Focal-plane wave-front sensing and control for high contrast imaging
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Focal-plane wave-front sensing and control for high
contrast imaging
L. Mugnier1, J-F Sauvage1, B. Paul,
K. Dohlen2, M. Ferrari2, C. Petit1, T. Fusco1,2 , D. Mouillet3, J.-L. Beuzit3, O. Herscovici1
1 ONERA, DOTA/HRA
2 Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
3 Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG)
1 1
Contexte (1/2) : détection et caractérisation d'exoplanètes
v Exoplanète : planète en orbite autour d'une étoile autre que le soleil
v Première détection : 1995
Observation directe : délicate
L'imagerie à haut contraste :
ØFaible séparation angulaire (~ λ/D ), üOptique adaptative
observation depuis le sol
ØTrès haut contraste requis (106 – 1010) üCoronographie
Limitation des systèmes actuels :
speckles sur le détecteur, provenant des aberrations quasi-
statiques du système
Solution : analyse de surface d'onde à partir d'images
du détecteur scientifique + compensation par Miroir
Déformable
2
COFFEE : diversité de phase coronographique (1/3)
(Coronagraphic Focal-plane wave-Front Estimation for Exoplanet detection)
La diversité de phase = un analyseur de surface d'onde plan-focal
- pas d’aberrations différentielles (NCPA)
- fonctionnel pour des systèmes d’imagerie classique (modèle de formation d’image convolutif)
L’imagerie coronographique
Détecteur
Pupille « upstream » Pupille « downstream »
i(ϕu, ϕd) i(ϕu+ϕdiv, ϕd)
(Lyot Stop)
Étoile
Masque
coronographique
plan focal
+
ϕu ϕdiv ϕd
Une image : pas assez de données
Deux images : OK
vModèle image, cas d'un unique objet non résolu :
ic = αhc (φu , φd ) + β + n bruit
Fond
Image Flux provenant de PSF résiduel
coronographique l’objet coronographique
3
COFFEE : diversité de phase coronographique (2/3)
COFFEE: COronagraphic Focal-plane wave-Front Estimator for Exoplanet detection
Estimation des aberrations par résolution d'un problème inverse
Ø Définition d'un critère (maximum a posteriori) :
2 2
⎡ i foc − (αhc foc (φu , φd ) + β ) ⎤ ⎡ idiv − (α ' hcdiv (φu + φdiv , φd ) + β ' ) ⎤
J (α , β , φu , φd ) = ∑ ⎢ ⎥ ( k , l ) + ∑ ⎢ ⎥ (k , l ) + R(φu ) + R(φd )
k ,l ⎢
⎣ σ foc ⎥⎦ k ,l ⎣ σ div ⎦
Terme d'attache aux données
v ϕu, ϕd : aberrations en amont et en aval du coronographe. Estimation : carte de pixels
v ϕdiv : Phase de diversité utilisée : ϕdiv = 0.8(defocus + astigmatisme)
Maximisation de la taille de l'intervalle dans lequel J est convexe
v σfoc, σdiv : carte des écarts-types de bruits :
Images : fort flux bruit blanc gaussien ; σ plan ( x, y ) = σ e2 + σ 2photons ( x, y )
