金字塔波前傳感器

1、金字塔波前傳感器目錄1金字塔波前傳感技術(shù)研究概況2金字塔波前傳感技術(shù)基本原理3金字塔波前傳感技術(shù)波前重構(gòu)方法4金字塔波前傳感技術(shù)與哈特曼傳感技術(shù)的比較5金字塔波前傳感的應(yīng)用與總結(jié)金字塔波前傳感技術(shù)研究概況1996.Ragazzoni首次提出金字塔波前傳感（pyramid wavefront sensor）技術(shù)的概念，并指出了其調(diào)制和無(wú)調(diào)制兩種可能的工作模式；D.Peter.首個(gè)紅外波段金字塔波前傳感系統(tǒng)。與2001年應(yīng)用于 Calar Alto 天文臺(tái)的 3.5 米望遠(yuǎn)鏡；2003年，伽利略意大利國(guó)家望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) AdoptTNG運(yùn)用了金字塔波前傳感技術(shù)；VLT（very large

2、 telescope）和 E-Elt（European extremely large telescope）中使用的layer-oriented 波前探測(cè)系統(tǒng)中使用了多組金字塔傳感器對(duì)每一層大氣分別進(jìn)行探測(cè)金字塔波前傳感技術(shù)研究概況國(guó)內(nèi)對(duì)于金字塔波前傳感技術(shù)研究起步較晚，目前處于理論分析和數(shù)值仿真階段上海天文臺(tái)的陳欣揚(yáng)等對(duì)四棱錐波前傳感技術(shù)測(cè)量星光誤差、拼接鏡檢測(cè)進(jìn)行了數(shù)值仿真；中科院成都光電所對(duì)無(wú)調(diào)制四棱錐重構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)無(wú)調(diào)制四棱錐和兩面錐波前傳感技術(shù)進(jìn)行了比較，研究了反射式四棱錐的制造；中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所張彥夫研究了金字塔波前傳感技術(shù)的不同工作模式和各種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行

3、了數(shù)值仿真。金字塔波前傳感技術(shù)基本原理1.什么是金字塔波前傳感器？什么是金字塔波前傳感器？金字塔波前傳感器是一種基于傅科刀口檢驗(yàn)（Fourier knife-edge test ）的波前探測(cè)技術(shù)，使用一個(gè)玻璃金字塔進(jìn)行分光，根據(jù)物理光學(xué)原理，可通過(guò)采到的子圖重構(gòu)波前。分光&濾波金字塔波前傳感技術(shù)基本原理傅科刀口檢驗(yàn)（傅科刀口檢驗(yàn)（Fourier knife-edge test ）基于刀口檢驗(yàn)的波面重建技術(shù)主要是針對(duì)大口徑長(zhǎng)焦距鏡面在細(xì)磨粗拋階段的光學(xué)檢測(cè)難題而提出的主要內(nèi)容：通過(guò) CCD 采集多幅圖像，進(jìn)行一定的圖像處理，得到傅科陰影圖 ， 通過(guò)數(shù)學(xué)建模 、 原理推導(dǎo) 及軟件編程將傅科

4、陰影圖像的灰度變化轉(zhuǎn)換成被檢面形的波前等高圖 。特點(diǎn)：準(zhǔn)確直觀地再現(xiàn)了被加工鏡面的整體面形誤差 ， 能夠?qū)?xì)磨粗拋階段， 尤其是細(xì)磨改非球面階段的鏡面加工提供很好的指導(dǎo)作用金字塔波前傳感技術(shù)基本原理檢測(cè)原理 y 軸表示刀口的位移量， z表示光軸， 理想波面為 ABC， 法線(xiàn)為 OB， 實(shí)際波面為ABC， 法線(xiàn)為 BE 。 點(diǎn)光源放在理想波面的焦點(diǎn) O 處，O為點(diǎn)光源經(jīng)鏡面反射后與理想焦面的交點(diǎn) 。金字塔波前傳感技術(shù)基本原理2.金字塔波前傳感基本原理從物理光學(xué)解釋?zhuān)瑒t是各個(gè)面上的光線(xiàn)正常透過(guò)，而面的兩條棱上的光場(chǎng)發(fā)生衍射，其合成的光場(chǎng)自由傳播并進(jìn)過(guò)第二面透鏡聚焦，形成了 4 幅不同的圖像。這四幅

