Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne

Adaptive Optik
Moderne 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:
a min =
l
D
• Je größer die Teleskopöffnung
und je kleiner die Wellenlänge,
desto feinere Strukturen können
aufgelöst werden
D
Beobachtungen vom Boden
und aus dem Weltraum
• Weltraum-Observatorien
Hinode, D = 0.5 m
– 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
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)
 Ori
Solar granulation
4.5m WHT, La Palma
0.7m VTT, Tenerife
2 arcsec field
Real time 15 sec (100 frames)
Visible light
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?
Adaptive Optik
Archimedes AD -215
Prinzip der Adaptiven Optik
Modale Korrektur:
Zernike-Funktionen
Statistische Eigenschaften
des Seeings
Die Varianz der
Störung nimmt mit
zunehmender
Modenordnung ab
a ja j'
0.1
Normierte Varianz
D
 c jj '  
 r0 
5
3
Varianz der Moden
1
0.01
1 10
3
1 10
4
0
5
10
15
20
25
30
M odenindex
35
40
45
50
55
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
Störgröße (externe Störungen,
Nulldeformation des Korrektors)
Messort
Optische
Regelstrecke 1
Optische
Regelstrecke 2
Stellgröße
WellenfrontSensor
Korrektor
Rückführgröße
Regelglied
Regler
Führgröße
korrigiertes Bild
5 - 23
Praktische Astronomie V
Kompensation eines Sterns
Linear
Logarithmisch
KAOS am VTT, Teneriffa
Kiepenheuer-Institut Adaptive Optics System
Tip tilt
DM
High Resolution Solar Observations with GREGOR
Focus
Kompensation eines
Sonnenflecks
Kompensation eines
Sonnenflecks
Solare Adaptive Optik
Die Himmelsüberdeckung ist 100%
32
High Resolution Today
Feldabhängige PSF
Abbildung durch eine
ausgedehnte Atmosphäre
34
MCAO for solar observations
KAOS mit MCAO-Erweiterung
(MultiCAOS)
from
telescope
conventional AO
DM 1
pupil
reimaging
optics
WFS 1
WFS 2
DM 2
intermediate foci
MCAO add-on
Regular science focus
Control
Computer
MCAO
science
focus
Solare Multikonjugierte
Adaptive Optik
Kontrast der Langzeitaufnahme
no AO: 3.8%
CAO: 4.4%
MCAO: 5.6%
36
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