−
vα hc(ϕu, ϕd)+ β : modèle de formation d'image coronographique
J.-F. Sauvage, L. Mugnier, B. Paul et R. Villecroze, Coronagraphic phase diversity: a simple focal plane sensor for high-contrast imaging, Optics Letter, Dec. 2012
4
COFFEE : diversité de phase coronographique (3/3)
2 2
⎡ i foc − (αhc foc (φu , φd ) + β ) ⎤ ⎡ idiv − (α ' hcdiv (φu + φdiv , φd ) + β ' ) ⎤
J (α , β , φu , φd ) = ∑ ⎢ ⎥ ( k , l ) + ∑ ⎢ ⎥ (k , l ) + R(φu ) + R(φd )
k ,l ⎢
⎣ σ foc ⎥⎦ k ,l ⎣ σ div ⎦
Régularisation
v Terme R(ϕk) : fondé sur la connaissance a priori de la densité spectrale de puissance Sϕ :
Ø ϕk supposée gaussienne, homogène et de moyenne nulle
Ø Sφ (ν ) ∝ 1 ν 2 (correspond aux défauts de polissage des miroirs)
~ 2
1 φk (ν ) µk 2
R(φk ) = ∑ R(φk ) = ∑ ∇φ k ( x , y )
2 ν Sφ (ν ) Implantation dans 2 x, y
l'espace réel
Somme limitée aux
v Hyperparamètre µk : calculé à partir de la variance de ϕk et pixels à l'intérieur de
de Sϕ la pupille
5
COFFEE : évaluation des performances (boucle ouverte)
Estimation d'aberrations : simulation
Ø Coronographe : ALC (4,52 λ/D); Lyot Stop = 100%
Ø WFEup = 50 nm ; WFEdown = 20 nm (λ = 1589 nm, images monochromatiques)
Ø Flux incident: 1e9 photons ; bruit de détecteur: σe-= 1 e-; bruit de photons
ifoc idiv
φu φd
Calcul des images
Simulation
COFFEE:
estimation
Estimation
εu = 2.10 nm RMS εd = 5.33 nm RMS
J.-F. Sauvage, L. Mugnier, B. Paul et R. Villecroze, Optics Letter, décembre 2012 : principe
B. Paul, J.-F. Sauvage, L. Mugnier, Astronomy & Astrophysics, avril 2013 : étude des performances et validation expérimentale
B. Paul, L. Mugnier, J.-F. Sauvage, K. Dohlen, M. Ferrari, Optics Express, décembre 2013 : extension myope hauts ordre, dark hole
6
COFFEE : extension myope
COFFEE : sensible à une erreur sur la phase de diversité :
2 2 2
⎡ i foc −((ααhhc c foc(φ(φu ,uφ,dφ)d+) +
foc − β )β⎤) ⎤ ⎡ idiv⎡ i−div(α−' h(α ' h (φ + φ div, ,φφdd))++ β ' ) ⎤ 2
c (φcudiv + φudiv + εdiv
J (φJu (,φud ,α
φd, ,βα, ε, βdiv)) == ∑ ⎢ foc
⎥ ⎥(k (, lk),+l )∑
+∑ ⎢ ⎢
div
⎥ (kk,,ll))++RR(φ(φu u) )++RR
(φ(dφ)d+) R(ε div )
kk,l ⎢
⎣ σ σ foc
foc ⎦⎥ ⎥⎦ k ,l ⎣
k ,l ⎣ σ σdivdiv ⎦
Estimation conjointe d'une erreur sur la
phase de diversité
φu φd εdiv
Erreur : 5%
amplitude
ϕdiv
Simulation
WFE = 50 nm RMS WFE = 20 nm RMS
φu φd φu φd
Pas Estimation
d'estimation conjointe de
conjointe de εdiv
εdiv
εu = 6.45 nm RMS εd = 8.15 nm RMS εu = 2.27 nm RMS εd = 5.57 nm RMS
7
COFFEE: application à SPHERE (1/2)
Source ponctuelle Estimation d'aberration de haut ordre
Système de XOA, Poke introduit
Coronographe
41 act., 1200Hz (144 nm PV)
ALC (incl.