5、圖像可以用來(lái)計(jì)算相位信號(hào)并解算出入射波前。考察入瞳面的一個(gè)小區(qū)域，其成像于金字塔棱鏡的頂角，粗略認(rèn)為該斑近似為均勻光強(qiáng)的圓斑，半徑設(shè)為r 。經(jīng)過(guò)金字塔四個(gè)楔形棱鏡的分光，落在焦面上四象限內(nèi)，傳播到 CCD探測(cè)面，四個(gè)象限的光斑會(huì)分別成像于各個(gè)入瞳像附近區(qū)域。 金字塔波前傳感技術(shù)基本原理 00ABCD rxABCDACBD ryABCD)()()()()()(DCBACBDASDCBADCBASyx定義相位信號(hào)：金字塔波前傳感技術(shù)基本原理調(diào)制模式Ragazzoni 提出，通過(guò)周期振動(dòng)金字塔可以起到調(diào)制入射光束的作用，這一調(diào)制過(guò)程相當(dāng)于在原金字塔的基礎(chǔ)上加入一個(gè)周期透射函數(shù)，如果對(duì)合適的路徑進(jìn)行積

6、分，可以獲得較大視場(chǎng)內(nèi)的光波波前信息，這樣可以起到擴(kuò)大整個(gè)傳感器動(dòng)態(tài)范圍的功能R.Ragazzoni. Pupil plane wavefront sensing with an oscillating prism J.Journal of ModernOptics,1996,vol.43,289-293兩種調(diào)制路徑兩種調(diào)制路徑模式A:在兩個(gè)方向上勻速振動(dòng)金字塔，此時(shí)金字塔的移動(dòng)路徑將為一個(gè)正方形。模式B:在兩個(gè)方向上按正弦則振動(dòng)金字塔，此時(shí)金字塔的移動(dòng)路徑將為一個(gè)圓形如果輸入波像差較小，則隨著調(diào)制半徑的增加，混疊噪聲將會(huì)減小，并在空間譜低頻部分趨近于零。理論上來(lái)說(shuō)，金字塔波前傳感技術(shù)在空間譜

7、低頻部分幾乎可以檢測(cè)出全部像差，而很少受到噪聲影響，因此尤其適合地基望遠(yuǎn)鏡等以校正大氣湍流為主的光學(xué)系統(tǒng)隨著調(diào)制半徑的增加，金字塔波前傳感系統(tǒng)的精度會(huì)有所下降，但是校正速度提高明顯。金字塔波前傳感技術(shù)的調(diào)制工作模式可以改變動(dòng)態(tài)范圍和精度，對(duì)于像差較大的輸入具有較好的適應(yīng)性。自主調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍和精度調(diào)制模式在閉環(huán)校正系統(tǒng)中，一般情況下探測(cè)開(kāi)始時(shí)為滿(mǎn)足被測(cè)波前相位較大的動(dòng)態(tài)范圍要求，采用振蕩模式，但此時(shí)的探測(cè)精度不高；但隨著不斷校正波前的進(jìn)程，波前的動(dòng)態(tài)范圍越來(lái)越小，這時(shí)不斷減小振蕩幅值直至最終靜止，以獲得更高的增益和Strehl比 實(shí)際典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)PPM：Programmable Ph

8、ase Modulator-可編程相位調(diào)制器 典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)金字塔棱鏡和透鏡陣列的等效Esposito,Riccardi. Pyramid wavefront Sensor behavior in partial correction Adaptive Optic systemsJ. Astronomy&Astrophysics, 2001, 369,L9-L12金字塔棱鏡加工工藝的限制入射光經(jīng)聚焦后到達(dá)透鏡陣列的接合處，當(dāng)其加工理想時(shí)，相鄰?fù)哥R陣列的接縫等效為金字塔的棱，透鏡邊緣起偏折分光作用，四片透鏡的接合中心處相當(dāng)于金字塔的頂點(diǎn)。棱上發(fā)生的衍射與狹縫衍射是一致的，所以這

9、一等效在理想的透鏡參數(shù)下同樣成立。這一方法要求采用的透鏡陣列具有合適的焦距和子孔徑，使得光路滿(mǎn)足共軛關(guān)系Brian Bauman 提出，金字塔棱鏡和消色差鏡相當(dāng)于一個(gè) 22 的透鏡陣列典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)普通透鏡陣列和滿(mǎn)足要求的透鏡陣列典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)Diolaiti 根據(jù)最初的設(shè)計(jì)中消色差鏡和四棱錐本身的特點(diǎn)，提出可以采用雙四棱錐代替這兩個(gè)器件其實(shí)質(zhì)是對(duì)兩個(gè)折射率不同四棱錐的底面進(jìn)行拼接，四棱錐單個(gè)面上從幾何光學(xué)來(lái)說(shuō)，等效于一個(gè)光楔，光線(xiàn)通過(guò)時(shí)其偏折與波長(zhǎng)和光楔頂角有關(guān)。典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)通過(guò)選擇合適的材料，就可以很大程度上消除色差，從而簡(jiǎn)化光路，并減小總體像差大底角四棱錐

