Stockholm University Logo

Das schwedische 1-Meter Solarteleskop steht auf der kanarischen Insel La Palma und ist auf dem Gebiet der hochauflösenden Sonnenbetrachtung weltweit führend. Es wird vom Institut für Solarphysik betrieben, das zum Fachbereich Astrophysik der Stockholmer Universität gehört. Das wichtigste Forschungsziel des Instituts ist es, mehr über die äußere Hülle der Sonnenatmosphäre zu erfahren, die von Magnetfeldern geprägt ist: Wie entstehen Magnetfelder? Wie werden sie geformt und letztendlich zerstört oder von der Oberfläche der Sonne entfernt? Wie beeinflussen sie die äußere Atmosphäre der Sonne? Sind sie für Sonnenstürme und die energetische Strahlung der Sonne mit verantwortlich?

Swedish Solar Telescope

Diese Fragestellungen werden mit Hilfe von Beobachtungsdaten des schwedischen Solarteleskops untersucht. Das Teleskopsystem ist auf 60 x 60 Bogensekunden der Sonne ausgerichtet, was einer Fläche von 43.320 x 43.320 km der Sonnenoberfläche entspricht. Diese Fläche ist dreimal größer als die Oberfläche der Erde, macht aber nur 0,03% der Sonnenoberfläche aus.

Um den Effekt atmosphärischer Störungen auszugleichen, ist das Teleskop mit einer adaptiven Optik ausgerüstet. Atmosphärische Störungen werden von der Erdatmosphäre verursacht, die das Licht in willkürlicher Richtung krümmt. Sie sind der Grund, warum Sterne funkeln und sich die Sonne beim Sonnenuntergang wellt. Ohne die adaptive Optik würde das schwedische Solarteleskop nur verschwommene Bilder produzieren.

Das Konzept der adaptiven Optik

Das adaptive Optiksystem innerhalb des schwedischen Solarteleskops, das vom Swedish Research Council finanziert wurde, besteht aus einem Shack-Hartmann Wellenfrontsensor und einem deformierbaren Spiegel. Der Sensor besteht aus einer Glasplatte mit eingeätzten Mikrolinsen. So wird die Austrittspupille des Teleskops in 85 Segmente unterteilt. Jedes Segment liefert ein individuelles Bild der Sonne. Die atmosphärische Störung verändert das Bild – und zwar in jedem Segment anders. Die Veränderungen werden gemessen und in Befehle an den deformierbaren Spiegel umgewandelt. Dieser verändert dann entsprechend seine Form, um die Verzerrungen zu kompensieren.

Schematische Darstellung der Adaptiven Optik.

Schematische Darstellung des Prinzips des Shack-Hartmann Wellenfrontsensors. Links: Ohne atmosphärische Störung bleiben die eingehenden Lichtstrahlen parallel. Die Wellenfront ist eben. Rechts: Aufgrund atmosphärischer Störungen werden die Lichtstrahlen gebogen und treffen in verschiedenen Winkeln auf die Mikrolinsen. Die Wellenfront ist gekrümmt. Der deformierbare Spiegel reagiert laufend, um die Veränderungen zu kompensieren.

Wavefront Sensor Beam at the Swedish Solar Telescope.

Von links unten nach rechts oben: Zuerst kommt die Mikrotron Kamera. Vor der Kamera ist der Shack-Hartmann Wellenfrontsensor positioniert. Auf halber Strecke des Trägers sitzt die Re-Imaging Linse und am Ende des Trägers ist eine bewegbare Sehfeldblende. Etwas versetzt ist ein Breitbandfilter zur Selektierung von Grünlicht. Dahinter ist eine Prismenschiene und ein LWL-Strahlteiler, der einen Teil des Lichts zum Wellenfrontsensor umleitet. 

Die Notwendigkeit von High-Speed Ausrüstung

High-Speed Camera with Shack-Hartmann Sensor

Die große Herausforderung bei diesem Prozess ist die sehr schnelle Veränderung der Atmosphäre. Die Anpassung des Spiegels muss also sehr exakt und in einer sehr hohen Frequenz verlaufen. Das adaptive Optik-System des schwedischen Solarteleskops muss den deformierbaren Spiegel idealerweise mehr als 1.000 Mal pro Sekunde korrigieren. Dazu ist High-Speed Technologie erforderlich.

Die EoSens® CL High-Speed Kamera von Mikrotron wurde 2011 installiert und wird zur Aufzeichnung des vom Shack-Hartmann Wellenfrontsensor geformten Bilds verwendet. In der Nahaufnahme rechts ist der Shack-Hartmann Sensor vor der EoSens® CL Kamera positioniert. Auf dem CMOS Sensor selbst sieht man eine Spiegelung des Kamerabildes – ein Bienenwabenmuster, das von den Mikrolinsen des Shack-Hartmann Sensors gebildet wird. Dieses Bild wird aus vielen kleinen Bildern der Sonne zusammengesetzt, wobei jedes einzelne Bild von einem Segment der Austrittspupille erstellt wird.

Schon während das Bild an den Computer weitergeleitet wird, erfolgt die Bildverarbeitung. Bereits bei der Aufnahme der letzten Zeilen des Kamerabildes hat der Computer schon die Phasenvariation der gesamten Austrittspupille kalkuliert. Er muss dann nur noch berechnen, wie der Spiegel deformiert werden muss, um eine umgekehrte Phasenvariation zu erzeugen. Innerhalb von einer Sekunde werden 2.000 Bilder extrahiert, aufbereitet und gemessen.

