金字塔波前传感器

1、金字塔波前传感器 目录 1金字塔波前传感技术研究概况 2金字塔波前传感技术基本原理 3金字塔波前传感技术波前重构方法 4金字塔波前传感技术与哈特曼传感技术的比较 5金字塔波前传感的应用与总结 金字塔波前传感技术研究概况 1996.Ragazzoni首次提出金字塔波前传感（pyramid wavefront sensor）技 术的概念，并指出了其调制和无调制两种可能的工作模式； D.Peter.首个红外波段金字塔波前传感系统。与2001年应用于 Calar Alto 天文台的 3.5 米望远镜； 2003年，伽利略意大利国家望远镜的自适应光学系统 AdoptTNG运用 了金字塔波前传感技术； V

2、LT（very large telescope）和 E-Elt（European extremely large telescope） 中使用的layer-oriented 波前探测系统中使用了多组金字塔传感器对每 一层大气分别进行探测 金字塔波前传感技术研究概况 国内对于金字塔波前传感技术研究起步较晚，目前 处于理论分析和数值仿真阶段 上海天文台的陈欣扬等对四棱锥波前传感技术测量星光误 差、拼接镜检测进行了数值仿真； 中科院成都光电所对无调制四棱锥重构进行了研究，对无 调制四棱锥和两面锥波前传感技术进行了比较，研究了反 射式四棱锥的制造； 中科院长春光学精密机械与物理研究所张彦夫研究了金字

3、塔波前传感技术的不同工作模式和各种改进结构，并进行 了数值仿真。 金字塔波前传感技术基本原理 1.什么是金字塔波前传感器？什么是金字塔波前传感器？ 金字塔波前传感器是一种基于傅科刀口检验（Fourier knife- edge test ）的波前探测技术，使用一个玻璃金字塔进行分 光，根据物理光学原理，可通过采到的子图重构波前。 分光&滤波 金字塔波前传感技术基本原理 傅科刀口检验（傅科刀口检验（Fourier knife-edge test ） 基于刀口检验的波面重建技术主要是针对大口径长焦距镜 面在细磨粗抛阶段的光学检测难题而提出的 主要内容： 通过 CCD 采集多幅图像，进行一定的图像处

4、理，得到傅科 阴影图 ， 通过数学建模 、 原理推导 及软件编程将傅科阴 影图像的灰度变化转换成被检面形的波前等高图 。 特点： 准确直观地再现了被加工镜面的整体面形误差 ， 能够对细 磨粗抛阶段， 尤其是细磨改非球面阶段的镜面加工提供很 好的指导作用 金字塔波前传感技术基本原理 检测原理 y 轴表示刀口的位移量， z表示光轴， 理想波面为 ABC， 法线为 OB， 实际 波面为ABC， 法线为 BE 。 点光源放 在理想波面的焦点 O 处，O为点光源 经镜面反射后与理想焦面的交点 。 金字塔波前传感技术基本原理 2.金字塔波前传感基本原理 从物理光学解释，则是各个面上的光线正常透过，而面的两

5、 条棱上的光场发生衍射，其合成的光场自由传播并进过第二 面透镜聚焦，形成了 4 幅不同的图像。这四幅图像可以用来 计算相位信号并解算出入射波前。 考察入瞳面的一个小区域，其成像于金字塔棱镜的顶角，粗略认为该斑近似 为均匀光强的圆斑，半径设为r 。经过金字塔四个楔形棱镜的分光，落在焦 面上四象限内，传播到 CCD探测面，四个象限的光斑会分别成像于各个入瞳 像附近区域。 金字塔波前传感技术基本原理 0 0 ABCD r x ABCD ACBD r y ABCD )( )()( )( )()( DCBA CBDA S DCBA DCBA S y x 定义相位信号： 金字塔波前传感技术基本原理 调制模

6、式 Ragazzoni 提出，通过周期振动金字塔可以起到调制入射光 束的作用，这一调制过程相当于在原金字塔的基础上加入一 个周期透射函数，如果对合适的路径进行积分，可以获得较 大视场内的光波波前信息，这样可以起到扩大整个传感器动 态范围的功能R.Ragazzoni. Pupil plane wavefront sensing with an oscillating prism J.Journal of ModernOptics,1996,vol.43,289-293 两种调制路径两种调制路径 模式A: 在两个方向上匀速振动金字塔， 此时金字塔的移动路径将为一个 正方形。 模式B: 在两个方向上

7、按正弦则振动 金字塔，此时金字塔的移动 路径将为一个圆形 如果输入波像差较小，则随着调制半径的增加，混叠噪声 将会减小，并在空间谱低频部分趋近于零。理论上来说， 金字塔波前传感技术在空间谱低频部分几乎可以检测出全 部像差，而很少受到噪声影响，因此尤其适合地基望远镜 等以校正大气湍流为主的光学系统 随着调制半径的增加，金字塔波前传感系统的精度会有所 下降，但是校正速度提高明显。 金字塔波前传感技术的调制工作模式可以改变动态范围和 精度，对于像差较大的输入具有较好的适应性。 自主调节动态范围和精度 调制模式 在闭环校正系统中，一般情况下探测开始时为满足被测波前 相位较大的动态范围要求，采用振荡模式

