的条件、未知的时空相关性和非周期性瞬态事件是鲁棒的,并且使得多个传感器(例如加速度计)能够有助于波前估计。我们通过数值模拟说明了EOFs的优势,并在1 kHz速率系统上证明了1分钟内的滤波器收敛。我们表明,EOFs的方法提供了显着的增益,在高对比度成像,同时减少残留斑点晕和产生的残留斑点晕,是空间和时间上不相关的。
2017-07-03 astro-ph.IM
Single conjugate adaptive optics for the ELT instrument METIS
ELT是一个39米大的地基光学和近中红外望远镜,正在智利阿塔卡马沙漠建造。计划在下一个十年中期左右开始运作。所有的第一光仪器将配备波前传感设备,允许控制ELT的内在M4和M5波前校正单元,从而建立一个自适应光学(AO)系统。为了充分利用ELT的光学性能,需要全衍射限制操作,只有高性能的AO系统才能实现这一点。对AO的进一步技术挑战性要求来自系外行星研究领域,其中解决主恒星和行星之间非常小的角间距的任务还必须考虑到两个物体之间的高对比度。我们详细介绍了我们的模拟结果及其对高对比度成像的影响,以找到最佳的波前传感装置的METIS仪器。METIS是ELT的中红外成像仪和摄谱仪,具有专门的高对比度日冕成像能力,其性能在很大程度上取决于AO剩余波前误差。我们检查了天空和目标的样本覆盖的一个通用的波前传感器在两个光谱制度,可见光和近红外,预选光谱范围的更详细的波前传感器类型的分析。我们发现,近红外区是最适合的METIS。然后,我们在ELT的实际条件下分析了Shack-Hartmann和金字塔波前传感器的性能,与我们的科学要求进行了平衡,并得出结论,金字塔波前传感器是METIS的最佳选择。对于这一选择,我们还检查了非共同路径像差的影响,振动,以及SCAO系统的长期稳定性,包括高对比度成像性能。
2019-01-22 astro-ph.IM
Phase sensor for solar adaptive-optics
太阳自适应光学中的波前感测目前是用相关的Shack-Hartmann传感器来完成的,尽管相位测量的空间和时间分辨率随后受到在白天大气波动的频率下相关传感器信号所需的极快计算的限制。为了避免这种限制,提出了一种新的波前传感技术,利用太阳亮度,适用于扩展源。波前通过修改的马赫-曾德尔干涉仪发送。波前的一个小的中心部分被用作参考,并与波前的其余部分干涉。两个同时测量的干涉图案的对比度提供了波前相位的直接估计,不需要额外的计算。所提出的光学布局显示精确的初始对准是实现新的波前传感方案的关键点。
2011-04-13 astro-ph.IM physics.optics
On-sky demonstration of a vector Zernike wavefront sensor in a cascaded adaptive optics system
ONERA(法国航空航天研究院);Aix Marseille University, CNRS, CNES, LAM(艾克斯-马赛大学,法国国家科学研究中心,法国国家空间研究中心,拉格朗日实验室);Aix Marseille Univ, CNRS, Pytheas, OHP, Observatoire de Haute-Provence(艾克斯-马赛大学,法国国家科学研究中心,皮泰亚斯,上普罗旺斯天文台);Department of Physics, University of Oxford(牛津大学物理系);W. M. Keck Observatory(W.M.凯克天文台);Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange(蔚蓝海岸大学,蔚蓝海岸天文台,法国国家科学研究中心,拉格朗日实验室);Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology(加州理工学院喷气推进实验室)
本研究在PAPYRUS平台搭建含v-ZWFS的第二级AO系统,在轨验证其闭环运行能力,使斯特列尔比提升16个百分点,为未来级联极端AO系统应用提供支撑。
2026-09-01 astro-ph.IM
Characterization of sensitivity and responses of a 2-element prototype wavefront sensor for millimeter-wave adaptive optics attached to the Nobeyama 45 m telescope
我们报告的结果的原型波前传感器的性能表征毫米自适应光学(MAO)安装在Nobeyama 45米射电望远镜。微弧氧化是实现未来大口径亚毫米波望远镜的关键部件,如大型亚毫米波望远镜(LST)或阿塔卡玛大口径亚毫米波望远镜(AtLAST)。然而,微弧氧化的困难在于,在孔径上以~10 μ m的精度实时感测波前变形。我们的波前传感器工作在20 GHz的测量主镜表面的某个位置到放置20 GHz相干接收器的焦点之间的无线电路径长度。与2元件的原型,我们采样的两个位置上的主镜表面(在半径为5米和16米)在10 Hz的采样率。然后,通过对两个光路进行微分,得到两个位置之间的多余光程长度(EPL)。EPL的功率谱密度示出三个分量:低频漂移(1/f^n)、振荡和白噪声。比较了不同风况下的EPL测量结果,发现前两种现象可能是由望远镜结构的风荷载引起的。白噪声的功率对应于EPL测量中8 μ m的1西格玛统计误差。8 um r.m.s.对于LST和AtLAST所需的镜面精度(~20-40 μ m r.m.s.)而言是重要的,这表明,我们的技术也是有用的,为未来的大口径亚毫米望远镜。
