Beugungsbegrenzte sichtbare Abbildung für Teleskope mit großer Apertur

Eine neue Veröffentlichung aus Optoelektronische Fortschritte diskutiert beugungsbegrenzte sichtbare Bildgebung für Teleskope mit großer Apertur.

Der in der adaptiven Optik verwendete verformbare Spiegel kann seine Oberfläche ändern, um die statische Wellenfrontaberration des optischen Systems und die Wellenfrontstörung durch atmosphärische Turbulenzen sofort zu korrigieren. Dadurch kann sich das optische System automatisch an Veränderungen in der Umgebung anpassen und eine optimale Leistung aufrechterhalten. Bei der hochauflösenden astronomischen Beobachtung, der atmosphärischen Laserübertragung und der biomedizinischen Bildgebung wird davon umfassend Gebrauch gemacht.

Das traditionelle astronomische adaptive Optiksystem wird normalerweise auf einer vom Teleskop unabhängigen Plattform installiert und besteht hauptsächlich aus speziellen verformbaren Spiegeln, Kippspiegeln, Wellenfrontsensoren und optischen Relaiselementen usw. Da es zahlreiche optische Komponenten und eine lange Optik gibt Allerdings gibt es Probleme mit dem enormen Volumen des Systems, der erheblichen statischen Aberration und dem geringen Energieverbrauch des Lichts.

Daher ist diese Architektur für die Messung und Korrektur der Wellenfront schwacher Sterne bei hoher räumlicher und zeitlicher Frequenz nachteilig.

Das Konzept des verformbaren Sekundärspiegels (DSM), bei dem der Sekundärspiegel des Teleskops zur Wellenfrontkorrektur in einen verformbaren Spiegel umgewandelt wird, wurde erstmals vom amerikanischen Astronomen Beckers als Mittel zur Behebung der oben genannten Mängel vorgeschlagen. Dieses Konzept ermöglicht die tiefe Integration des Teleskops und des adaptiven Optiksystems.

Seitdem haben zahlreiche bekannte bodengestützte astronomische Observatorien mit großer Apertur, darunter MMT, LBT, Magellan und VLT, den schwingspulenverformbaren Sekundärspiegel (VCDSM) erfolgreich eingesetzt und damit die Machbarkeit der DSM-Technologie bewiesen.

Gleichzeitig begann das Institut für Optik und Elektronik mit der Erforschung der piezoelektrischen DSM (PDSM)-Technologie. Anschließend entwickelten die Forscher den ersten PDSM-Prototyp mit 73 Einheiten, der 2016 erfolgreich auf einem 1,8-Meter-Teleskop zur Beobachtung am Himmel installiert wurde.

Es wird gezeigt, dass die PDSM-Technologie für die astronomische Beobachtung praktisch ist. Im Vergleich zu VCDSM ist PDSM kompakter und benötigt keine zusätzlichen Kühlsysteme, interne Steuerelektronik oder Aktorpositionssensoren. In diesem Artikel wird das neue PDSM mit 241 Einheiten vorgestellt, das vom Institut für Optik und Elektronik entwickelt wurde, und seine Anwendung am adaptiven 1,8-m-Teleskop des Lijiang-Observatoriums, das vom Schlüsselprojekt der National Natural Science Foundation of China unterstützt wird.

PDSM-241 ist mit einem Spiegel aus Quarz mit einem Durchmesser von 320 mm und einer freien Apertur von etwa 270 mm ausgestattet und wird von 241 piezoelektrischen Aktoren angetrieben, um seine Oberfläche zur Wellenfrontkorrektur zu verändern. Die selbstkorrigierte Aberration von PDSM-241 beträgt etwa 10 nm.

Die Struktur des adaptiven 1,8-m-Teleskops von Lijiang umfasst ein kombiniertes Wellenfrontkorrekturgerät, das PDSM-241 und Hexapod kombiniert und mit einem großen Hub und großer Präzision sowohl eine Nachführung als auch eine Wellenfrontaberrationskorrektur höherer Ordnung erreichen kann. Der Hauptspiegel des 1,8-Meter-Teleskops reflektiert den durch atmosphärische Turbulenzen verzerrten Sternstrahl, der dann durch PDSM-241 und Hexapod hinsichtlich Spitzenneigung und Wellenfrontaberration höherer Ordnung korrigiert wird. Schließlich reflektiert der Tertiärspiegel den Strahl zum Wellenfrontsensor und zu hochauflösenden Bildkameras am Nasmyth-Fokus.

Das adaptive 1,8-m-Teleskop von Lijiang hat mithilfe der effizienten Closed-Loop-Korrektur von PDSM-241 hochauflösende Bilder von Sternen aufgenommen. Gezeigt werden Bilder aus dem sichtbaren R-Band (zentrale Wellenlänge 640 nm), deren Abbildungsauflösung das 1,25-fache der Beugungsgrenze erreicht und deren Abbildungs-Strehl-Verhältnisse (SR) nahe bei 0,5 liegen.

Mit dem Ziel, den Anforderungen einer hohen Integration und hohen Auflösung optischer Teleskope mit großer Apertur gerecht zu werden, hat diese Forschung beeindruckende Fortschritte bei der Entwicklung leistungsstarker piezoelektrisch verformbarer Sekundärspiegel und astronomischer Beobachtungsanwendungen erzielt. Dies vereinfacht den Aufbau hochauflösender optischer Teleskope mit großer Apertur weiter und verbessert die Bildauflösung, was einen erheblichen Anwendungswert in der Astronomie hat.