10、及其母模兩面錐光路Korkiakoski 提出了使用兩面錐代替金字塔棱鏡典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是對(duì)兩個(gè)方向的傅科刀口檢驗(yàn)進(jìn)行分解兩面錐的加工較四棱錐相對(duì)容易但是這一技術(shù)存在光路對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，尤其當(dāng)平臺(tái)存在隨機(jī)震顫時(shí)可能存在不確定的誤差金字塔波前傳感技術(shù)波前重構(gòu)方法四棱錐傳感技術(shù)的波前重構(gòu)過(guò)程，就是利用相位信號(hào)與波前畸變的關(guān)系，通過(guò)Sx、Sy解算波像差，以將其提供給波前校正器進(jìn)行像差的消除，最終達(dá)到改善光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)接近衍射極限的目的。通常，波前重構(gòu)包括模式法和區(qū)域法兩種，都需要利用波前斜率信息區(qū)域法重構(gòu)波前是利用子孔徑相鄰位置測(cè)量值對(duì)中心點(diǎn)相位進(jìn)行估計(jì)模式法則是將整個(gè)待測(cè)區(qū)域展開(kāi)到不同的像差

11、模式上，利用傳感器的線(xiàn)性特性，求解個(gè)模式的系數(shù)并據(jù)此得到完整的波像差展開(kāi)式金字塔波前傳感技術(shù)波前重構(gòu)方法非調(diào)制模式重構(gòu)對(duì)任意的波前(r,)，在圓域內(nèi)均可以澤尼克多項(xiàng)式展開(kāi)，記為其中，an為各階澤尼克多項(xiàng)式的系數(shù)，Zn(r, )為第 n 階澤尼克多項(xiàng)式相位信號(hào)Sx,Sy也可以用澤尼克多項(xiàng)式各個(gè)模式表示：金字塔波前傳感技術(shù)波前重構(gòu)方法出于簡(jiǎn)便的考慮，將復(fù)雜的干涉和偏移項(xiàng)略去，則單階澤尼克多項(xiàng)式在此線(xiàn)性系統(tǒng)下得到的響應(yīng)為：此時(shí)G 矩陣可以通過(guò)預(yù)先計(jì)算獲得，實(shí)際處理中只需根據(jù)儲(chǔ)存的 G 矩陣和測(cè)得的相位信號(hào)計(jì)算系數(shù)向量。計(jì)算系數(shù)向量的方法：最小二乘法、Gram-Schmidt 正交解法、直接積分法和奇

12、異值分解算法金字塔波前傳感技術(shù)與哈特曼傳感技術(shù)的比較第一次采樣第二次采樣金字塔波前傳感技術(shù)與哈特曼傳感技術(shù)的比較H-S:第一次采樣在入瞳面，第二次采樣在焦面；Pryamid:第一次采樣在焦面，第二次采樣在出瞳面。金字塔波前傳感技術(shù)與哈特曼傳感技術(shù)的比較金字塔波面?zhèn)鞲蓄?lèi)似于將一個(gè)四象限傳感器放置于望遠(yuǎn)鏡入瞳的焦平面上金字塔波前傳感技術(shù)與哈特曼傳感技術(shù)的比較哈特曼傳感器可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的波前斜率，動(dòng)態(tài)范圍較大，無(wú) 2 不定性問(wèn)題，光能利用率高，能夠適應(yīng)各種環(huán)境。四棱錐傳感器結(jié)構(gòu)上與其具有一的相似性，繼承了其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)并且可自主調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍和精度，還具有采樣率高、光子噪聲和截?cái)嘣?/p>

13、聲影響較小等優(yōu)點(diǎn)。但是，金字塔棱鏡的加工復(fù)雜，棱鏡的棱邊和錐頂角 加工精度要求高，如何檢驗(yàn)也是有待深入研究的問(wèn)題視頻2001 年 Esposito 等人通過(guò)仿真 和實(shí)驗(yàn)研究 , 認(rèn)為四棱錐波前傳感器可以被用 來(lái)檢測(cè)拼接鏡中的各階共相失調(diào)誤差 。 2004 年他們 采用 基于四棱錐傳感器的閉環(huán)控制裝置對(duì)威廉-赫歇爾望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) N A O M I 的 76 單元拼接變形鏡面進(jìn)行 piston 、 tip 、 tilt 三個(gè) 自 由 度的 檢 測(cè)與 控制 , 最終將面形共相精度控制在 10 nm 以下利用金字塔波前傳感器檢測(cè)光學(xué)拼接鏡法向光程差利用金字塔波前傳感器檢測(cè)光學(xué)拼接鏡法向光程差應(yīng)用及總結(jié)Esposito 提出 檢測(cè)信號(hào)和兩個(gè)子鏡單元之間的pi ston 誤差存