2022-07-14 astro-ph.IM
Focal Plane Wavefront Sensing on SUBARU/SCExAO
焦平面波前感测是用于波前感测的优雅解决方案,因为由检测器拍摄的任何源的近焦图像在存在像差的情况下显示失真。非共路像差和低风效应都有能力限制最好的日冕仪与最好的极端自适应光学系统相结合的可实现的对比度。为了校正这些像差,斯巴鲁Coronagraphic Extreme自适应光学仪器拥有许多焦平面波前传感器,使用尽可能靠近科学探测器的探测器。我们提出了其中的七个,并比较他们的实施和效率SCExAO。这项工作对于下一代可能存在类似限制的超大望远镜的波前传感至关重要。
2020-12-22 astro-ph.IM
Visible and Near Infrared Laboratory Demonstration of a Simplified Pyramid Wavefront Sensor
波前感测和控制对于实现使用大孔径的关键优点之一,即更高的角分辨率是重要的。金字塔波前传感器由于其优越的灵敏度而在新的仪器设计中变得常见。然而,其广泛使用的一个剩余障碍是金字塔光学器件的制造。由于四个平面需要在一个点上相交的金字塔尖端,这种复杂的光学器件的制造具有挑战性。到目前为止,由于产量低和交货时间长,只有少数几种产品已经生产出来。为了解决这个问题,我们提出了一种替代实现的金字塔波前传感器,依赖于两个屋顶棱镜代替。这种棱镜的来源容易且便宜。我们演示了成功的操作屋顶棱镜金字塔波前传感器上的8米级望远镜,在可见光和近红外波长-首次使用SAPHIRA HgCdTe探测器没有调制的实验室演示-,并阐明这种传感器可以更广泛地使用波前控制测试台和仪器。
2019-02-01 astro-ph.IM
Infrared wavefront sensing for adaptive optics assisted Galactic Center observations with the VLT interferometer and GRAVITY: operation and results
介绍了基于近红外波前传感的自适应光学(AO)系统CIAO的工作原理。Coudé红外自适应光学(CIAO)系统是甚大望远镜(VLT)干涉仪(VLTI)的核心辅助部件。它特别能够使用重力仪器对银河中心(GC)进行观测。重力是一个高度专业化的光束组合器,该设备将四个8米望远镜的光相干组合,并最终同时在6个基线上记录K波段的干涉测量值。CIAO补偿了由大气湍流引起的相位扰动,这是所有四个8米单位望远镜(UT)在观测期间经历的。四个CIAO单元中的每一个在其UT处产生几乎衍射极限的图像质量,这确保了所观察到的恒星物体的最大通量进入重力光束组合器的光纤。我们目前的CIAO性能数据在前3年的操作作为天气条件的函数。我们描述了CIAO是如何配置和使用重力观测的。此外,我们重点介绍了近红外敏感的Saphira探测器的突出特点,这是第一次在Paranal上使用,并展示了它如何作为波前传感器探测器工作。
2020-07-15 astro-ph.IM
Focal-plane wavefront sensing with high-order adaptive optics systems
我们研究了在具有波前校正装置的自适应光学系统中校准非共路像差的方法,该波前校正装置以极高的分辨率(大于150 × 150)工作。我们使用连续收集的焦平面图像,相应的相位分集信息和数值有效的算法来计算所需的波前更新。迭代地应用波前校正,直到算法收敛。研究了不同的方法。除了标准的Gerchberg-Saxton算法之外,我们还测试了Fast & Furious算法的扩展,该算法使用三幅图像并创建瞳孔幅度的估计。我们还测试了最近提出的相位恢复方法的基础上凸优化。结果表明,在我们考虑的框架中,使用类似于Fast & Furious的算法,校准任务是最简单的。
2014-09-12 astro-ph.IM physics.optics
Extremely fast focal-plane wavefront sensing for extreme adaptive optics
我们提出了一种非常有前途的方法来快速检测和校正小波前误差的自适应光学系统。由于我们的算法的计算复杂度大致与执行器的数量成正比,因此它特别适合于具有10,000到100,000个执行器的系统。我们的方法是基于顺序相位分集和简单的关系之间的点扩散函数和波前误差的情况下,小的像差。由可变形反射镜本身引入的相位分集的特定选择使波前误差以及计算复杂度最小化。该方法非常适合点源的高对比度天文成像,例如直接检测和表征恒星周围的系外行星,即使在存在抑制衍射图案的日冕的情况下也能工作。Korkiakoski等人在这些会议记录中的随附论文描述了使用数值模拟和实验室测试的算法性能。
