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)制和無調(diào)制兩種可能的工作模式；D.Peter.首個紅外波段金字塔波前傳感系統(tǒng)。與2001年應(yīng)用于 Calar Alto 天文臺的 3.5 米望遠鏡；2003年，伽利略意大利國家望遠鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) AdoptTNG運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 波前探測系統(tǒng)中使用了多組金字塔傳感器對每一層大氣分別進行探測金字塔波前傳感技術(shù)研究概況國內(nèi)對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的陳欣揚等對四棱錐波前傳感技術(shù)測量星光誤差、拼接鏡檢測進行了數(shù)值仿真；中科院成都光電所對無調(diào)制四棱錐重構(gòu)進行了研究，對無調(diào)制四棱錐和兩面錐波前傳感技術(shù)進行了比較，研究了反射式四棱錐的制造；中科院長春光學(xué)精密機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結(jié)構(gòu)，并進行

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（Fourier knife-edge test ）的波前探測技術(shù)，使用一個玻璃金字塔進行分光，根據(jù)物理光學(xué)原理，可通過采到的子圖重構(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（傅科刀口檢驗（Fourier knife-edge test ）基于刀口檢驗的波面重建技術(shù)主要是針對大口徑長焦距鏡面在細磨粗拋階段的光學(xué)檢測難題而提出的主要內(nèi)容：通過 CCD 采集多幅圖像，進行一定的圖像處理，得到傅科陰影圖 ， 通過數(shù)學(xué)建模 、 原理推導(dǎo) 及軟件編程將傅科陰影圖像

4、的灰度變化轉(zhuǎn)換成被檢面形的波前等高圖 。特點：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)毮ゴ謷侂A段， 尤其是細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， 法線為 OB， 實際波面為ABC， 法線為 BE 。 點光源放在理想波面的焦點 O 處，O為點光源經(jīng)鏡面反射后與理想焦面的交點 。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，則是各個面上的光線正常透過，而面的兩條棱上的光場發(fā)生衍射，其合成的光場自由傳播并進過第二面透鏡聚焦，形成了 4 幅不同的圖像。這四幅圖像可以

5、用來計算相位信號并解算出入射波前?？疾烊胪娴囊粋€小區(qū)域，其成像于金字塔棱鏡的頂角，粗略認為該斑近似為均勻光強的圓斑，半徑設(shè)為r 。經(jīng)過金字塔四個楔形棱鏡的分光，落在焦面上四象限內(nèi)，傳播到 CCD探測面，四個象限的光斑會分別成像于各個入瞳像附近區(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：金字塔波前傳感技術(shù)基本原理調(diào)制模式Ragazzoni 提出，通過周期振動金字塔可以起到調(diào)制入射光束的作用，這一調(diào)制過程相當(dāng)于在原金字塔的基礎(chǔ)上加入一個周期透射函數(shù)，如果對合適的路徑進行積分，可以

6、獲得較大視場內(nèi)的光波波前信息，這樣可以起到擴大整個傳感器動態(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:在兩個方向上勻速振動金字塔，此時金字塔的移動路徑將為一個正方形。模式B:在兩個方向上按正弦則振動金字塔，此時金字塔的移動路徑將為一個圓形如果輸入波像差較小，則隨著調(diào)制半徑的增加，混疊噪聲將會減小，并在空間譜低頻部分趨近于零。理論上來說，金字塔波前傳感技術(shù)在空間譜低頻部分

7、幾乎可以檢測出全部像差，而很少受到噪聲影響，因此尤其適合地基望遠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態(tài)范圍和精度，對于像差較大的輸入具有較好的適應(yīng)性。自主調(diào)節(jié)動態(tài)范圍和精度調(diào)制模式在閉環(huán)校正系統(tǒng)中，一般情況下探測開始時為滿足被測波前相位較大的動態(tài)范圍要求，采用振蕩模式，但此時的探測精度不高；但隨著不斷校正波前的進程，波前的動態(tài)范圍越來越小，這時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 實際典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)PPM：Programmable Phase

8、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)聚焦后到達透鏡陣列的接合處，當(dāng)其加工理想時，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。棱上發(fā)生的衍射與狹縫衍射是一致的，所以這一等效在理想的透

9、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 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)計中消色差鏡和四棱錐本身的特點，提出可以采用雙四棱錐代替這兩個器件其實質(zhì)是對兩個折射率不同四棱錐的底面進行拼接，四棱錐單個面上從幾何光學(xué)來說，等效于一個光楔，光線通過時其偏折與波長和光楔頂角有關(guān)。典型的金字塔波前傳感系統(tǒng)通過選擇合適的材料，就可以很大程度上消除色差，從而簡化光路，并減小總體像差大底角四棱錐及其母模兩面錐光

10、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)實質(zhì)是對兩個方向的傅科刀口檢驗進行分解兩面錐的加工較四棱錐相對容易但是這一技術(shù)存在光路對準(zhǔn)的問題，尤其當(dāng)平臺存在隨機震顫時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)過程，就是利用相位信號與波前畸變的關(guān)系，通過Sx、Sy解算波像差，以將其提供給波前校正器進行像差的消除，最終達到改善光學(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量值對中心點相位進行估計模式法則是將整個待測區(qū)域展開到不同的像差模式上，利用傳感

11、器的線性特性，求解個模式的系數(shù)并據(jù)此得到完整的波像差展開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)對任意的波前(r,)，在圓域內(nèi)均可以澤尼克多項式展開，記為其中，an為各階澤尼克多項式的系數(shù)，Zn(r, )為第 n 階澤尼克多項式相位信號Sx,Sy也可以用澤尼克多項式各個模式表示：金字塔波前傳感技術(shù)波前重構(gòu)方法出于簡便的考慮，將復(fù)雜的干涉和偏移項略去，則單階澤尼克多項式在此線性系統(tǒng)下得到的響應(yīng)為：此時G 矩陣可以通過預(yù)先計算獲得，實際處理中只需根據(jù)儲存的 G 矩陣和測得的相位信號計算系數(shù)向量。計算系數(shù)向量的方法：最小二乘法、Gram-Schmidt 正交解法、直接積分法和奇異值分解算法金字

12、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)鞲蓄愃朴趯⒁粋€四象限傳感器放置于望遠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測量兩個方向的波前斜率，動態(tài)范圍較大，無 2 不定性問題，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)簡單、運行速度快等優(yōu)點并且可自主調(diào)節(jié)動態(tài)范圍和精度，還具有采樣率高、光子噪聲和截斷噪聲影響較小等優(yōu)點

13、。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，如何檢驗也是有待深入研究的問題視頻2001 年 Esposito 等人通過仿真 和實驗研究 , 認為四棱錐波前傳感器可以被用 來檢測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)控制裝置對威廉-赫歇爾望遠鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) N A O M I 的 76 單元拼接變形鏡面進行 piston 、 tip 、 tilt 三個 自 由 度的 檢 測與 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光學(xué)拼接鏡法向光程差利用金字塔波前傳感器檢測光學(xué)拼接鏡法向光程差應(yīng)用及總結(jié)Esposito 提出 檢測信號和兩個子鏡單元之間的pi ston 誤差存