Pyramid wavefront sensors for astronomy and for the human eye

WaveFront Sensors (WFSs) may be defined as the heart of an adaptive optics system since they analyze the radiation coming from reference sources and allow to quantify the distortion of a wavefront. Among the varieties of existing WFSs, my PhD research thesis focuses especially on innovative optical systems taking advantage of the peculiarities of the Pyramid WFS. In my PhD project I have designed, implemented, characterized or studied three different applications characterized by the fact that one or multiple pyramid WFSs play a major role. They extend from WATERFALL, an application for the human eye (8 mm), to a Very-Linear (and very sensitive) WFS (VL-WFS), part of a concept for a 40 meter telescope adaptive optics, passing through a very complex system featuring more than 100 degrees of freedom, to be mounted on 8.4 m x 2 LBT telescope (Ground-layer WFS for LINC-NIRVANA). WATERFALL concerns the design and successful realization of a prototype for opthalmologic application for industrial commercialization to measure dioptric power of Intra-Ocular Lenses. GWS for NIRVANA works includes the definition of tolerances to be met and the detailed description of its alignment, integration phase and successful verification, leading it toward its on-sky commissioning phase in the Pathfinder experiment. The VL-WFS is in its very early phase, concepts and new ideas (mostly coming from our group) have to be organized in order to make a real proposal of a Global MCAO instrument for the E-ELT. The projects briefly presented are all based on the same optical concepts and if the ophthalmology application might at first sight look unrelated to astronomy, it is, in fact, representing a simple SCAO system applied to an optical system which is the eye, proving how the interaction between different research field can lead to successful results.

I sensori di fronte d'onda sono elementi chiave in un sistema di ottica adattiva, in quanto analizzano la radiazione proveniente da stelle guida e permettono di quantificare la deformazione di un fronte d'onda. Nell'ambito delle diverse tipologie di sensori esistenti, il presente lavoro di tesi si concentra su sistemi ottici innovativi che sfruttano le peculiarità del sensore a piramide. Durante il periodo di dottorato ho partecipato all'ideazione, realizzazione, caratterizzazione e approfondito lo studio di tre diverse applicazioni accomunate dal ruolo dominante occupato da uno o più sensori a piramide. I suddetti progetti spaziano da WATERFALL, applicazione destinata all'occhio umano (8 mm), ad un sensore estremamente lineare e molto sensibile (VL-WFS), parte dello studio di un concetto per un sensore da 40 metri di diametro, passando per un sistema molto complesso che presenta più di 100 gradi di libertà (il sensore di turbolenza a terra GWS di LINC-NIRVANA), che dovrà essere montato ad LBT, caratterizzato da 8.4 m x 2 di diametro. Il progetto WATERFALL riguarda il disegno, la successiva realizzazione e test di un prototipo per un'applicazione oftalmologica atta a misurare il potere diottrico di lenti intra-oculari, con obiettivo una possibile commercializzazione del sistema. Il lavoro svolto per il GWS di NIRVANA ha portato alla definizione di tolleranze da soddisfare ed in questo elaborato è contenuta la descrizione dettagliata delle varie procedure di allineamento e dei test svolti con successo, che hanno permesso il raggiungimento della fase di commissioning in cielo dello strumento nell'esperimento Pathfinder. Il progetto VL-WFS si trova ancora in una fase embrionale, dove concetti ed idee, prevalentemente provenienti dal nostro gruppo di Padova, devono essere organizzate per raggiungere il livello di una reale proposta per la realizzazione di uno strumento di MCAO globale per l'E-ELT. Tutti gli anzidetti progetti si basano sugli stessi concetti ottici e, anche se a prima vsita l'applicazione oftalmologica può essere vista come estranea all'astronomia, essa può essere in realtà qualificata come un semplice sistema SCAO applicato ad un sistema ottico che e' rappresentato dall'occhio umano, dimostrando come l'interazione tra diversi campi di ricerca possa portare a risultati di successo, anche in termini di applicazioni pratiche.