2012-07-13 astro-ph.IM physics.optics
Wavefront super-resolution for Adaptive Optics systems on ground-based telescopes
针对地基AO系统的高分辨率波前重建问题,本文提出融合多WFS梯度序列、湍流统计、Taylor冻结流与风速信息的模型,并引入适配von Karman统计的$H_2$正则化,仿真验证了其鲁棒有效。
2025-07-25 astro-ph.IM math.OC
Wavefront sensor based on varying transmission filters: theory and expected performance
波前传感器(WFS)的使用是当今仪器光学领域的基础。本文讨论了一个原始的和最近提出的新的WFS类的原则。其原理在于通过将不同密度的滤光片放置在被测光学系统的像平面中来评估波前误差的斜率。该装置,有时被称为“光学微分WFS”是由数字数据处理系统从获得的斜率重建波前完成的。可以采用不同波长和光谱宽度的各种光源。从几何光学和傅立叶光学的角度讨论了该方法的能力,然后通过数值模拟表明,如果采取一定的预防措施,最终的精度可以分别远低于λ/10和λ/100峰谷比(PTV)和RMS。
2005-10-25 astro-ph astro-ph.IM physics.optics
Wavefront sensing with a Gradient Phase Filter
本文提出基于透明梯度相位滤波器的 Crossed-sine phase sensor(CSPS),以 Fourier 光学描述其原理,并通过模拟证明其兼具高空间分辨率与 Lambda/100 RMS 精度。
2024-07-03 astro-ph.IM physics.optics
Comparison of Phase-Unwrapping Methods for Adaptive Optics Wavefront Sensing
为满足自适应光学系统实时相位解缠需求,本研究通过科尔莫戈罗夫谱大气湍流模拟,对比Fast2D、Zernike、DFT和LSPV四种方法在有无二元圆形孔径边界时的性能,明确各方法优缺点。
2025-08-19 astro-ph.IM physics.optics
LUVOIR-ECLIPS closed-loop adaptive optics performance and contrast predictions
大型紫外/光学/红外探测器(LUVOIR)飞行任务概念的主要科学目标之一是通过直接成像探测和确定围绕附近恒星运行的类地系外行星的特征。它的日冕仪ECLIPS(生命行星系统的极端日冕仪)的成功取决于稳定来自大型分段反射镜的波前的能力,以便在几个小时的曝光时间内将光程差限制在数十皮米RMS。为了放宽对机械稳定性的限制,ECLIPS将配备波前传感和控制(WS&C)架构,以校正高达时间频率>~1 Hz的波前误差。这些误差可能主要是由航天器结构动力学激励振动的分段主镜。在这项工作中,我们提出了详细的模拟WS&C系统内的ECLIPS仪器和由此产生的对比度性能。本研究假设波前像差的基础上的有限元模型的模拟望远镜航天器结构动力学。然后根据自适应光学系统的模型计算波前残差,该模型包括数值传播以模拟真实的波前传感器和时间性能的分析模型。一个端到端的数值传播模型的ECLIPS,然后用来估计剩余的星光强度分布在科学探测器。我们发现,对比度的性能强烈依赖于目标恒星的星等和时空分布的波前误差从望远镜。在有显著振动的情况下,我们提倡使用激光计量来减轻高时间频率波前误差并增加任务产量。
2021-08-13 astro-ph.EP astro-ph.IM
Off-axis Hartmann wavefront sensing for the GMT-Consortium Large Earth Finder (G-CLEF) red camera optics
本文提出一种将经典哈特曼检验推广至离轴视场和任意参考波前的波前传感方法,通过在两个离焦面拍摄图像并求解非线性偏微分方程估计波前误差,并在 G-CLEF 红色相机系统模拟数据上得到验证。
2024-07-29 astro-ph.IM physics.optics
Reinforcement Learning-based Wavefront Sensorless Adaptive Optics Approaches for Satellite-to-Ground Laser Communication
University of Ottawa(渥太华大学);National Research Council of Canada(加拿大国家研究委员会);Dalhousie University(达尔豪斯大学)
