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Dieser Artikel ist über adaptive Optik, die Luftturbulenzstörungen automatisch korrigiert (Sehen). Um Verzerrungen durch Bewegungen des Spiegels selbst zu korrigieren, siehe aktive Optik.
Adaptive Optik[1] (AO) ist eine Technik, die die Qualität optischer Systeme verbessert, indem sie den Einfluss vorhandener, sich schnell ändernder Störungen – insbesondere atmosphärischer Schwingungen – so weit wie möglich reduziert oder reduziert. kompensieren. Diese Technik wurde in den 1970er Jahren für militärische Anwendungen entwickelt. Erst fast zwanzig Jahre später wurde diese Technik für astronomische Beobachtungen von der Erde aus eingesetzt.[2]
Anwendung in der Astronomie
Wenn beispielsweise Sternenlicht turbulente Schichten im in Atmosphäre geht, treten Störungen der Wellenfronten auf – genauer: Phasenstörungen - auf. Mit AO können diese Störungen kompensiert werden.
Ohne AO arbeiten alle großen erdbasierten astronomischen Teleskope deutlich unter ihren theoretischen Fähigkeiten. Für ein Spiegelteleskop jetzt sofort Öffnung von 10 m bedeutet dies, dass die Bildschärfe je nach Wellenlänge um den Faktor 10 bis 50 schlechter ist, als man es allein aufgrund der verwendeten Optik erwarten würde. Die Einschränkung der Bildqualität liegt also nicht am Teleskop, sondern an den thermisch-optischen Turbulenzen der Luftschichten.
Um diese atmosphärischen Störungen zu vermeiden (Sehen genannt) sind große Teleskope mit AO versehen. Darüber hinaus spielt AO auch in der optischen Kommunikation mittels Laserlicht und bei militärischen Beobachtungen eine wichtige Rolle.
Die Technik
Eine adaptive Optik besteht im Allgemeinen aus drei Komponenten:
- ein Wellenfrontsensor, zum Beispiel a Hartmann-Shack-Sensor, um die optischen Störungen zu messen;
- einen Computer, der daraus die Korrektursignale berechnet;
- Korrekturelemente, die von diesen Computersignalen gesteuert werden, um korrigierte Wellenfronten zu erzeugen.
Diese drei Komponenten bilden zusammen einen Regelkreis, der in astronomischen Anwendungen typischerweise mehrere hundert Mal pro Sekunde durchlaufen wird.
Der Wellenfrontsensor misst die Verzerrungen der Wellenfront eines anderen Objekts, beispielsweise eines Sterns in der Nähe des zu beobachtenden Objekts. Dieses sogenannte Anhänger (englisch: Leitstern) muss ausreichend klar sein (Magnitude 12 bis 15 bei aktuellen Systemen). Oft ist ein solcher Follower nicht verfügbar. Man kann dann mit a . einen Follower simulieren Laserstrahl (Lasertracker, LGS). Für die Laserverfolgung von Sternen werden zwei Methoden verwendet. Für die sog Rayleigh-Tracking-Sterne verwendet die Rayleigh-Streuung. Hier wird kurzwelliges Laserlicht zwischen etwa 15 und 25 km Höhe an der Luft gestreut. Vor dem Natrium-Tracking-Sterne gelbes Licht (589 nm) verwendet wird, das Natriumatome in hohen Luftschichten in a aufgeregter Zustand wodurch sie wieder Licht emittieren. Die Laserstrahlen werden normalerweise gepulst, damit sie leicht für Streulicht aus anderen Quellen korrigiert werden können.
Als Korrekturelement kann im einfachsten Fall ein um zwei Achsen schwenkbarer Spiegel verwendet werden, mit dessen Hilfe die durch die Atmosphäre verursachten Bildbewegungen kompensiert werden können. In diesem Fall können die Bildbewegungen z.B. mit a Positionsempfindlicher Detektor gemessen werden.
Bei großen Teleskopen arbeitet die adaptive Optik meist am Fangspiegel. Dieser ist deutlich kleiner als der Hauptspiegel und hat daher auch eine geringere Masse, was schnellere Korrekturen ermöglicht (Geschwindigkeiten bis zu einigen 100 s−1).
Multikonjugierte adaptive Optik
Das oben beschriebene Verfahren hat einige Einschränkungen. Turbulenz ist inhärent, dass ihre Regelmäßigkeit nur auf kleine Entfernungen beschränkt ist. Ist der Tracker zu weit vom zu beobachtenden Objekt entfernt, sind die Ergebnisse des Wellenfrontsensors nicht mehr repräsentativ für das zu detektierende Signal. Ist der nachlaufende Stern dem Objekt zu nahe, kann dieses überbestrahlt werden. Das nutzbare Sichtfeld in adaptiver Optik ist daher sehr eingeschränkt.
