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Adaptive OptikModerne Technik für scharfe Bilder von der Sonne
Oskar von der Lühe
Kiepenheuer-Institut
Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011
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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 =
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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
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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
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Astronomisches Seeing
S. Hippler, M. Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004
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Wellenfront-Deformationen
William Herschel Telescope, ING
Gregor-Teleskop, KIS
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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
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Lange Belichtungszeiten
Bestes Einzelbild Mittelwert von 100 Bildern („Langzeitbelichtung“)
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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?
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Archimedes AD -215
Adaptive Optik
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Prinzip der Adaptiven Optik
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Modale Korrektur: Zernike-Funktionen
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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
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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
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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.
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Beispiel: HS-WFS der Solaren Adaptiven Optik
• Messung der Bewegung von Sonnengranulation in einem Hartmann-Shack Wellenfrontsensor am VTT, Teneriffa
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Schritt 2:Korrektur der Wellenfront
S. Hippler, M.Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004
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![Page 22: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/22.jpg)
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
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Praktische Astronomie V5 - 23
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![Page 25: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/25.jpg)
Kompensation eines Sterns
Linear
Logarithmisch
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![Page 27: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/27.jpg)
![Page 28: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/28.jpg)
![Page 29: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/29.jpg)
High Resolution Solar Observations with GREGOR
KAOS am VTT, Teneriffa
Kiepenheuer-Institut Adaptive Optics System
FocusTip tilt
DMWavefront Sensor
![Page 30: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/30.jpg)
Kompensation eines Sonnenflecks
![Page 31: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/31.jpg)
Kompensation eines Sonnenflecks
![Page 32: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Solare Adaptive Optik
Die Himmels-überdeckung ist 100%
High Resolution Today
![Page 33: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/33.jpg)
Feldabhängige PSF
![Page 34: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/34.jpg)
34MCAO for solar observations
Abbildung durch eine ausgedehnte Atmosphäre
![Page 35: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/36.jpg)
36
no AO: 3.8% CAO: 4.4% MCAO: 5.6%
Solare Multikonjugierte Adaptive Optik
Kontrast der Langzeitaufnahme
Generalized Fried parameter
![Page 37: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/37.jpg)
Multikonjugierte Adaptive Optik (low order) am VTT
![Page 38: Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1926/html5/thumbnails/38.jpg)
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