Polychromatic pyramid wavefront sensor with MKID technology for high contrast imaging
Durham University（杜伦大学）；UK Astronomy Technology Centre（英国天文学技术中心）；W. M. Keck Observatory（W. M. 凯克天文台）
本文提出了一种多色金字塔波前传感器，利用MKID技术提升高对比成像的性能，通过更宽波长范围的传感提高对比度和限制星等。
2026-01-13 astro-ph.IM
The focal-plane assisted pyramid wavefront sensor: enabling frame-by-frame optical gains tracking
金字塔波前传感器（Pyramid wavefront sensor，PyWFS）以其高灵敏度成为天文自适应光学（adaptive optics，AO）系统中的一种优势传感器。然而，该传感器表现出显著的非线性行为，导致具有挑战性的AO控制问题。为了减轻这些影响，我们建议使用，除了经典的金字塔传感器，焦平面图像结合卷积描述的传感器来执行快速跟踪的PyWFS非线性，所谓的光学增益（OG）。我们表明，这种额外的焦平面成像路径只需要一小部分的总通量，同时代表一个强大的解决方案来估计PyWFS OG。最后，我们展示了我们的方法所带来的增益与引导和非共同路径像差（NCPA）处理的具体例子。
2021-03-03 astro-ph.IM
Demonstrating predictive wavefront control with the Keck II near-infrared pyramid wavefront sensor
地面仪器能否成功地对系外行星进行高对比度成像，取决于自适应光学（AO）系统能够在多大程度上减轻大气湍流。虽然现代AO系统通常遭受波前测量和控制之间的毫秒时间滞后，但预测波前控制（pWFC）是使用先前波前测量来补偿这些时间滞后的手段，从而改善后日冕照相科学焦平面中的原始对比度。一种基于经验正交函数（Empirical Orthogonal Functions，简称EFL）的预测控制方法已经在Subaru/SCExAO上提出并演示过。在本文中，我们提出了这种方法的应用程序的近红外金字塔波前传感器（PYWFS）最近安装在凯克II AO系统的初步测试。我们证明了预期的均方根波前误差和对比度的好处pWFC的基础上模拟，应用pWFC的PYWFS调试过程中保存的天空遥测数据。我们讨论了不同的时间和空间尺度的预测滤波器的计算中包括的性能如何变化。我们进一步描述了PYWFS专用的实时控制器内的pWFC的实现，并通过白天的测试在天文台，我们展示了pWFC的性能实时预计算的相位屏幕时，应用到变形镜。
2019-09-11 astro-ph.IM
Non-modulated pyramid wavefront sensor: Use in sensing and correcting atmospheric turbulence
针对非调制金字塔波前传感器线性范围受限的问题，提出一种考虑残余湍流工作条件的交互矩阵校准方法，仿真验证其可稳健感知并校正大气湍流。
2023-09-07 astro-ph.IM
EMCCD for Pyramid wavefront sensor: laboratory characterization
电倍增CCD提供了速度、亚电子噪声和量子效率的独特组合。这些特性使它们对天文自适应光学极具吸引力。SOUL项目选择了FLI的Ocam2k作为LBT SCAO系统金字塔波前传感器的相机升级。在这里，我们介绍了SOUL项目中3款定制Ocam2k相机的实验室表征结果。相机显示出非常好的噪声（对于分箱模式的$0.4e^-$和$0.4-0.7e^-$）和暗电流值（$1.5e^-$）。我们测量了相机增益，并确定了对电源周期和帧速率的依赖性。最后，我们估计了这些增益变化在SOUL自适应光学系统中的影响。对SOUL性能的影响可以忽略不计。
2020-12-29 astro-ph.IM
Recovering pyramid WS gain in non-common path aberration correction mode via deformable lens
现在众所周知的是，基于金字塔的波前传感器一旦处于闭环中，就具有随着金字塔销上的参考自然星图像尺寸变得越来越小而越来越多地提高增益的能力。特别是在极端的自适应光学应用中，为了校正科学通道和感测通道之间的非公共路径像差，通常使用将一定量的偏移波前变形注入DM中，同时使金字塔偏离最佳工作条件。在本文中，我们详细说明的可能性，以纠正低阶非共路像差的金字塔波前传感器的水平，通过放置在光路上的自适应折射透镜之前的金字塔本身，允许减轻增益损失。
2018-08-02 astro-ph.IM
RISTRETTO: a comparative performance analysis of the unmodulated Pyramid wavefront sensor and the Zernike wavefront sensor
面向 RISTRETTO 对 XAO 波前传感的高灵敏度需求，本文在可见光至近红外多波长下比较三面、四面非调制 PWFS 与 ZWFS 的性能。
2024-09-06 astro-ph.IM
Nonlinear wavefront reconstruction from a pyramid sensor using neural networks
针对金字塔波前传感器固有的非线性导致线性重建器在大波前误差下性能下降的问题，提出用神经网络替代矩阵向量乘法控制，经SCExAO系统数据验证，神经网络在多调制半径和类大气波前场景下重建精度均优于线性重建器，有望提升自适应光学性能。
2023-11-05 astro-ph.IM
Fast modulation and dithering for the NFIRAOS Pyramid Wavefront Sensor
