[论文解读] Apodized phase mask coronagraphs for arbitrary apertures. II. Comprehensive review of solutions for the vortex coronagraph

Alexis Carlotti, Laurent Pueyo+1 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Apr 10, 2014

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 26被引用 15

一句话总结

本文提出了一种用于设计啁啾相位掩模日冕仪的二维数值优化框架，可在具有中心遮挡和桁架的轴向望远镜中恢复高对比度成像性能。通过将非圆形孔径结构的影响纳入涡旋日冕仪的设计，该方法实现了内工作角（IWA）为0.9–3.2 λ/D，且对于电荷4涡旋日冕仪的透过率最高达65 %，显著优于真实望远镜孔径中标准涡旋日冕仪的性能。

ABSTRACT

With a clear circular aperture, the vortex coronagraph perfectly cancels an on-axis point source and offers a 0.9 or 1.75 lambda/D inner working angle for topological charge 2 or 4, respectively. Current and near-future large telescopes are on-axis, however, and the diffraction effects of the central obscuration, and the secondary supports are strong enough to prevent the detection of companions 1e-3 - 1e-5 as bright as, or fainter than, their host star. Recent advances show that a ring apodizer can restore the performance of this coronagraph by compensating for the diffraction effects of a circular central obscuration in a 1D modeling of the pupil. We extend this work and optimize apodizers for arbitrary apertures in 2D in order to tackle the diffraction effects of the spiders and other noncircular artefacts in the pupil. We use a numerical optimization scheme to compute hybrid coronagraph designs that combine the advantages of the vortex coronagraph (small in IWA) and of shaped pupils coronagraphs (robustness to central obscuration and pupil asymmetric structures). We maximize the apodizer transmission, while constraints are set on the extremum values of the electric field that is computed in chosen regions of the Lyot plane through closed form expressions. Optimal apodizers are computed for topological charges 2 and 4 vortex coronagraphs and for telescope apertures with 10-30% central obscurations and 0-1% thick spiders. We characterize the impacts of the obscuration ratio and the thickness of the spiders on the throughput and the IWA for the two topological charges.

研究动机与目标

• 解决轴向望远镜中因中心遮挡和桁架导致的高对比度成像性能退化问题。
• 将一维环形孔径调制器解扩展至二维，适用于任意非圆形孔径，包括桁架和遮挡。
• 设计最优孔径调制器，结合涡旋日冕仪的小内工作角与形状孔径日冕仪的鲁棒性。
• 量化遮挡比和桁架厚度对透过率和内工作角（IWA）的影响。
• 提供一种数值优化框架，以在约束利奥特平面电场极值的前提下最大化孔径调制器的透过率。

提出的方法

• 开发了一种数值优化方案，用于计算任意孔径的孔径调制器，包含中心遮挡和桁架在内的二维孔径几何结构。
• 该方法使用利奥特平面上电场极值的闭式表达式，以约束偶数拓扑电荷（l = 2, 4）的性能。
• 优化过程在最大化孔径调制器透过率的同时，对利奥特平面上指定区域的电场强度施加限制。
• 针对拓扑电荷 l = 2 和 l = 4 进行求解，遮挡比为10–30 %，桁架厚度为0 %、0.5 % 和 1 % 的孔径直径。
• 通过将数值结果与解析环形孔径调制器解进行比较，验证了该方法的有效性，结果收敛至最优环形轮廓。
• 性能评估基于内工作角（IWA）、透过率和离轴源透过率，同时考虑固定掩模半径下的色散效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对具有中心遮挡和桁架的任意孔径优化啁啾涡旋日冕仪，以在小内工作角下维持高对比度？
• RQ2 桁架厚度和遮挡比在多大程度上会降低涡旋日冕仪的性能？孔径调制能否补偿这些影响？
• RQ3 数值优化的孔径调制器在透过率和内工作角方面与解析环形孔径调制器及标准涡旋日冕仪相比如何？
• RQ4 是否可以使孔径调制设计对孔径不对称性和非均匀衍射效应具有鲁棒性，同时保持涡旋日冕仪的低IWA？
• RQ5 在涡旋日冕仪中，针对不同的遮挡比和桁架厚度，透过率与IWA之间的权衡关系如何？

主要发现

• 对于电荷2涡旋日冕仪，内工作角保持在约0.9 λ/D，透过率略低于环形调制涡旋日冕仪。
• 对于电荷4涡旋日冕仪，透过率高于环形调制版本，最大可达65 %（遮挡30 %），但IWA增加至3.2 λ/D。
• l = 4的IWA从1.75 λ/D（遮挡10 %）增加至3.2 λ/D（遮挡30 %），表明对遮挡具有强敏感性。
• 桁架厚度显著影响透过率：1 %厚度的桁架使透过率相比无桁架情况降低9–33 %（l = 2）和16–28 %（l = 4）。
• 在遮挡较小时，孔径调制器趋近于环形轮廓，与解析解一致，验证了结果的一致性。
• 啁啾涡旋日冕仪的离轴透过率表现出非单调行为，在θ ≈ 1–1.2 λ/D处出现停滞或下降，尤其在遮挡较大时更为明显。