[論文レビュー] INGOT Wavefront Sensor: from the optical design to a preliminary laboratory test

Simone Di Filippo, Davide Greggio+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、90 kmの高度に位置する10 km厚のナトリウム層によって引き起こされる、延長された形状をとる極大型望遠鏡（ELT）レーザー・ガイド星（LGS）を対象とした、反射プリズムを用いた新しい波面センサであるINGOT波面センサ（I-WFS）を提示する。屋根型プリズムを用いてLGS像を3つの再像形成されたピントに分割することで、波面勾配の高感度測定が可能となり、スケールドされたラボ実験ベンチとLOOPS施設におけるクローズドループアダプティブオプティクステストにより、成功裏に検証された。これにより、さまざまな源の延長条件においても、頑健な性能を示した。

ABSTRACT

The Ingot wavefront sensor is a novel pupil-plane wavefront sensor, specifically designed to cope with the elongation typical of the extended nature of the Laser Guide Star (LGS). In the framework of the ELT, we propose an optical solution suitable for a Laser launch telescope, located outside the telescope pupil. In this paper, we present the current optical design, based on a reflective roof-shaped prism, which, at the level of the focal plane, splits the light from an LGS producing three beams. The three images of the telescope pupils can be then used for the retrieval of the first derivative of the wavefront. The 3D nature of such a device requires new alignment techniques to be determined theoretically and verified in the real world. A possible fully automated procedure, relying solely on the illumination observed at the three pupils, to align the prism to the image of the LGS is discussed. Careful attention needs to be put both on the telecentricity of the system and on the reference systems of the Ingot adjustments in the 3D space. This is crucial in order to disentangle all the possible misalignment effects. In this context, we devised a test-bench able to reproduce, in a scaled manner, the 3D illumination that the Ingot will face at the ELT, in order to validate the design and to perform preliminary tests of phase retrieval.

研究の動機と目的

• 90 kmの高度に位置する10 km厚のナトリウム層によって引き起こされる、延長された形状をとるレーザー・ガイド星（LGS）の波面センシングの課題に対処すること。
• LGSの幾何学的形状に適合する光学的ソリューションを開発し、波面センシングにおける信号対雑音比を向上させること。
• 3次元対応の反射屋根型プリズムを設計し、1つのLGS光源から3つの明確に分離されたピント像を形成することで、勾配測定を可能とすること。
• 3次元プリズムシステムのアライメント手順を確立し、テレセントリックで多軸調整空間における誤差の分離を可能とすること。
• スケールドラボ実験ベンチと現実の乱流および延長条件を再現したクローズドループアダプティブオプティクス実験を通じて、I-WFS設計の検証を行うこと。

提案手法

• LGS焦点面に配置された反射屋根型プリズム（Ingot-3）を用い、拡張光源を3つのビームに分割し、それぞれが再像形成ピントを形成する。
• F=200 mmのレンズとD=25 mmの開口部を備えたテレセントリック光学系を設計し、1:1の倍率を再現し、均一な照明を確保する。
• 3次元空間におけるプリズムの誤差（傾き、シフト）をモデル化するためのレイトレーシングシミュレータを実装し、プリズムのアライメント手順を支援する。
• LOOPS AOテストベンチで空間光変調素子（SLM）を用い、LGSの異なるサブアパーチャーからの投影を表す位相マスクを模擬する。
• 大気乱流を模擬するための動的ゼルニケモードの摂動（65モード）を適用し、オープンループおよびクローズドループ構成での残存波面誤差を測定する。
• LGSの異なる望遠鏡サブアパーチャーから見た異なる縦横比（1:1、1:15、1:30）を再現するための3つの異なる位相マスクを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナトリウム層の拡張によって引き起こされるLGSの延長形状に最適化された波面センサは、どのように設計できるか？
• RQ2 反射プリズムを用いて、1つのLGS光源から非重複な3つのピント像を効率的に再像形成するための光学的設計は何か？
• RQ3 テレセントリックで多軸調整可能なシステムにおいて、3次元反射プリズムのアライメントを自動化し、誤差の影響を分離するにはどうすればよいか？
• RQ4 I-WFSは、LGSの延長度および大気乱流の程度が変化する条件下でも、波面センシングの正確性をどの程度維持できるか？
• RQ5 I-WFSは、現実的な動的摂動を伴う状況下でも、安定的かつ低残存波面誤差を達成できるか？

主な発見

• INGOT-3波面センサは、反射屋根型プリズムを用いてLGS像を3つの重複のないピント像に効果的に分割し、レイトレーシングシミュレーションによる3次元アライメント手順の検証に成功した。
• ラボ実験ベンチは1:1の倍率とテレセントリシティを達成し、ELTで予想される3次元照明条件を正確に再現した。
• 本システムは、3つのLGS延長状態（縦横比1:1、1:15、1:30）において、拡張光源に対する従来のSH-WFSと比較して信号対雑音比の向上が測定された、頑健な波面センシング性能を示した。
• LOOPSベンチでのクローズドループ操作では、要件を満たす残存波面誤差（WFE）レベルが達成され、65モードのゼルニケ乱流を伴う動的条件下でもシステムの安定性が確認された。
• 3次元空間における傾きおよびシフト誤差の分離に成功した、観測されたピント照明パターンのみに基づくアライメント手順は、完全な自動アライメントを可能とした。
• 位相マスクのシミュレーションにより、I-WFSの応答がサブアパーチャーの位置に依存することを確認し、本システムは実際のELT幾何形状に一致する3つの異なるマスク設定により、これを補正している。