用于30米望远镜（TMT）的窄视场红光自适应光学系统（NFIRAOS）将使用自然导星（NGS）金字塔波前传感器（PWFS）。一个32毫米直径的快速转向镜（FSM）用于调制NGS图像在金字塔尖端周围的位置。反射镜在高达800 Hz（NFIRAOS的最大工作频率）的频率下描绘出圆形倾斜/倾斜图案，其直径选择为平衡灵敏度和动态范围。叠加1/4调制频率的圆形抖动图案，以便于光学增益测量。该运动的定时与PWFS探测器上的各个曝光精确同步，并且还必须与其他波前传感器（例如NFIRAOS客户端仪器的激光引导星型波前传感器（LGSWFS）和仪器上波前传感器（OIWFS）（取决于观察模式））相关联，以最大限度地减少延迟。在贸易研究期间，决定采用Physik Instrumente（PI）的压电致动器，该致动器使用单晶压电材料，因为更传统的多晶器件无法满足寿命、冲程和频率要求。此外，PI声称具有出色的稳定性和滞后性，类似的压电阶段，使传感器反馈不必要。为了表征该机制的性能，并验证它可以在开环中可接受地起作用，我们在测试台上使用激光器和高速位置传感装置（PSD）在室温和NFIRAOS的冷-30 C操作温度下操作该平台。我们还原型的软件和硬件触发策略，将用于同步FSM与NFIRAOS的其余部分。
2021-08-14 astro-ph.IM
Mitigating the Non-Linearities in a Pyramid Wavefront Sensor
本文针对金字塔波前传感器线性范围受限的问题，通过仿真探索用非线性机器学习模型估计波前误差，发现轻量级模型即可显著优于线性重建。
2023-12-02 astro-ph.IM physics.optics
Adapting the pyramid wavefront sensor for pupil fragmentation of the ELT class telescopes
下一代超大望远镜（直径24至39米）将面临所谓的“瞳孔碎片化”问题。由于其瞳孔形状的复杂性（分割，大蜘蛛......），在观察期间，在整个瞳孔的某个孤立部分之间可能出现一些差动活塞。虽然经典的AO系统将能够校正湍流效应，但它们将对这种特定的望远镜引起的扰动视而不见。因此，这种差分活塞，又名花瓣模式，将阻止达到望远镜的衍射极限，并最终将代表与ELT的AO辅助观测的主要限制。在这项工作中，我们分析了这些花瓣模式的空间结构，以及它如何影响金字塔波前传感器的能力，以感测它们。然后，我们提出了一个变化的经典金字塔的概念，以增加WFS的敏感性，这一特定的模式。然而，我们发现，一个单一的WFS不能准确地和同时测量湍流和花瓣模式。我们提出了一种双光路波前传感器方案来解决这个问题。我们表明，这样的计划，与空间滤波的残留湍流在第二WFS路径专用于花瓣模式传感，允许充分测量和校正湍流和碎片效应，并最终恢复未来ELT的全部能力和空间分辨率。
2022-09-19 astro-ph.IM
A Near-Infrared Pyramid Wavefront Sensor for the MMT
MMTO自适应光学系外行星表征系统（MAPS）是对亚利桑那州霍普金斯山6.5米MMT天文台的持续升级。MAPS包括一个升级的自适应次镜（ASM），升级的ARIES摄谱仪，以及一个新的AO系统，其中包含一个光学和近红外（NIR; 0.9-1.8 um）金字塔波前传感器（PyWFS）。近红外PyWFS将利用红外优化的双金字塔与SAPHIRA检测器耦合：低读取噪声电子雪崩光电二极管（eAPD）阵列。这个近红外PyWFS将通过允许使用更红的引导星（例如K & M矮星或银河平面中高度模糊的恒星）来提高MAPS的天空覆盖范围。到目前为止，定制设计的低温SAPHIRA相机已经得到充分的表征，可以在高雪崩增益下达到亚电子读取噪声。为了在交付天文台之前在闭环环境中测试相机的性能，设计并建造了一个AO测试台。除了测试SAPHIRA的性能外，该试验台还将用于测试和进一步开发MMTO的ASM的拟议空中校准程序。我们将报告我们的NIR PyWFS的预期性能改进，SAPHIRA在我们的测试平台上的闭环性能，以及我们的ASM校准程序的状态。
2022-12-13 astro-ph.IM
Three-sided pyramid wavefront sensor. II. Preliminary demonstration on the new CACTI testbed
下一代的巨型地面和太空望远镜将具有光收集能力，首次使用高对比度成像来探测和表征潜在的宜居类地系外行星。这只有在巨型分段镜望远镜（GSMTs）极端自适应光学（ExAO）系统的性能被优化到其全部潜力时才能实现。ExAO系统的关键部件是波前传感器（WFS），其测量来自大气湍流的像差。当前和下一代仪器的常见选择是金字塔波前传感器（PWFS）。ExAO系统需要波前的高空间和时间采样以优化性能，因此，需要用于WFS的大型检测器。我们提出了一个闭环试验台演示的三面金字塔波前传感器（3 PWFS）作为替代传统的四面金字塔波前（4PWFS）传感器的GSMT-ExAO应用的新的综合自适应光学和日冕测试仪器（CACTI）。3 PWFS对读取噪声的敏感度低于4PWFS，因为它使用较少的探测器像素。3 PWFS还有其他好处：高质量的三面棱锥光学元件比四面棱锥更容易制造。我们详细介绍了两个组成部分的CACTI系统，自适应光学模拟器和PWFS测试平台，包括一个3 PWFS和4PWFS的设计。在CACTI上进行了初步实验，研究了使用原始强度和斜率图信号处理方法在不同湍流强度下3 PWFS到4PWFS的性能。对于1.6 λ/D和3.25 λ/D的调制半径重复该实验。我们发现，两个波前传感器的性能是可比的，如果模态回路增益调谐。
2022-10-07 astro-ph.IM physics.optics
Design and development of a high-speed Visible Pyramid Wavefront Sensor for the MMT AO system
