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；VLT（very large

2、 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塔波前传感技术的不同工作模式和各种改进结构，并进行

3、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

4、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

5、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 00ABCD rxABCDACBD ryABCD)()()()()()(DCBACBDASDCBADCBASyx定义相位信号：金字塔波前传感技术基本原理调制模式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

6、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

7、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，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

8、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

9、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

10、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

11、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，an为各阶泽尼克多项式的系数，Zn(r, )为第 n 阶泽尼克多项式相位信号Sx,Sy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

12、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

13、。但是，金字塔棱镜的加工复杂，棱镜的棱边和锥顶角 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 误差存