[論文レビュー] Adaptive optics with programmable Fourier-based wavefront sensors: a spatial light modulator approach to the LOOPS testbed

Pierre Janin-Potiron, Vincent Chambouleyron+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、焦点面上に空間光変調器（SLM）を搭載した、アップグレードされた適応光学テストベッドLOOPSを提示する。このSLMにより、フォーリエ基盤波面センサ（WFS）—特に4面ピラミッドWFSを含む—の動的でプログラマブルな位相マスクの生成が可能となり、リアルタイムかつ再設定可能なWFSのテストが可能となる。最初のクローズドループ結果は、実験的波面誤差とシミュレーション結果の間で優れた一致を示しており、平坦化されたピラミッドや多面体変種を含む、より高度なWFSの今後の開発に向けたシステムの妥当性を検証している。

ABSTRACT

Wavefront sensors encode phase information of an incoming wavefront into an intensity pattern that can be measured on a camera. Several kinds of wavefront sensors (WFS) are used in astronomical adaptive optics. Amongst them, Fourier-based wavefront sensors perform a filtering operation on the wavefront in the focal plane. The most well known example of a WFS of this kind is the Zernike wavefront sensor, and the pyramid wavefront sensor (PWFS) also belongs to this class. Based on this same principle, new WFSs can be proposed such as the n-faced pyramid (which ultimately becomes an axicone) or the flattened pyramid, depending on whether the image formation is incoherent or coherent. In order to test such novel concepts, the LOOPS adaptive optics testbed hosted at the Laboratoire d'Astrophysique de Marseille has been upgraded by adding a Spatial Light Modulator (SLM). This device, placed in a focal plane produces high-definition phase masks that mimic otherwise bulk optic devices. In this paper, we first present the optical design and upgrades made to the experimental setup of the LOOPS bench. Then, we focus on the generation of the phase masks with the SLM and the implications of having such a device in a focal plane. Finally, we present the first closed-loop results in either static or dynamic mode with different WFS applied on the SLM.

研究の動機と目的

• 適応光学分野における新規フォーリエ基盤波面センサ（WFS）の評価を可能にする、柔軟で再設定可能なテストベッドの開発を目的とする。
• 従来のWFSプロトタイプで見られる固定光学素子の制限を克服するため、空間光変調器（SLM）を用いて位相マスクをプログラマブルに置き換える。
• クローズドループ波面補正と数値シミュレーションとの比較を通じて、SLM基盤のWFS性能を検証することを目的とする。
• 今後の研究において、3面または平坦化されたピラミッドなどの新規WFS設計の感度、線形性、耐障害性を調査可能にする。
• SLMを用いた位相スクリーンにより、多様な大気乱流状態を模擬できるプラットフォームの構築を目的とする。

提案手法

• LOOPS適応光学テストベッドの焦点面上に空間光変調器（SLM）を統合し、高解像度で再設定可能な位相マスクを生成する。
• SLMが生成するWFS信号から波面再構成を行うためのスロープマップ計算手法を採用する。
• SLMに起因するアーチファクトや回折効果を低減するため、位相ラッピング補償および偏光制御技術を実装する。
• 9×9の可変ミラー（DM）とシャック・ハートマンWFSを用いて波面センシングと補正を実施し、Orca FlashカメラでWFS強度パターンを撮影する。
• 波面再構成の正確性を検証するため、Zernikeモード分解を用いたシステムキャリブレーションを実施する。
• システムの忠実度とSLMの挙動を検証するため、実験結果と完全な物理的シミュレーションを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間光変調器（SLM）を焦点面上に効果的に統合することで、ボリューム光学基盤のフォーリエ基盤波面センサを模倣することは可能か？
• RQ2 クローズドループ補正において、SLM基盤の波面センサ性能は、従来のガラス製ピラミッドWFSとどの程度一致するか？
• RQ3 SLMに起因する影響、例えば偏光、回折、位相ラッピングが、波面センシングの精度と信号品質に及ぼす影響はいかほどか？
• RQ4 SLMプラットフォームは、オープンループおよびクローズドループの両設定において、異なるフォーリエ基盤WFS設計（例：4面、3面、平坦化ピラミッド）の挙動を正確に再現できるか？
• RQ5 実験的波面誤差測定値は、同じテストベッド上で実施された数値シミュレーションとどの程度一致するか？

主な発見

• SLMにより、従来のガラス製ピラミッドに代わる4面ピラミッド波面センサ（PWFS）の実装が、位相マスクの生成を通じて成功裏に達成された。
• SLM基盤PWFSを用いたクローズドループ波面補正では、残留波面誤差が約10 nm RMSにまで低減され、シミュレーション結果と非常に近い一致を示した。
• オープンループおよびクローズドループモードにおける波面誤差の時間的変化は、数値シミュレーションと優れた一致を示し、システムの正確性が検証された。
• SLM基盤システムにより、0次回折効果から信号をずらすことで、重複するサブピクセルWFS構成（例：フラットピラミッド、Zernike WFS）の生成が可能となった。
• Zernikeモードを用いたキャリブレーションプロセスにより、波面再構成の正確性が確認され、最初の130個のZernikeモードにおいて、実験とシミュレーションの間で一貫性のある挙動が確認された。
• 適切なSLM設定と信号処理により、位相ラッピングや回折効果への耐性が確保され、信頼性の高い波面センシングが実現した。