MAPS（MMT自适应光学系外行星表征系统）是对传统6.5米MMT自适应光学系统的升级。这是一个由NSF MSIP资助的项目，包括（i）MMT自适应次镜（ASM）的翻新，（ii）新的高灵敏度和高空间阶可见光和近红外金字塔波前传感器，以及（iii）亚利桑那红外成像仪和中阶梯光谱仪（ARIES）和MMT高精度成像偏振仪（MMTPol）科学相机的升级。本文将介绍可见光角锥波前传感器的设计与研制。该系统由采集相机、快速倾斜调制镜、双锥、光瞳成像三合透镜和低噪声高速帧频CCID75相机组成。我们将报告硬件和软件，并介绍各个子系统的实验室表征结果，并概述空中调试计划。
2020-12-23 astro-ph.IM physics.ins-det
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
Sensing and control of segmented mirrors with a pyramid wavefront sensor in the presence of spiders
望远镜瞳孔的分割（通过蜘蛛和分割的M4）在波前传感器（WFS）上创建了由蜘蛛宽度隔离的相位区域，打破了波前的空间连续性。金字塔WFS（PWFS）对差动活塞的差的灵敏度导致差的可见性并且因此导致不可控的差动活塞。在闭环操作中，段之间的差动活塞将稳定在平均感测波长的整数值附近。差动活塞的范围通常为传感波长的一到十倍，并随时间迅速变化，导致性能极差。此外，由大气湍流产生的像差将包含节段之间的大量差动活塞。去除每个DM段上的活塞贡献导致性能差。为了减少不必要的差分活塞的影响，由AO校正注入，我们比较了三种不同的方法。我们首先限制自己仅使用PWFS测量的信息，特别是通过减少调制。我们表明，合理地使用这些信息是重要的，但还不够。我们讨论了可能的改进方法，通过使用先验信息。第二种方法是基于DM命令的相位闭合，并假设校正波前在整个未分割瞳孔上的连续性。最后一种方法是基于成对从动的边缘执行器，并显示出最好的结果。我们比较这些方法的性能，使用现实的端到端的模拟。我们发现，成对的奴隶导致一个小的总波前误差的增加，只增加了20-45 nm RMS之间的正交看到0.45-0.85弧秒之间的条件。最后，我们讨论了结合不同的解决方案，以提高鲁棒性的可能性。
2018-09-24 astro-ph.IM
Expected performance of the Pyramid wavefront sensor with a laser guide star for 40 m class telescopes
本文研究了40米望远镜使用激光导星时Pyramid波前传感器的性能，提出新的离散化与光传播方法，发现由于扩展激光源尺寸导致灵敏度显著下降，不建议此类传感器与激光导星配合使用。
2024-03-15 astro-ph.IM
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
Fast, Nonlinear Phase Estimation with the Non-Modulated Pyramid Wavefront Sensor at Low Strehl Ratio
大多数使用金字塔波前传感器（PyWFS）来估计光瞳场的相位的自适应光学（AO）系统使用光束的机械调制，以便增加低阶模式中的动态范围，使得PyWFS可以有效地在低斯特列尔比下操作。这种方法的折衷是降低了灵敏度，这反过来又使得一旦回路闭合就难以获得高斯特列尔比。我们提出了一种算法，增加了动态范围的PyWFS没有调制。所提出的算法以两种方式实现这一点：1）它允许用任何期望的光学建模算法来处理PyWFS，以及2）它采用牛顿非线性优化方法来创建比相应的线性估计器更准确的估计器。数值模拟表明，对于大于约0.2的输入光束的Strehl比，非线性优化可以比相应的线性估计器对波前的相位进行更准确的估计。随着输入Strehl比的增加，非线性估计器相对于线性估计器的优势也增加。例如，当输入光束具有0.4的斯特列尔比时，（对应于约0.96弧度的相位的标准偏差），线性估计误差具有约0.65弧度的标准偏差，而非线性估计误差具有约0.27弧度的标准偏差（这仅微弱地取决于噪声水平，假设有足够的信号使PyWFS在线性状态下工作）。新算法可以在大规模并行模式下实现，因为所需的计算几乎没有相互依赖性。有人建议，所需的计算可以进行足够快的目的AO在现代计算机系统上。
2017-08-29 astro-ph.IM
A 5kHz modulator for pyramid wavefront sensors
Max Planck Institute for Astronomy（马克斯·普朗克天文学研究所）；European Southern Observatory（欧洲南方天文台）；Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG（物理仪器公司）
本文提出了一种基于剪切压电作动器的高频调制器，用于实现金字塔波前传感器的5kHz调制，通过测试验证了其稳定性和调制精度，适用于高对比度天文观测。
2026-03-16 astro-ph.IM
Current status of PAPYRUS : the pyramid based adaptive optics system at LAM/OHP
普罗旺斯自适应光学金字塔运行系统（PAPYRUS）是一个基于MEMS的自适应光学（AO）系统，将安装在上普罗旺斯天文台（OHP）1.52米望远镜（T152）的Coude焦点上。该项目由法国各地的博士生和博士后在工作人员的支持下开发，将现有的专业知识和硬件整合到研发测试平台中。这个测试平台使我们能够在天空中运行各种金字塔波前传感（WFS）控制算法，并对波前控制的新概念进行实验，并从该望远镜的大量可用夜晚中获得额外的好处。它还将作为OHP计划的AO暑期学校期间学生的教学工具。据我们所知，这是第一个基于教学的AO系统之一。PAPYRUS的关键部件是一个17x17驱动器Alpao可变形反射镜，一个Alpao RTC，一个非常低噪声的摄像头OCAM 2k和一个4面玻璃金字塔。PAPYRUS是一个简单的模块化系统，用于探索天空金字塔WFS波前控制。我们提出了一个概述PAPYRUS，描述的光学机械设计和项目的当前状态。
