Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik

Transkript

1 Korrektur der Erdatmosphäre mit Adaptiver Optik Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik

2 Was ist adaptive Optik? Archimedes AD -215 Adaptive Optik 2

3 Feinstruktur der Sonne Adaptive Optik 3 Layout: NSO / ATST, Pictures: KIS

4 Bildentstehung in einem astronomischen Teleskop Lichtwellen von astronomischen Objekten sind praktisch eben Objektiv (Linse oder Spiegel) des Teleskops transformiert ebene Wellen in sphärische Wellen Lichtwellen konvergieren zu Bildpunkten in der Fokalebene Adaptive Optik 4

5 Einfluss der Erdatmosphäre Temperaturfluktuationen in der Atmosphäre erzeugen Variationen des Brechungsindex Diese deformieren die Lichtwellen und erzeugen dadurch Aberrationen Die Bilder von Sternen werden dadurch unscharf Zeitliche Veränderungen durch Wind und Turbulenz Adaptive Optik 5

6 S. Hippler, M.Kasper, Sterne und Weltraum, Okt Adaptive Optik 6

7 Bilder von Sternen in der Fokalebene bei sehr hoher Vergrößerung Typische Ausdehnung des Sternbilds an guten astronomischen Standorten ist 1 Bogensekunde Zeitskala der Fluktuationen ist wenige Millisekunden Seeing 10 Bogensekunden 2 Bogensekunden Adaptive Optik 7

8 57 arcsec Seeing auf der Sonne Sonnengranulation, beobachtet mit dem Vakuum-Turmteleskop auf Teneriffa durch die Erdatmosphäre. Echtzeit 15 sec (100 Bilder) Auflösung arcsec / Pixel 1024 x 1024 Pixel Alle Fluktuationen sind von der Erdatmosphäre verursacht Adaptive Optik 8

9 Zeitserien von Granulations- Bildern Bestes Einzelbild Mittelwert von 100 Bildern ( Langzeitbelichtung ) Adaptive Optik 9

10 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 10

11 Prinzip der Adaptiven Optik Adaptive Optik 11

12 Wellenfrontdeformationen Adaptive Optik 12

13 Zernike-Funktionen Adaptive Optik 13

14 Normierte Varianz Statistische Zerlegung: Koeffizienten der Zernike-Moden sind nicht statistisch unabhängig! 1 a j a j' c jj' Varianz der Moden D r c jj ' 0 für j j' 0.1 Diagonalisierung der Koeffizientenmatrix Karhunen-Loève- Zerlegung Modenindex Adaptive Optik 14

15 Kompensation von Wellenfrontdeformationen Adaptive Optik 15

16 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 Adaptive Optik 16

17 Beispiele - Atmosphäre Adaptive Optik 17

18 Beispiele - Moden Koma Sphärische Aberration Adaptive Optik 18

19 Korrektur der Wellenfront S. Hippler, M.Kasper, Sterne und Weltraum, Okt Adaptive Optik 19

20 Korrektur der Wellenfront Adaptive Optik 20

21 Modale Zerlegung Adaptive Optik 21

22 Adaptive Optik 22

23 Adaptive Optik 23

24 Adaptive Optik mit Sternen Adaptive Optik 24

25 Adaptive Optik auf der Sonne 18. April 2005 G band nm Dalsa Speckle camera, 1024x1024 px. 40 arcsec FOV 14 frames / s 10 ms exposure WFS lock point Distorsion (anisoplanare Bildbewegung), verstärkte Unschärfe Adaptive Optik 25

26 Deutsche Sonnenforschungseinrichtungen auf Teneriffa Adaptive Optik 26

27 VTT Telescope Kiepenheuer-Institut Adaptive Optics System KAOS Echelle Spectrograph µm 3 Gratings R Tenerife Infrared Polarimeter (IAC) Multi-Subtractive Double Pass (OPM) Göttingen Filtergraph µm 2 FPI etalons R Short exposures / speckle Stokes vector TESOS µm 3 FPI etalons R Short exposures / speckle Stokes V Stokes vector POLIS Littrow Echelle Ca+H and FeII 6303 R Stokes vector polarimetry Optics Lab Variable Setups, currently: MCAO extension for KAOS Ca K / H / G band branch feed Adaptive Optik 27

28 KAOS Konfiguration intermediate focus from telescope DM 1 Control Computer pupil reimaging optics WFS 1 Science focus Adaptive Optik 28

29 KAOS Kiepenheuer-Institut Adaptives Optisches System am VTT Tip tilt Focus DM Adaptive Optik 29

30 Eigenschaften von KAOS Bimorpher deformierbarer Spiegel mit 35 Aktuatoren (LaPlacian Optics) Shack-Hartmann WFS mit 36 Subaperturen, 12 Bogensekunden Sensorfeld Unterdrückt Zernike-Moden bis zu 100 Hz Korrigiert statische und dynamische instrumentelle Aberrationen und Seeing Stabilisiert ALLES point and click Betrieb! Astronomensichere Benutzerschnittstelle Adaptive Optik 30

31 1st order (tip + tilt) 2nd order (ast + def) 3rd order (coma) 4th order (spherical) 5th order (6 terms) 6th order (7 terms) Adaptive Optik 31

32 Solare Adaptive Optik Die Himmelsüberdeckung ist 100% Adaptive Optik 32

33 Who is Who in Solar AO? Dunn Solar Tower NSO Sac Peak 0.76m Vacuum Tower Telescope KIS Tenerife 0.70m Swedish Solar Telescope ISP La Palma 1.0m Adaptive Optik 33

34 Kiepenheuer-Institut Wissenschaftlicher Beirat März 2008 Adaptive Optik 34

35 Gregor First Light Adaptive Optics Image de-rotator M11 Filter wheel and third focus F3 Collimator mirror nce focus F4 Camera mirror M16 Tip Tilt Deformable mirror Adaptive Optik 35

36 Adaptive Optik 36