Date post: | 05-Apr-2015 |
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Adaptive OptikModerne Technik für scharfe Bilder von der Sonne
Oskar von der Lühe
Kiepenheuer-Institut
Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011
Winkelauflösung
• Die Winkelauflösung eines Teleskops wird durch Beugung an der Eintrittsöffnung begrenzt
• Die Halbwertsbreite des Bildes einer Punktquelle (Stern) ist:
• Je größer die Teleskopöffnung und je kleiner die Wellenlänge, desto feinere Strukturen können aufgelöst werden
D
min Dl
a =
Beobachtungen vom Boden und aus dem Weltraum
• Weltraum-Observatorien– Haben Zugang zum gesamten e. m. Spektrum– Beobachten ohne Störung durch die
Erdatmosphäre– Erzeugen konsistent hohe Datenqualität mit
einem begrenzten Satz von Experimenten
• Bodengebundene Observatorien– Liefern höchste Winkelauflösung in begrenzten
Spektralbereichen, je nach seeing – Liefern sehr hohe Datenraten– Erlauben experimentelle Flexibilität
Hinode, D = 0.5 m
ATST, D = 4 m
Future High Resolution Facilities
Abbildung durch eine turbulente Erdatmosphäre
• Temperaturfluktuationen erzeugen Brechungsindexfluktuationen• Durchlaufende Lichtwellen werden deformiert – Aberrationen• Das Bild astronomischer Quellen wird verschmiert• Bewegung der Schlieren durch Wind bewirkt rasche
Veränderungen – Zeitskalen 10 ms
Astronomisches Seeing
S. Hippler, M. Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004
Wellenfront-Deformationen
William Herschel Telescope, ING
Gregor-Teleskop, KIS
Punktverbreiterungsfunktion (PSF)
4.5m WHT, La Palma
2 arcsec field
Visible light
Solar granulation Ori
0.7m VTT, Tenerife
Real time 15 sec (100 frames)
60 arcsec, resolution 0.06 as
Lange Belichtungszeiten
Bestes Einzelbild Mittelwert von 100 Bildern („Langzeitbelichtung“)
Zusammenfassung Seeing
• Die Fortpflanzung von Lichtwellen durch ein Zufallsmedium stört die Abbildung in einem optischen System
• Die dynamische Änderung des Mediums erzeugt eine neue, unkorrelierte Realisierung eines zufällig gestörten Bildes bei jeder neuen Belichtung
• Bei langen Belichtungen ist alle Information über kleinräumige Strukturen verschwunden
• Wie kann man lange belichten UND die Information über kleinräumige Strukturen erhalten?
Archimedes AD -215
Adaptive Optik
Prinzip der Adaptiven Optik
Modale Korrektur: Zernike-Funktionen
Statistische Eigenschaften des Seeings
Die Varianz der Störung nimmt mit zunehmender Modenordnung ab
3
5
0''
r
Dcaa jjjj
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 551 10
4
1 103
0.01
0.1
1Varianz der Moden
Modenindex
Nor
mie
rte
Var
ianz
Schritt 1: Messen der Wellenfrontstörungen
• Hartmann-Shack – Wellenfrontsensor:– Zerlegung der
Eintrittsöffnung in Unteraperturen
– Bestimmung von Kippwinkel und –richtung der Wellenfront durch Bildversatz
– Abbildung der Versatzmessungen auf Deformationsmoden
Beispiel: HS-WFS der Solaren Adaptiven Optik
Bild eines Shack-Hartmann - Sensors mit 36 Unteraperturen eines ausgedehnten Objektes (Sonne). Links: Auslegung des Linsenarrays in hexagonaler Geometrie. Rechts: Bild auf dem Detektor. Man sieht einen Ausschnitt der Sonnenoberfläche mit einem kleinen Sonnenfleck.
Beispiel: HS-WFS der Solaren Adaptiven Optik
• Messung der Bewegung von Sonnengranulation in einem Hartmann-Shack Wellenfrontsensor am VTT, Teneriffa
Schritt 2:Korrektur der Wellenfront
S. Hippler, M.Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004
Schritt 3: Regelkreis
Optische Regel-
strecke 1
Optische Regel-
strecke 2
Wellenfront-Sensor
Regler
Korrektor
Regelglied
Störgröße (externe Störungen, Nulldeformation des Korrektors) Messort
korrigiertes Bild
Führgröße
Rückführgröße
-
Stellgröße
Praktische Astronomie V5 - 23
Kompensation eines Sterns
Linear
Logarithmisch
High Resolution Solar Observations with GREGOR
KAOS am VTT, Teneriffa
Kiepenheuer-Institut Adaptive Optics System
FocusTip tilt
DMWavefront Sensor
Kompensation eines Sonnenflecks
Kompensation eines Sonnenflecks
32
Solare Adaptive Optik
Die Himmels-überdeckung ist 100%
High Resolution Today
Feldabhängige PSF
34MCAO for solar observations
Abbildung durch eine ausgedehnte Atmosphäre
KAOS mit MCAO-Erweiterung (MultiCAOS)
WFS 1
ControlComputer
from telescope
DM 1
pupil reimaging optics
intermediate foci
conventional AO
WFS 2
DM 2MCAO
science focus
MCAO add-on
Regular science focus
36
no AO: 3.8% CAO: 4.4% MCAO: 5.6%
Solare Multikonjugierte Adaptive Optik
Kontrast der Langzeitaufnahme
Generalized Fried parameter
Multikonjugierte Adaptive Optik (low order) am VTT
Zusammenfassung
• Adaptive Optik verbessert die Abbildung in bodengebundenen Teleskopen erheblich, für Sonnenteleskope sogar bei kurzen Wellenlängen
• Solare MCAO hat das Potential, ein Gesichtsfeld von einer Bogenminute zu verbessern
• Eine Nachbereitung der Beobachtungen ist nötig, da die Korrektur mit AO/MCAO nie perfekt ist