2021-10-19 astro-ph.IM
Performance comparison of the Shack-Hartmann and pyramid wavefront sensors with a laser guide star for 40 m telescopes
针对40米级望远镜激光导星自适应光学系统，研究扩展噪声模型对比两种波前传感器性能，发现单传感器配置下金字塔波前传感器更优，层析系统中二者性能接近，搭配亚电子读出噪声探测器时性能几乎一致。
2024-10-07 astro-ph.IM
Advances in control of a Pyramid Single Conjugate Adaptive Optics system
自适应光学系统是现代天文学地基望远镜的一项基本技术。在该领域的最新革命之一是金字塔波前传感器的引入。该装置的更高性能是以增加的控制复杂性为代价的。在这项工作中，我们报告的进展，在AO系统的控制与SOUL在大型双目望远镜。第一种是改进的尖端/尖端时间控制，即使在存在高时间频率共振的情况下也能够恢复标称校正。第二个是模态增益优化，已成功地在天空上的第一次。金字塔波前传感器是所有ELT的第一光AO系统的关键技术，所报道的进展可以为此类系统做出相关贡献。
2021-10-06 astro-ph.IM
A Holographic Diffuser Generalised Optical Differentiation Wavefront Sensor
当今世界上最大的望远镜所使用的波前传感器要么具有高动态范围，要么具有高灵敏度，并且它们受到这两个参数之间的线性权衡。已经设计了一种新型的波前传感器，即广义光学微分波前传感器，其方式不经历这种线性权衡，并且将动态范围与灵敏度解耦。这类新的WFSs是基于从专用振幅滤波器在焦平面中的滤光，该专用振幅滤波器是线性滤波器（其物理尺寸与动态范围相关）和振幅中的阶跃（其大小与灵敏度相关）之间的混合。我们在这里提出了一种可能的技术实现这种WFS，利用一个简单的全息漫射器，使一部分的光在一个金字塔波前传感器的引脚周围的环形。通过这种方式，非衍射光到达金字塔的销，有助于WFS的高灵敏度区域，而漫射光则对金字塔进行一种静态调制，即使在高湍流条件下也可以获得一些信号。全息漫射器零阶效率与WFS的灵敏度严格相关，而衍射光的漫射角给出调制量，从而给出动态范围。通过适当地选择这两个参数，可以以静态方式构建具有高灵敏度和高动态范围的WFS。在设置中引入动态部件允许具有一组不同的漫射器，如果视宁度条件的变化需要，这些漫射器可以在金字塔的前面交替。
2018-08-07 astro-ph.IM
Efficient, Nonlinear Phase Estimation with the Non-Modulated Pyramid Wavefront Sensor
金字塔波前传感器（PyWFS）的灵敏度使其成为天文自适应光学（AAO）系统的流行选择，并且当其在不调制输入光束的情况下使用时，其灵敏度最高。在非调制模式下，器件是高度非线性的。因此，当前AAO系统上的所有PyWFS实现都采用调制来使器件更加线性。即将到来的30米级望远镜时代以及对包括系外行星直接成像在内的科学目标所产生的超精确波前控制的需求使得使用PyWFS而无需调制是可取的。本文认为，基于牛顿非线性优化方法的非线性估计可以用于减轻非调制PyWFS中的非线性影响。所提出的方法需要所有的光学建模预先计算，这具有避免实时模拟光束传播的优点。此外，所需的实时计算适合于大规模并行计算。数值实验模拟了当前运行的PyWFS。奇异值分析表明，从四个PyWFS光瞳图像计算两个“斜率”图像的常见做法丢弃了关键信息，并且不适合这里模拟的非调制PyWFS。相反，本文主张使用不仅来自瞳孔的四个几何图像，而且来自周围像素的原始像素值的估计器。仿真结果表明，当输入光束的Strehl比大于0.3时，非线性估计可以是有效的，并且在较大的Strehl比下，相对于线性估计的改善趋于增加。在Strehl比小于约0.5时，非线性和线性估计器的性能对噪声相对不敏感，因为它们由非线性误差主导。
2018-04-02 astro-ph.IM
Using the Gerchberg-Saxton algorithm to reconstruct non-modulated pyramid wavefront sensor measurements
提出基于光传播互易性和Gerchberg-Saxton算法的非调制金字塔波前传感器信号反演新方法，大幅提升重建动态范围，并在SEAL平台验证其作为标准反演方法的有效性。
2023-09-25 astro-ph.IM
The Bright Pyramid Wavefront Sensor
极端的自适应光学（AO）对于实现地面高对比度成像仪器探测系外行星所需的对比度至关重要。将系外行星成像探测灵敏度推向更低质量、更近距离和更老的行星将需要升级AO波前传感器（WFS）以提高效率。特别地，未来的WFS设计将旨在改善WFS的测量误差（即，光子噪声、探测器噪声和/或天空背景限制WFS测量的波前水平）和线性度（即，在没有光子噪声、混叠和伺服滞后的情况下，AO环路可以关闭的波前水平以及相应的闭环残余水平）。我们提出了一个这样的设计在这里被称为明亮的金字塔WFS（bPWFS），它提高了线性度和测量误差相比，非调制的金字塔WFS（PWFS）。bPWFS是一种独特的设计，与其他WFS不同，它不会为了线性而牺牲测量误差，从而可能使该WFS能够（a）利用倾翻/倾斜调制镜（即，调制bPWFS;类似于用于常规调制PWFS的过程），以及（b）达到更深的闭环残余波前水平（即，改善线性度和测量误差）。后一种方法可能特别有益于使用bWFS作为第二级AO WFS来实现改进的AO性能。在本文中，我们将提出一个AO误差预算分析的非调制bPWFS以及支持AO测试台的结果从马赛天体物理实验室。
