The Self-Coherent Camera: afocal plane wavefront sensorfor EPICS
P. Baudoz
LogoLESIA4
R. Galicher, M. Mas, J. Baudrand, G. Rousset, A.Boccaletti, F. Assemat
gisphase copy
Hubble_ultra_deep_field
See faint objects (M 30)
compagnon_dbl
Potter et al., 2002, ApJ
HD 130948
d=17.9 pcs
300 Myrs
< 75 & 65 MJ  @ 50 AU
typical distance :few 10’s mas
There
Context : Exoplanets
Exoplanet detection is simple
Need for High Contrast Imaging
For Disks :
•Disk morphology: warp, spirals, offsets, brightnessassymetry, clumps
•Removing SED ambiguities
For Planets :
•Spectral characterization
•Temporal variability (atmosphere)
•Orbital parameters
Image 5
Image 6
Image 5a
EPICS - Planet Finder of the E-ELT
Need : Phase measurement from final science focal plane.
Need : Separate post-processing data reduction for each spectral bandwidth
Self-Coherent Camera Instrument
Self-Coherent Camera : Principle
Telescope
SpatialFilter
Coronagraph
XAO (DM)
Image
ImageProcessing
PlanetDetection
Beam splitting
Beam recombining
(Fizeau Fringes)
Slow Servo-loop (quasi-static aberrations)
Self-Coherent Camera (SCC)
Image 2
Simple set-up : SCC + Four Quadrant PhaseMask coronagraph (FQPM)
Image 8
Image 9
Image 10
+
=
D
DR
a
a
Pupil plane
Intensity infocal plane
Image 10
Image 9
Image 8
+
Image 13
Pupil correlation Plane
FFT
The SCC in 3 Planes
Optical propagation
coronagraphic pupil
reference pupil
Image 13
The SCC image processing
Image 14
I+ = TF-1[ P * PR* ]
FFT-1
Ic = I + IR + Iplanet
FFT-1
Image 10
I- = TF-1[P ** PR ]
FFT-1
Image 14
Use I+ to mesure phase  (hidden in P )
(I+ is almost a linear function of  for small phase)
 
Focal plane wavefront sensor  (Galicher et al. 2008)
Use I+ and Ic to detect Iplanet (Ic codes I and IR but not Iplanet)
 
Planet detection instrument (not described here)
(Baudoz et al. 2006, Galicher & Baudoz 2007)
Where is the phase in SCC image ?
P = ei - with  pupil function and ~1
For coronagraphic image :
The phase is almost a linear function of the imaginary parts
With small phase defects :
P = i
Image 13
linear function of P
Image 12
Image 11
imaginary part
real part
Simulation: FQPM +SCC + phase only
Is SCC a real wavefront sensor ?
No it is much better than that :
It measures directly the complex amplitude of the field in thefocal plane (including amplitude effects).
BUT :
Phase estimation at high frequency rate (exposure timeshorter than coherent time) :
Not competitive compared to other WFS (chromaticity)
Long exposure time :
- Blurring of fringes for the residual speckles after XAO
- Only static speckles are fringed.
Image 10
Image 7
Image 8
• ELT 42m
• DSP (20 cm pitch - 64nm residual)
• 10 nm static defects
• Infinite exposure time + perfect coronagraph
E-ELT (infinite exposure time)
SCC +
Image 3
1tirage
10tirages
100_tirages
1000images
Phase_stat
10 ms
10 s
1 s
100 ms
Static phase
• ELT 42m +perfect coronagraph
• DSP (20 cm pitch - 64nm residual)
• 10 nm static defects
• coherent time = 10 ms in H
SCC Phase versus time
Image 7
Noise level in the corrected area
• E-ELT 42m +perfect coronagraph
• DSP (20 cm pitch - 64nm residual)
• 10 nm static defects
• coherent time = 10 ms in H
• 90% of the corrected area
0.1 nm level
1 nm level
These levels dependslinearly on coherent time (10ms) and quadratically onresidual turbulent level (64nm RMS)
Image 4
Time evolution
Image 20
Image 19
2 layers, only temporal error = 1ms
40x40 actuators, r0=1m @1.6 m,L0=20m, V0=10m/s
About 35 nm on pupil
Fixed aberrations =5 nm
Image 1
0.45 nm
0.25 nm
4.6 nm
Quasi-static aberrations: fully decorrelated after 20s
Simulation XAO sampling 1ms
Sampling of SCC 1s
And if static are not static…
Image 3
1%
2%
5%
Image 17
bandwidth=15%
Limitations 1: Chromatism
Image 16
 Solution 1: Wynne corrector
bandwidth=15%
same +Wynne corrector
effective bandwidth =0.75%
Solution 2 : Chromaticity of residual specklesrequires spectral resolution
SCC coupled with IFS
Image 1
Image 2
Limitations 2: Reference « Zero » effect
Image 7
Limitations 3: Coronagraph effects
Image 18
Zernikes
Zernikes
FQPM+SCC Matrix
Image 22
Image 23
Image 3
Phase measurement with aPrototype
SCC
detector
Lyot plane
Pupil plane
FQPM
Image 1
• Defocus of the source to test the SCC
    with a theoretical amplitude of 1.8 nm
Phase differenceimage for 1.8 nm
Test Bench Development
Image 6
image 2 banc THD
2009_0617_120816AA_small
Integration started in May 09
See Marion Mas (poster yesterday !!!)
Conclusion
Phase estimation:
- Optimized for long exposure time (10s seconds to mesure 1nm level-EPICS case)
- Simple set-up with Lyot and phase mask coronagraph
- To be coupled with IFS because of chromatism (or need more advancedestimator)
- Deeper study on-going (closed loop, chromatism,…)
- Coupling with planet detection to be studied in more details (especially forthe long exposure time case)
- Need more laboratory test