8、，但此时的探测精 度不高；但随着不断校正波前的进程，波前的动态范围越来 越小，这时不断减小振荡幅值直至最终静止，以获得更高的 增益和Strehl比 实际典型的金字塔波前传感系统 PPM： Programmable Phase Modulator-可编程相位调制器 典型的金字塔波前传感系统 金字塔棱镜和透镜阵列的等效 Esposito,Riccardi. Pyramid wavefront Sensor behavior in partial correction Adaptive Optic systemsJ. Astronomy&Astrophysics, 2001, 369,L9-L12

9、金字塔棱镜加工工艺的限制 入射光经聚焦后到达透镜阵列的接合 处，当其加工理想时，相邻透镜阵列 的接缝等效为金字塔的棱，透镜边缘 起偏折分光作用，四片透镜的接合中 心处相当于金字塔的顶点。棱上发生 的衍射与狭缝衍射是一致的，所以这 一等效在理想的透镜参数下同样成立。 这一方法要求采用的透镜阵列具有合 适的焦距和子孔径，使得光路满足共 轭关系 Brian Bauman 提出，金字塔 棱镜和消色差镜相当于一个 22 的透镜阵列 典型的金字塔波前传感系统 普通透镜阵列和满足要求的透镜阵列 典型的金字塔波前传感系统 Diolaiti 根据最初的设计中消色差镜和四棱锥本身的特点， 提出可以采用双四棱锥代替

10、这两个器件 其实质是对两个折射率不同四棱锥的底面进行拼接，四棱锥 单个面上从几何光学来说，等效于一个光楔，光线通过时其 偏折与波长和光楔顶角有关。 典型的金字塔波前传感系统 通过选择合适的材料，就可以很大程度上消除色差，从而简 化光路，并减小总体像差 大底角四棱锥及其母模 两面锥光路 Korkiakoski 提出了使用两面锥代替金字塔棱镜 典型的金字塔波前传感系统 实质是对两个方向 的傅科刀口检验进 行分解 两面锥的加工较四 棱锥相对容易 但是这一技术存在 光路对准的问题， 尤其当平台存在随 机震颤时可能存 在不确定的误差 金字塔波前传感技术波前重构方法 四棱锥传感技术的波前重构过程，就是利用

11、相位信号与波 前畸变的关系，通过Sx、Sy解算波像差，以将其提供给波 前校正器进行像差的消除，最终达到改善光学系统像质接 近衍射极限的目的。 通常，波前重构包括模式法和区域法两种，都需要利用波 前斜率信息 区域法重构波前是利用子孔径相邻位置测量值对中心点相 位进行估计 模式法则是将整个待测区域展开到不同的像差模式上，利 用传感器的线性特性，求解个模式的系数并据此得到完整 的波像差展开式 金字塔波前传感技术波前重构方法 非 调 制 模 式 重 构 对 任 意 的 波 前 ( r, ) ， 在 圆 域 内 均 可 以 泽 尼 克 多 项 式 展 开， 记 为 其 中， a n 为 各 阶 泽 尼

12、克 多 项 式 的 系 数， Z n ( r, ) 为 第 n 阶 泽 尼 克 多 项 式 相 位 信 号 S x, S y 也 可 以 用 泽 尼 克 多 项 式 各 个 模 式 表 示： 金字塔波前传感技术波前重构方法 出于简便的考虑，将复杂的干涉和偏移项略去，则 单阶泽尼克多项式在此线性系统下得到的响应为： 此时 G 矩阵可以通过预先计算获得，实际处理中只需根 据储存的 G 矩阵和测得的相位信号计算系数向量。 计算系数向量的方法：最小二乘法、Gram-Schmidt 正交解法、直接积分法和奇异值分解算法 金字塔波前传感技术与哈特曼传感技术的比较 第一次采样 第二次采样 金字塔波前传感技术

13、与哈特曼传感技术的比较 H-S: 第一次采样在入瞳面， 第二次采样在焦面； Pryamid: 第一次采样在焦面， 第二次采样在出瞳面。 金字塔波前传感技术与哈特曼传感技术的比较 金字塔波面传感类似于将一个四象限传感器放置于 望远镜入瞳的焦平面上 金字塔波前传感技术与哈特曼传感技术的比较 哈特曼传感器可以同时测量两个方向的波前斜率，动态范 围较大，无 2 不定性问题，光能利用率高，能够适应各种 环境。 四棱锥传感器结构上与其具有一的相似性，继承了其结构 简单、运行速度快等优点 并且可自主调节动态范围和精度，还具有采样率高、光子 噪声和截断噪声影响较小等优点。 但是，金字塔棱镜的加工复杂，棱镜的棱

14、边和锥顶角 加工 精度要求高，如何检验也是有待深入研究的问题 视频 2001 年 Esposito 等人通过仿真 和实验研究 , 认为 四棱锥波前传感器可以被用 来检测拼接镜中的各 阶共相失调误差 。 2004 年他们 采用 基于四棱锥传感器的闭环控制 装置对威廉-赫歇尔望远镜自适应光学系统 N A O M I 的 76 单元拼接变形镜面进行 piston 、 tip 、 tilt 三个 自 由 度的 检 测与 控制 , 最终将面形共相 精度控制在 10 nm 以下 利用金字塔波前传感器检测光学拼接镜法向光程差利用金字塔波前传感器检测光学拼接镜法向光程差 应用及总结 Esposito 提出 检测信号和两个子镜单元之间的pi ston 误差