2021-07-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
Strategy for sensing petal mode in presence of AO residual turbulence with pyramid wavefront sensor
本文研究极大望远镜自适应光学中花瓣模式的测量问题，提出在未调制金字塔波前传感器尖端添加针孔空间滤波器以抑制大气残余干扰，并通过端到端仿真验证其作为花瓣测量仪的有效性。
2024-01-15 astro-ph.IM
Super-resolution wavefront reconstruction in adaptive-optics with pyramid sensors
本文提出并分析了在单传感器自然导星金字塔波前传感器中实现超分辨率波前重建的方法，证明其能超越探测器像素决定的Shannon-Nyquist频率并测量振幅像差，同时提升系统鲁棒性和性能。
2026-05-29 astro-ph.IM
Layer Oriented Wavefront sensor for MAD on Sky operations
多共轭自适应光学演示器（MAD）已成功地在天空中演示了星定向（SO）和层定向（LO）多共轭自适应光学技术。虽然SO已经实现了使用3夏克哈特曼波前传感器（WFS），我们设计了一个多金字塔WFS的LO。MAD工作台可容纳两个WFS和一个选择镜，允许选择使用哪种传感器。在LO方法中，多达8个金字塔可以放置在尽可能多的参考星上，并且它们的光在两个不同的CCD上光学地共同添加到地面和高层共轭。在本文中，我们讨论了LO调试阶段和天空操作。
2009-11-25 astro-ph.IM
SAXO+, the second-stage adaptive optics for SPHERE: NCPA compensation and dark-hole loop with a pyramid wavefront sensor
LIRA, Observatoire de Paris, Université PSL, Sorbonne Université, Université Paris Cité, CY Cergy Paris Université, CNRS（巴黎天文台，PSL大学，索邦大学，巴黎西岱大学，塞吉-蓬图瓦兹大学，法国国家科学研究中心）；Université Lyon 1, ENS de Lyon, CNRS, CRAL（里昂第一大学，里昂高等师范学校，法国国家科学研究中心）；Départment d’astronomie de l’Université de Genève（日内瓦大学天文学系）；MPIA, Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；INAF Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna（意大利国家天体物理研究所博洛尼亚空间天体物理与科学观测站）；Université Paris-Saclay, Institut d’Optique Graduate School, CNRS, Laboratoire Charles Fabry（巴黎萨克雷大学，光学研究生院，法国国家科学研究中心，夏尔·法布里实验室）；Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，行星与地球物理学研究所）；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）；Aix-Marseille Univ., 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，天体物理实验室）
研究针对VLT/SPHERE自适应光学系统的SAXO+升级，通过蒙特卡罗模拟估计NCPA误差预算，提出校准策略，将多数静态像差校正卸载到第一阶段可变形镜，验证了其光学质量，建立校准框架以实现有效NCPA补偿和波前控制。
2026-07-14 astro-ph.IM
No need to modulate: On-sky results of a Neural Network enhanced pyramid wavefront sensor and prospects for the ELTs
NOVA, Netherlands Research School for Astronomy（NOVA，荷兰天文学研究学校）；Leiden Observatory, Leiden University（莱顿天文台，莱顿大学）；Steward Observatory, University of Arizona（斯图尔德天文台，亚利桑那大学）；Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute（计算天体物理学中心，西蒙斯平研究所）；Subaru Telescope, National Astronomical Observatory of Japan（昴星团望远镜，日本国立天文台）；Astrobiology Center, National Institutes of Natural Sciences（天体生物学中心，自然科学研究院）；Wyant College of Optical Sciences, The University of Arizona（怀扬光学科学学院，亚利桑那大学）；Northrop Grumman Corporation（诺斯罗普·格鲁曼公司）；Draper Laboratory（德拉珀实验室）；Starfire Optical Range, Kirtland Air Force Base（星光光学靶场，柯克兰空军基地）
该研究实现了CNN重构的uPWFS，在MagAO-X上验证了其在轨校正效果，为未来极大望远镜的高对比度仪器提供了可行技术。
2026-08-26 astro-ph.IM