卫星对地光通信有可能改善偏远地区使用快速和负担得起的互联网的情况。然而,大气湍流使光束变形,从而在耦合到单模光纤中时侵蚀数据率潜力。传统的自适应光学(AO)系统使用波前传感器来改善光纤耦合。这导致更高的系统尺寸、成本和复杂性,消耗入射光束的一部分并引入延迟,使得用于互联网服务的OSGC不切实际。我们建议使用强化学习(RL),以减少延迟,尺寸和成本的系统,通过$30-40\%$通过学习控制策略,通过与低成本的象限光电二极管,而不是波前相位轮廓相机的相互作用。我们开发并共享一个AO RL环境,该环境提供了一个标准化平台,用于根据Strehl比开发和评估RL,Strehl比与光纤耦合性能相关。我们的实证分析发现,近端策略优化(PPO)优于软演员批评和深度确定性策略梯度。在250次训练后,PPO收敛到由理想化的Shack-Hartmann传感器获得的最大奖励的$86\%$内,表明RL能够实现有效的波前无传感器OSGC的潜力。
2023-03-13 astro-ph.IM cs.LG eess.SP
Patterned liquid-crystal optics for broadband coronagraphy and wavefront sensing
用于液晶图案的直接写入技术允许制造固有宽带的极端几何相位图案化冠状图,例如矢量切趾相位板(vAPP)。我们目前的天空数据的双光栅vAPP操作从2-5 $μm$与360度黑洞和减少泄漏项$\sim 10^{-4}$。我们报告了一种新的液晶设计,用于SCExAO的光栅vAPP,其工作范围为1-2.5 $μm$。此外,我们提出了波长选择性vAPP,其在特定波长范围内工作,并在其他波长下传输未变迹的光。最后,我们提出的几何相位图案的先进实现的WFS(如泽尔尼克型),使只有通过这种液晶技术。
2017-09-28 astro-ph.IM physics.ins-det
Experimental and on-sky demonstration of spectrally dispersed wavefront sensing using a photonic lantern
本研究利用8米Subaru望远镜的SCExAO平台,首次在轨演示了基于光子灯笼的光谱色散波前传感器,证明其能提高校正保真度,为未来开发紧凑型统一波前传感光谱仪奠定基础。
2025-05-01 astro-ph.IM physics.optics
First laboratory demonstration of real-time multi-wavefront sensor single conjugate adaptive optics
本文首次在实验室演示了结合SHWFS与FAST的多波前传感器单共轭自适应光学实时控制,在SEAL平台上以200 Hz环路速度验证其消除散斑噪声、提升ELT宜居带系外行星成像能力的潜力。
2023-08-10 astro-ph.EP astro-ph.IM
First Experimental Results of the Fast Atmospheric Self-coherent Camera Technique on the Santa cruz Extreme Adaptive optics Laboratory Testbed: Demonstration of High Speed Focal Plane Wavefront Control of Residual Atmospheric Speckles
目前和未来的高对比度成像仪器旨在探测轨道距离更近、质量更低和/或年龄更大的系外行星,最终目标是直接探测地球质量的可居住区系外行星。然而,日冕科学图像中不断演变的斑点仍然限制了最先进的地面系外行星成像仪器,其对比度至少比实现这一目标所需的差两个数量级。对于地面自适应光学(AO)仪器而言,对于大多数散斑抑制技术而言,衰减动态大气和准静态仪器散斑仍然是具有挑战性的。我们提出了一种焦平面波前传感和控制算法来解决这一挑战,称为快速大气自相干相机(SCC)技术(FAST),它使SCC能够在毫秒级的时间尺度下工作,即使每个斑点只检测到几个光子。在这里,我们提出了初步的实验结果,快速的圣克鲁斯极端AO实验室(SEAL)的试验台。特别是,我们说明了“第二阶段”AO为基础的焦平面波前控制的好处,演示了快速闭环补偿的残留大气湍流的毫秒时间尺度。
2021-08-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
The Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics Imager: First Results and On-Sky Performance
我们提出了新的斯巴鲁Coronagaphic极端自适应光学成像仪(SCExAO)的天空结果验证和量化的对比度增益,使关键组件:闭环coronagaphic低阶波前传感器(CLOWFS)和焦平面波前控制(“斑点归零”)。SCExAO将很快与一个高阶金字塔波前传感器相结合,该传感器将产生> 90%的斯特列尔比,并在小角距下实现10^6- 10^7的对比度,使我们能够在太阳系尺度上对气体巨行星进行成像。即将到来的仪器,如VAMPIRES,FIRST和CHARIS将扩大SCExAO的科学能力。
2013-07-15 astro-ph.EP astro-ph.IM