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Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011.

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1 Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung,

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3 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

4 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

5 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

6 Astronomisches Seeing S. Hippler, M. Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004

7 Wellenfront-Deformationen William Herschel Telescope, ING Gregor-Teleskop, KIS

8 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

9 Lange Belichtungszeiten Bestes Einzelbild Mittelwert von 100 Bildern (Langzeitbelichtung)

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?

11 Archimedes AD -215 Adaptive Optik

12 Prinzip der Adaptiven Optik

13 Modale Korrektur: Zernike-Funktionen

14 Statistische Eigenschaften des Seeings Die Varianz der Störung nimmt mit zunehmender Modenordnung ab

15 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

16 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.

17 Beispiel: HS-WFS der Solaren Adaptiven Optik Messung der Bewegung von Sonnengranulation in einem Hartmann-Shack Wellenfrontsensor am VTT, Teneriffa

18 Schritt 2: Korrektur der Wellenfront S. Hippler, M.Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004

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22 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

23 Praktische Astronomie V

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25 Kompensation eines Sterns Linear Logarithmisch

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29 High Resolution Solar Observations with GREGOR KAOS am VTT, Teneriffa Kiepenheuer-Institut Adaptive Optics System Focus Tip tilt DM Wavefront Sensor

30 Kompensation eines Sonnenflecks

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32 32 Solare Adaptive Optik Die Himmels- überdeckung ist 100% High Resolution Today

33 Feldabhängige PSF

34 MCAO for solar observations 34 Abbildung durch eine ausgedehnte Atmosphäre

35 KAOS mit MCAO-Erweiterung (MultiCAOS) WFS 1 Control Computer from telescope DM 1 pupil reimaging optics intermediate foci conventional AO WFS 2 DM 2 MCAO science focus MCAO add-on Regular science focus

36 36 no AO: 3.8% CAO: 4.4% MCAO: 5.6% Solare Multikonjugierte Adaptive Optik Kontrast der Langzeitaufnahme Generalized Fried parameter

37 Multikonjugierte Adaptive Optik (low order) am VTT

38 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


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