The Three-Sided PyramidWavefront Sensor. I. Simulations and Analysis for Astronomical Adaptive Optics
对于巨型分段镜望远镜（GSMTs）的ExAO仪器，正在考虑WFS的替代架构，因为在检测器尺寸、速度和噪声之间存在折衷，这降低了GSMT-ExAO波前控制的性能。GSMT-ExAO波前传感器考虑的一个选项是三面PWFS（3 PWFS）。与使用四个瞳孔的传统四边PWFS（4PWFS）相比，3 PWFS创建了三个望远镜瞳孔的副本用于波前传感。与4PWFS相比，3 PWFS使用较少的探测器像素，因此对读取噪声的敏感度较低。在这里，我们开发了一个数学形式主义的基础上的衍射理论描述的福柯刀口测试，预测的强度图案后，PWFS。我们的形式主义允许我们计算的强度在光瞳图像中形成的PWFS中存在的相位误差对应于任意傅立叶模式。然后，我们使用面向对象的MATLAB自适应光学工具箱（OOMAO）模拟端到端模型的自适应光学系统使用的PWFS调制和比较的性能的3 PWFS的4PWFS。在低读取噪声检测器的情况下，3 PWFS和4PWFS的斯特列尔比在0.01内。当我们在模拟中包括更高的读取噪声时，我们发现在恒星星等为10时，使用原始强度的3 PWFS的Strehl比增益为0.036，而使用斜率贴图的4PWFS为0.036。在相同幅度下，4PWFS RI也优于4PWFS SM，但增益仅为0.012 Strehl。这是重要的，因为使用斜率图的4PWFS是PWFS常规用于AO波前感测的方式。我们已经发现，3 PWF…
2021-09-14 astro-ph.IM
Non-common path aberration compensation and a dark hole loop with a pyramid adaptive optics system: Application to SAXO+
Observatoire de Paris, Université PSL, Université Paris Cité, Sorbonne Université, CNRS（巴黎天文台，巴黎文理研究大学，巴黎西岱大学，索邦大学，法国国家科学研究中心）
本文研究了SAXO+系统中非共路径像差补偿与暗孔循环对去除准静态斑点的影响，发现暗孔循环能显著降低残留恒星光。
2026-03-09 astro-ph.EP astro-ph.IM
The Giant Magellan Telescope high contrast adaptive optics phasing testbed (p-HCAT): lab tests of segment/petal phasing with a pyramid wavefront sensor and a holographic dispersed fringe sensor (HDFS) in turbulence
巨型麦哲伦望远镜（GMT）的设计由7个直径为8.4米的圆形镜段组成，它们之间有大于30厘米的间隙，这可能会导致光程差波动，这是由于弯曲、段振动、风抖振、温度效应和大气视宁度造成的。为了将GMT的全衍射极限孔径用于自然导星自适应光学（NGSAO）科学，七个反射镜段必须在波长的一小部分内同相。GMT的当前设计涉及七个自适应次镜、一个离轴色散条纹传感器（AGWS的一部分）和一个金字塔波前传感器（PyWFS; NGWS的一部分），以测量和校正段对之间的总路径长度，但这些方法尚未在实验室环境中进行“端到端”测试。我们提出了一个“GMT高对比度自适应光学相位测试床”（p-HCAT）的设计和工作原型，它利用现有的MagAO-X AO仪器来演示GMT NGSAO科学的段相位传感和同步AO控制。我们提出了第一个测试结果的闭环活塞控制与一个GMT段使用MagAO-X的PyWFS和一种新的全息色散条纹传感器（HDFS）与模拟大气湍流。我们表明，单独的PyWFS是不成功的控制段活塞产生的~ 0.6 arcsec和~ 1.2 arcsec看到湍流由于非线性模态串扰和穷人的像素采样的PyWFS检测器上的段间隙。我们报告了一种替代解决方案的成功，使用新的HDFS控制活塞，同时控制所有其他模式与PyWFS纯粹作为一个斜率传感器（活塞模式删除）。这种“第二通道”WFS方法在模拟的0.6角秒大气视宁度条件下，很好地将…
2022-06-09 astro-ph.IM
Uplink Pre-Compensation for Ground-to-Space Optical Communications Using Downlink Tomographic Reconstruction
针对星地光通信上行链路预补偿难题，提出利用下行链路波前传感器进行大气层析重建以估计上行波前误差的方法，仿真表明残余误差最多降低8.6倍，硬件简单，具有应用前景。
2025-09-10 astro-ph.IM physics.ins-det
SRAO: optical design and the dual-knife-edge WFS
南方机器人自适应光学（SRAO）仪器将把Robo-AO经过验证的高效率能力带到南半球，提供每年在整个天空中对数千个目标进行高角分辨率成像的独特能力。NGS-AO系统部署在位于Cerro Tololo的现代4.1米SOAR望远镜上，将使用一种创新的双刀口波前传感器，类似于金字塔传感器，能够在近红外衍射极限分辨率下引导目标V=16。双刀口波前传感器可以比定制玻璃金字塔便宜两个数量级，具有相似的波前误差灵敏度和最小的色差。SRAO能够通过自动化每晚观测数百个目标，从而确认和表征当前和未来任务产生的大量系外行星。
2016-08-01 astro-ph.IM
Making the unmodulated Pyramid wavefront sensor smart. Closed-loop demonstration of neural network wavefront reconstruction with MagAO-X