Apodiseur)
Images expérimentales
(IRDIS)
Détecteur IRDIS
SPHERE : Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch
COFFEE: estimation
Ø Imageur de planètes extrasolaire européen
Ø Contraste recherché : 106
Ø Boucle de XOA: compensation de la turbulence atmosphérique
Introduction de ϕdiv, compensation des aberrations Poke estimé
(147 nm PV)
Ø Images coronographiques
Détecteur IRDIS
8
COFFEE: application à SPHERE (2/2)
Validation de la pseudo boucle fermée sur SPHERE
Avant compensation
Images expérimentales (IRDIS) Après compensation
10-2 10-4
Avant
compensation
Contraste
10-5
10-6
Après
compensation
Augmentation :
ü Origine : actionneurs situés au
centre du miroir déformable
ü Disparaît avec la présence d’une
10-6.3 Contraste : gain x2 – x5 occultation centrale
B. Paul et al., Compensation of high-order quasi-static aberrations on SPHERE with the coronagraphic phase diversity (COFFEE), A&A, 2014
9
La boucle SAXO
Miroir déformable de SAXO :
1377 degrés de liberté
8 degrés de liberté 369 degrés de liberté filtrés (pour des
« morts » (actionneurs plus raison de contrôle & de robustesse de
contrôlables sur le DM) la boucle)
999 degrés de liberté contrôlés par la boucle SAXO
Quel impact sur le contraste atteignable sur le détecteur ?
10Simulation d’optimisation du contraste sur SPHERE
Evaluation des performances du processus de PCL utilisé sur SPHERE (conjugaison de phase) :
Ø Simulation d’une PCL : modes filtrés et actionneurs morts (simulation complète de SAXO)
Ø Simulation d’une PCL : actionneurs morts seuls
Ø Simulation d’une PCL « parfaite » : ni actionneurs morts, ni modes filtrés
Résultats
v Près de l’axe (< 12 λ/D) : limitations
principale : modes filtrés pour
robustesse
v Loin de l’axe (>12 λ//D) : actionneurs
morts limitent sensiblement le
contraste
v Pas de limitation intrisèque à
COFFEE
Amélioration des performances
Optimisation du processus de
compensation
11Le dark hole : vers les très hauts contrastes (1/2)
Application de -φDM = -FuDM
Conjugaison de phase :
Recherche du jeu de tensions
Minimisation des
u tel que :
2 aberrations dans la pupille
uDM = arg min φu − Fu d'entrée du système
u
F : matrice d'influence du
COFFEE : miroir déformable : Minimisation de l'énergie
Mesure des φDM = FuDM présente sur le détecteur ??
aberrations φu
Dark Hole : Application de
φDM = FuDM
Recherche du jeu de tensions
u tel que :
u DM = arg min [Ε (α , φu , φd , u )]
u Minimisation de
l'énergie présente
E : énergie dans une zone
sur le détecteur
donnée du plan focal
12Le dark hole : vers les très hauts contrastes (2/2)
Simulation de pseudo boucle fermée représentative de SPHERE :
Ø Présence d'actionneurs « morts » sur le DM Impossible d'agir sur ces actionneurs
Ø Modes filtrés par le système de XOA Perte de degrés de liberté
Contraste
100
10-2
10-2
Conjugaison de Dark Hole 10-4
phase
10-6
Dark hole : Compensation de l’impact
10-7
des actionneurs morts & modes filtrés
13Conclusion & Perspectives
COFFEE : extension of phase diversity to high contrast imaging systems
Conclusions :
v Novel wavefront sensor for high contrast imaging
ü Inverse problem approach
ü recent extensions: high order aberrations, any coronagraph model, myopic estimation of a
diversity error
v Application of COFFEE to SPHERE + study of sources of correction limitations
v Optimal speckle nulling in focal plane
ü Novel energy minimization method: non-linear dark hole
ü Performance evaluation by simulations for SPHERE
Perspectives :
v Ground: on-line wavefront sensing (with residual turbulence)
v Space: Validation of joint amplitude + phase estimation
v Correction : Experimental validation expérimentale of the non-linear dark hole
v Towards real-time computations of the reconstructed wavefront
v Study of the combination of COFFEE (no NCPA) and ZELDA (speed)
v Integration of COFFEE on SPHERE (SPHERE upgrade)
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