Simulationsrechnungen anisoplanatischer Übertragungsfunktionen für solare Adaptive Optik
Simulation of anisoplanatic transfer functions for solar Adaptive Optics
von Markus Josef Sailer
Datum der mündl. Prüfung:2006-08-03
Erschienen:2006-11-06
Betreuer:Prof. Dr. Franz Kneer
Gutachter:Prof. Dr. Franz Kneer
Gutachter:Prof. Dr. Oskar von der Lühe
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
With the Adaptive Optics (AO) System KAOS (Kiepenheuer Adaptive Optics System), installed at the Vacuum-Tower-Telescope (VTT) on Tenerife (Spain) and developed at the Kiepenheuer-Institut for solar physics (KIS) in Freiburg (Germany), observations with online correction of the atmospheric seeing have been possible for a few years. Thus, we obtain significantly more high quality raw image data, than it was possible without AO. Problems, however, appear when we consider the specific technique of further image treatment, as well as there arrise difficulties in the scientific interpretation of the quantitative information content of such data. The reason for this is to be found mainly in the changed statistics of the residual wave front errors after AO compensation, when compared to the pure atmospheric influences. The impact of the differences and the strength of the effects depend, of course, on the sensitivity of the AO system, which in turn reacts to the actual atmospheric conditions and therefore becomes time dependent. In addition, the data show a second conspicuous effect, namely the anisoplanatism, which stems from the correction of the wave front in only one distinguished viewing direction. With this, we have an imaging quality changing within the field of view (FOV), depending on the light"s corresponding propagation path through the earth"s turbulent atmosphere. As a third effect, the time delay between measurement and applied correction of the wave front influences the compensation performance even further.From the desire to investigate the performance of KAOS and its effect on the image quality I chose numerical simulations for the presented work in order to model the actual point spread function (PSF) or the equivalent optical transfer function (OTF). Wave fronts, represented by synthetic phase screens with atmospheric statistics for the phase retardations, were propagated through the optical setup, where the main optical elements of KAOS were modelled to warrant a phase compensation of the wave fronts as realistic as possible. For each sequence of such corrected phase screens, i.e. smoothed wave fronts, the according longterm-PSF and speckle transfer function (STF) was calculated for a number of combinations of certain parameters (viewing angle, level of compensation, turbulence strength, wind) and the impact on the image quality investigated.The results of this simulation have been applied to real observational image data in the ""Göttinger Speckle Masking Reconstruction Algorithm"", where the traditional assumption of a constant PSF throughout the FOV could be abandoned. Here, the comparison with the conventional method shows significant discrepancies in reconstructed intensities as well as in the rms-contrast.
Keywords: Adaptive Optics; Seeing; Optical transfer function; Astronomical Observation; Sun; Speckle
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Mit dem Adaptiven Optischen (AO) System KAOS
(Kiepenheuer Adaptive Optics System), installiert am
Vakuum-Turm-Teleskop (VTT) auf Teneriffa (Spanien) und
entwickelt am Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik in
Freiburg (Deutschland), sind seit wenigen Jahren
Beobachtungen mit Online-Korrektur des
atmosphärischen Seeings möglich. Somit können bedeutend
häufiger Rohdaten höchster Qualität aufgenommen werden,
als dies ohne die AO möglich war, jedoch ergeben sich
Probleme für die Verfahren zur Nachbehandlung von
Bilddaten, wie auch für die wissenschaftliche
Interpretation des quantitativen Informationsgehaltes
solcher Daten. Der Grund dafür ist vor allem in der
gegenüber dem rein atmosphärischen Einfluss veränderten
Statistik der residuellen Wellenfrontfehler zu suchen,
die nach der AO-Korrektur übrigbleiben. Dabei hängt die
Größe der Unterschiede und die Stärke der Effekte von
der Korrekturempfindlichkeit des AO-Systems ab, das
sich seinerseits auf die atmosphärischen Bedingungen
einstellt und damit zeitabhängig wird. Durch die
Korrektur der Wellenfront in einer einzigen Richtung
tritt zusätzlich als auffälliger Effekt der
Anisoplanatismus in Erscheinung, der die
Abbildungsqualität im Gesichtsfeld (FOV)
blickrichtungsabhängig macht. Schließlich beeinflusst
auch noch die zeitliche Verzögerung zwischen Messung
und Korrektur der Wellenfront die Güte der
Kompensationsleistung.Aus dem Wunsch heraus, die
Punktverbreiterungsfunktion (PSF) bzw. die äquivalente
Optische Übertragungsfunktion (OTF) zu modellieren, um
Aussagen über die Wirkung von KAOS auf die Bildqualität
treffen zu können, wurde in dieser Arbeit der Weg einer
Simulation gewählt. Darin wurden Wellenfronten,
dargestellt durch synthetische Phasenschirme mit
atmosphärischer Statistik der Phasenverzögerungen,
durch den optischen Aufbau propagiert, wobei die
wichtigsten optischen Elemente von KAOS modelliert
wurden, um eine möglichst realistische
Phasenkompensation der Wellenfronten zu erreichen. Aus
jeweils einer Reihe so korrigierter Phasenschirme, d.h.
geglätteten Wellenfronten, wurden für eine Reihe von
Kombinationen der Parameter (Blickwinkel,
Korrekturniveau, Turbulenzstärke, Wind) die
entsprechende Langzeit-PSF und
Speckle-Übertragungsfunktion (STF) berechnet und die
Auswirkungen auf die Bildqualität untersucht.Die Simulationsergebnisse wurden im ""Göttinger
Speckle-Masking Rekonstruktionsalgorithmus"" auf
Beobachtungsdaten angewandt, wobei die konventionelle
Annahme einer über das Gesichtsfeld konstanten PSF
fallengelassen werden konnte. Hier zeigt der Verleich
mit der herkömmlichen Methode signifikante Unterschiede
in den rekonstruierten Intensitäten und im
Kontrast.
Schlagwörter: Adaptive Optik; Seeing; Übertragungsfunktion; STF; Astronomische Beobachtung; Sonne