针对未调制金字塔波前传感器大像差下非线性响应的问题，提出基于卷积神经网络的非线性波前重建器，在MagAO-X系统闭环测试中动态范围、斯特列尔比、灵敏度均优于线性重建器，且支持1kHz以上环路速度。
2024-01-29 astro-ph.EP astro-ph.IM eess.IV
Contactless actuators and pyramid wavefront sensor, the SPLATT concept for space active optics: an overview of the project and the last laboratory results
SPLATT项目提出将非接触式音圈致动器与金字塔波前传感器协同用于空间主动光学，经实验室测试与数值仿真验证了振动抑制效果与亚纳米级灵敏度，为空间主动望远镜发展提供了新方案与后续路线。
2023-02-01 astro-ph.IM
The GPU-based High-order adaptive OpticS Testbench
本文介绍ESO的GHOST两级XAO测试台，用于评估机器学习等新控制方法，并通过空间光调制器注入仿真残差，结合492致动器变形镜和金字塔传感器进行校正，还支持翻转调制研究。
2024-11-08 astro-ph.IM
BRUTE, PSF Reconstruction for the SOUL pyramid-based Single Conjugate Adaptive Optics facility of the LBT
天文应用极大地受益于仪器PSF的知识。我们描述的PSF重建算法开发的LBT LUCI仪器的SOUL SCAO模块的协助下。重建过程只考虑同步波前传感器遥测数据和一些异步校准。我们不计算光学传递函数和相应的滤波器。相反，我们计算一个时间序列的波前映射，并为每个这些相应的瞬时PSF。我们测试了算法在实验室的安排，并在夜间不同的灵魂配置，使其适应指南星的星等和看到的条件。我们将其昵称为“BRUTE”，即使用TELEMPERATURE的盲重建，还回顾了该算法应用的一对一方法，一个斜率对一个瞬时PSF。
2022-09-07 astro-ph.IM
Prediction of wavefronts in adaptive optics to reduce servo lag errors using data mining
自适应光学中的伺服滞后误差导致波前畸变的不准确补偿。已经尝试预测未来的波前，使用数据挖掘的波前的最近的过去，以减少这些错误。蒙特卡罗模拟进行实验获得的数据，密切遵循柯尔莫哥洛夫相位特性。据报道，数据挖掘后，波前校正的6%的改善。数据挖掘分为三个步骤：（a）数据立方体分割（b）多项式插值和（c）波前估计。重要的是要优化段的大小，给出最佳的预测结果。最佳可预测未来的优化有助于选择合适的曝光时间。
2009-11-04 astro-ph.IM
Experimental Trials With The Optical Differentiation Wavefront Sensor For Extended Objects
通常使用的波前传感器，例如Shack Hartmann波前传感器和金字塔波前传感器，具有大的动态范围或高灵敏度，以一种状态交换另一种状态。一种新型的波前传感器正在开发中，目前正在亚利桑那大学天文自适应光学中心进行测试。该传感器建立在线性光学微分理论的基础上，通过在中间焦平面中使用线性的、空间变化的半波片。这些滤波器与偏振分束器一起将光束分成四个光瞳图像，类似于金字塔波前传感器产生的图像。然后从这些图像中包含的局部波前斜率信息重建波前。ODWFS非常适合扩展对象的波前传感，因为它的动态范围大，因为它在光瞳平面中工作，即使对于任意形状的源，也可以实现片上再现。我们已经组装的ODWFS上使用32 × 32平方1000致动器变形镜的试验台上引入像差到一个模拟的望远镜光束。我们目前正在测试系统的空间频率响应，并将所得数据与数值模拟进行比较。本文介绍了这些初步实验的结果。
2022-08-17 astro-ph.IM physics.optics
Hierarchichal-segmented AO in order to attain wide field compensation in the visible on an 8m class telescope
我们描述了初步优化布局的光学8米级VLT的2x2分段相机的部分优化的概念，其中每个通道是由一个等效的MCAO系统，其中地面层校正通常采用，而高海拔的是在开环方式进行协助。虽然我们得到的基本关系的视野和可达到的校正与预定义的硬件选择，我们讨论天空覆盖和波前传感问题，采用自然和人工参考，涉及最新的国家的最先进的波前传感的发展。我们表明，一个灵活的方法允许补偿的视场是可变的，可以适当调整匹配当前的湍流情况和要求的补偿质量。的整体光机包的初步描述，以及随着一个粗略的估计所需的努力，将这样一个概念转化为现实。
2018-08-01 astro-ph.IM
Nonlinear wavefront reconstruction with convolutional neural networks for Fourier-based wavefront sensors
基于傅立叶的波前传感器，例如金字塔波前传感器（PWFS），由于其高灵敏度而成为当前高对比度成像的首选。然而，这些波前传感器具有固有的非线性，其限制了常规线性重建方法可以用于精确估计入射波前像差的范围。我们建议使用卷积神经网络（CNN）的波前传感器测量的非线性重建。它表明，一个CNN可以用来准确地重建在模拟和实验室实现的非线性。我们表明，单独使用一个CNN的重建导致次优的闭环性能下模拟大气湍流。然而，它表明，使用CNN估计的线性模型的顶部上的非线性误差项的模拟自适应光学系统的有效动态范围的改善的结果。在非线性误差相关的条件下，较大的有效动态范围导致较高的Strehl比。这将使当前和未来一代的大型天文望远镜能够在更广泛的大气条件下工作，从而减少此类设施代价高昂的停机时间。
2020-05-21 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