Eine Verbesserung ist das sogenannte multikonjugierte adaptive Optik (multikonjugierte adaptive Optik, MCAO)[3][4]. Es werden mehrere (zB fünf) Laser-Tracking-Sterne hergestellt, deren Wellenfronten gemittelt werden. Dies bietet ein größeres nutzbares Sichtfeld (Größenordnung 2 Winkelminuten). Diese Methode wird an bestehenden Großteleskopen getestet, wie z VLT und der Zwillingsteleskope. Es wird schließlich auf der extrem große Teleskope, wie E-ELT, Riesen-Magellan-Teleskop, und andere.
Andere Anwendungen
In den letzten Jahren wurde auch viel über die Anwendung dieser Techniken in der Mikroskopie und in der Augenheilkunde, um die Abbildungsfehler des Menschen zu vermeiden Auge und um entweder bessere Auflösungen für diagnostische Prozesse zu ermöglichen oder das menschliche Sehvermögen zu verbessern.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der adaptiven Optik sind Laserschneidanlagen mit Kohlendioxidlaser. Denn die Strahlen gehen durch bewegliche Spiegel und nicht durch Glasfasern, ändert die Weglänge des Strahls zwischen Laser- und Werkstück, je nach Position des Schneidkopfes. Um immer im Fokus zu bleiben, kommen adaptive Optiken zum Einsatz. Dies können beispielsweise hohle Kupferspiegel sein. Mittels Wasserdruck kann die Spiegelfläche mehr oder weniger gewölbt werden, so dass die Lage des Brennpunktes verändert wird.
Aktive und adaptive Optik
Während adaptive Optik gleicht die sich schnell ändernden Störeinflüsse der Atmosphäre aus, begrenzt aktive Optik wendet sich der Korrektur langsamer mechanischer Einflüsse auf das Teleskop selbst zu. Die Aktoren ähneln denen der adaptiven Optik, die Sensoren unterscheiden sich jedoch grundlegend.
Kompensieren optischer Fehler höherer Ordnung wie Unschärfe, Astigmatismus, Koma usw. (siehe auch Zernike-Polynom), gehört auch zum Bereich der aktive Optik.
Die Konzepte aktiv und adaptiv Optiken werden oft synonym verwendet. In der Astronomie unterscheiden sie sich hauptsächlich in der Geschwindigkeit der Regulierung: bei aktiver Optik liegt diese in der Größenordnung von 1 s−1, während es bei der adaptiven Optik um Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 100 s . geht−1 geht. Darüber hinaus kann adaptive Optik als Kontrolle verwendet werden Rückmeldungssystem gesehen werden, während aktive Optiken a Feedforward-System ist.[5]
Siehe auch
Literatur
- Tyson, RobertK., Einführung in die adaptive Optik. SPIE-Presse, Bellingham (2000), 116. ISBN 0-8194-3511-2 .
- Francois Roddier: Adaptive Optik in der Astronomie. Universität von Cambridge. Presse, Cambridge 2004, ISBN 0-521-55375-X
- Robert K. Tyson: Prinzipien der adaptiven Optik Akademie. Presse, Boston 1998, ISBN 0-12-705902-4
- Ulrich Wittrock: Adaptive Optik für Industrie und Medizin. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-23978-2
Externe Links
- (das) Adaptive Optik im Lexikon der Physik
- (das) Online-Tutorial Adaptive Optik, Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg. Guter Artikel über adaptive Optik.
- (und) Adaptive Optik an der University of Hawaii
Nüsse
- ↑Anders als beispielsweise Englisch und Deutsch unterscheidet das Niederländische zwischen Optik und Optik. Der Begriff Optik bezieht sich auf das Feld, während Optik bezieht sich auf die „Hardware“ (Linsen, Spiegel usw.).
- ↑(und) http://www.eso.org/public/teles-instr/technology/adaptive_optics.html Adaptive Optik (ESO) (aufgerufen am 22.08.2010)
- ↑(und) Die Gemini MCAO – Herausforderung und Chance (Gemini-Observatorium) (Zugriff am 22.08.2010)
- ↑(und) MAD: Demonstrator für multikonjugierte adaptive Optik (ESO) (Zugriff am 22.08.2010)
- ↑Dieser Ansatz bietet auch eine Möglichkeit, die beiden Begriffe zu unterscheiden. anpassen meint Einstellen. Adaptive Optik misst die Folgen eines externen, unvorhersehbaren Phänomens und korrigiert sie. Aktive Optik weiß selbst, was die vorhersehbare Wirkung bestimmter Teleskopbewegungen ist und korrigiert entsprechend (pro)aktiv vor dem.
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