Wavefront Phase Retrieval with Non-linear Curvature Sensors
越来越多的兴趣在天文应用中的非线性曲率波前传感器的湍流检测和校正，使得重要的是要了解如何最好地处理它们产生的数据，特别是在低光水平。本文提出并比较了四平面曲率波前传感器的波前相位恢复算法，以期在自适应光学和Lucky Imaging相结合的仪器中用于低阶相位补偿。迭代算法的收敛速度和质量进行了比较，他们的步长和技术的相位恢复在低光子计数进行了探讨。计算机模拟表明，在低光照水平下，通过将测量信号与高斯函数卷积进行预处理，可以将低阶误差的精确相位恢复所需的光子通量减少一个数量级。这有助于在具有非常微弱的参考星的大型望远镜上进行波前校正。
2012-11-28 astro-ph.IM
End-to-end simulations of a near-infrared pyramid sensor on Keck II
凯克II望远镜的自适应光学系统的未来升级将包括一个在近红外（J和H波段）工作的金字塔波前传感器。它将受益于最近开发的雪崩光电二极管阵列，特别是SAPHIRA（Selex）阵列，它提供了一个低噪声（$<$ 1 e-在高帧速率）。该系统将在单共轭自适应光学系统中与自然导星（NGS）一起工作，或者在激光导星（LGS）模式下工作。在这种情况下，金字塔将仅用作低阶传感器。我们报告的金字塔传感器的性能，通过端到端的模拟研究，适用于凯克的具体情况。在NGS模式下，我们给出了优化配置下的预期Strehl比，在LGS模式下，我们给出了低阶的预期残差。在后一种情况下，我们还比较金字塔的LIFT，焦平面传感器，证明LIFT的能力，提供约2个量级的增益为低阶传感。
2023-01-02 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
PASSATA - Object oriented numerical simulation software for adaptive optics
我们提出了最后一个版本的PyrAmid模拟器软件的自适应光学Arcetri（PASSATA），IDL和CUDA为基础的面向对象的软件开发的自适应光学组的Arcetri天文台蒙特卡洛端到端的自适应光学模拟。该软件的最初目的是评估一个单一的共轭自适应光学系统的地基望远镜与金字塔波前传感器的性能。经过几年的发展，目前的PASSATA版本能够模拟几种自适应光学系统：单共轭，多共轭和地面层，与夏克哈特曼和金字塔波前传感器。它可以模拟从8米到40米级的望远镜，在有限或无限距离的瞳孔衍射限制和解决的来源。该软件的主要优点是多功能性所提供的面向对象的方法和速度所提供的CUDA实现的计算要求最高的例程。我们描述了该软件的最新发展，并提出了一些应用实例。
2016-07-26 astro-ph.IM
The Holographic Dispersed Fringe Sensors (HDFS): phasing the Giant Magellan Telescope
下一代巨型分段镜望远镜（GSMT）的分段之间将有很大的间隙，这可能是由次镜（E-ELT和TMT）的机械结构的阴影造成的，也可能是设计本身造成的（GMT）。这些间隙足够大，可以将孔径分割成独立的片段，这些片段之间的间隔大于典型的Fried参数。这产生了活塞和花瓣模式，这些模式不能被诸如Shack-Hartmann波前传感器或金字塔波前传感器的常规波前传感器很好地感测。我们建议使用一种新的光学器件，全息色散条纹传感器（HDFS），感测和控制这些花瓣/活塞模式。HDFS使用单个光瞳平面全息图将片段干涉到焦平面中的不同空间位置上。数值模拟结果表明，HDFS是非常有效的，对于GMT/E-ELT/TMT，在J+H波段13星等以下的导星，HDFS的差分活塞均方根值小于10 nm。HDFS还在实验室中使用MagAO-X和HCAT（GMT定相测试平台）进行了验证。实验室实验在麦哲伦望远镜孔径上达到了5 nm rms的活塞误差。HDFS还达到了50 nm rms的活塞误差的分段GMT类孔径，而金字塔波前传感器补偿模拟大气下的中值视宁度条件。仿真和实验结果表明，HDFS作为一个优秀的活塞传感器的GMT。我们发现，一个金字塔的斜率传感器与HDFS活塞传感器的组合是一个强大的架构GMT。
2022-06-07 astro-ph.IM
An Ingot-like class of WaveFront Sensors for Laser Guide Stars
本文提出一类专为极大望远镜激光导星设计的锭晶波前传感器，通过将金字塔波前传感器扩展至有限距离伸长源情况，给出6瞳和3瞳方案并分析其几何特性与灵敏度优势。
2024-05-29 astro-ph.IM
Sparse aperture differential piston measurements using the pyramid wave-front sensor
本文报道了我们在上海天文台（SHAO）的实验室实验，研究了金字塔波前传感器（WFS）在稀疏孔径下测量差动活塞的能力。最终目标是验证金字塔WFS在闭环中工作的能力，以执行稀疏斐索成像望远镜的主镜的定相。在实验中，我们安装在光具座上，我们进行了各种测试，检查使用可变形反射镜平坦波前的能力，并在双瞳孔设置上测量差分活塞的信号。这些步骤代表了我们开始在多个孔径上执行全闭环操作的背景。这些步骤也适用于表征在SHAO光学车间制造的消色差双棱锥（双棱镜）。
2016-08-01 astro-ph.IM
Transformer neural networks for closed-loop adaptive optics using non-modulated pyramid wavefront sensors
本研究训练并比较了多种神经网络，发现Transformer（GCViT）在非调制金字塔波前传感器的闭环自适应光学中性能最佳，能扩展动态范围且不损失灵敏度，并在真实光学平台上验证了其有效性。
2024-05-09 astro-ph.IM physics.optics