Image Formed by the Shack-Hartmann Wavefront Sensor

Das vom Shack-Hartmann Wellenfrontsensor erzeugte Bild, aufgenommen von der EoSens® CL High-Speed Kamera. Es ist deutlich zu sehen, wie die Mikrolinsen die Austrittspupille des Teleskops in 85 Einzelbilder aufteilt. Jedes Video besteht aus 1.000 Einzelbildern. Die Aufnahmegeschwindigkeit der Kamera beträgt 2.000 fps (2 kHz). Das Teleskop wurde leicht seitlich zu einem Sonnenfleck ausgerichtet, der als schwarzer Fleck auf den Teilbildern zu sehen ist. Die Aufnahme wurde nicht bearbeitet und zeigt die Rohdaten.

Sehen Sie das Video.

Interface of Adaptive Optics Software at the SST

Die Benutzeroberfläche der adaptiven Optik-Software am SST. Der Screenshot zeigt die Benutzeroberfläche, die Beobachter am schwedischen Solarteleskop sehen. Die grünen Kästen stellen die Einzelbilder der Linse dar. Die kleinen roten Kreuze zeigen die von der Software kalkulierten Veränderungen der Teilbilder an. Diese Veränderungen werden dann in Befehle für den deformierbaren Spiegel umgewandelt.

Sehen Sie hier das Video.

Schnelle Datenübertragung

Um die höchstmögliche Bandbreite zu gewährleisten, verlassen sich die Forscher am Institut für Solarphysik auf die folgenden Features der EoSens® CL von Mikrotron:

  • Die Bilder werden über die Full CameraLink® Schnittstelle übertragen. Diese ist ebenso robust wie leistungsstark und lässt sich leicht in bestehende Anwendungen oder Anordnungen integrieren. Sie ermöglicht die High-Speed Übertragung von Daten in drei Konfigurationen. Es ist die schnellste Variante “Full” eingestellt.
  • Die EoSens® CL ist mit 8 Taps ausgestattet. Ein Tap ist ein Datenpfad, der die Bilddaten überträgt.
  • Die Pixeltaktfrequenz ist auf 80 MHz voreingestellt. Mit jedem Pixeltakt wird die digitale Einheit von einem Pixel übertragen. CameraLink® ist für einen Pixeltaktbereich von 20 bis 85 MHz ausgelegt.
  • Es wird ein ROI (Region of Interest) von 432x 400 Pixeln festgelegt. So können mehr als 2.400 Bilder pro Sekunde ausgelesen werden, bevor der CameraLink® Bus ausgelastet ist.
  • In der Praxis wird aber nur eine Bildrate von 2.000 fps eingestellt. Würde man mit der maximalen Bildrate aufnehmen, gingen durch jede technische Panne oder Verzögerung bei der Bildverarbeitung Einzelbilder verloren. Durch die verringerte Geschwindigkeit ist gewährleistet, dass die Kamera 24 Stunden am Tag fehlerfrei läuft.

Der eingebaute Bildzähler spürt verlorene Einzelbilder auf und prüft, ob der Framegrabber mit den eingehenden Bildern richtig synchronisiert ist. Der Output der EoSens® CL Kamera beträgt 10-bit pro Pixel. “Das ist zwar ein schönes Feature, aber wir bearbeiten die Bilder in Echtzeit.”, sagt Guus Sliepen, Forschungsingenieur am Institut für Solarphysik. “Mit einer Übertragung von 8-bit pro Pixel können wir bestimmte Optimierungen vornehmen, ohne dabei die verfügbare Leistung des CPU zu überreizen.“

Bereitstellung von Rohdaten

Detailed Image of Sun Spots
Sonnenflecken sind der sichtbarste Effekt der magnetischen Aktivität. Da sie kälter sind als die sie umgebende Photosphäre, erscheinen sie auf dem Bild dunkel.
Magnetic Fields on Sun - H-Alpha Image
Magnetische Feldlinien sind am besten in H-Alpha Aufnahmen zu erkennen.

Nicht alle Features der EoSens® CL sind in jedem Setup hilfreich. Deshalb können alle in der EoSens® CL Kamera integrierten Tools zur Bildverbesserung abgeschaltet werden. Um sicherzustellen, dass die Kamera auch wirklich unbearbeitete Daten liefert, sind beim schwedischen Solarteleskop sowohl die FPN (Fixed Pattern Noise)-Korrektur als auch die digitale Verstärkung deaktiviert. „Wir haben die Korrekturfunktionen der Kamera deaktiviert, weil unser optisches System an sich nicht perfekt ist und so jeden Pixel auf unterschiedliche Weise verstärkt und verschiebt“, erklärt Guus Sliepen. „Also messen wir das Dunkelfeld und das Flachfeld des gesamten optischen Systems und nehmen die Korrektur mit unserer Software vor.“ Eine Ausnahme bildet dabei der Schwarzwert-Ausgleich: Um sicherzustellen, dass selbst in kompletter Dunkelheit jedes Pixel einen Wert von über 0 hat, wird dieses Feature entsprechend angepasst.

Einfache Handhabung

Auf die Frage nach den besten Features der Kamera erwähnt Guus Sliepen ihre erstklassige Geschwindigkeit und die ausgezeichnete Leistung. Er betont aber auch die einfache Handhabung: “Die Kamera benötigt keine Firmware-Uploads oder proprietäre Steuerungs-Tools”, sagt er. “Auch die serielle Schnittstelle ASCII ist sehr einfach bedienbar.” Zudem lobt er auch das gut durchdachte Design der Kamera. “Sie ist sehr solide und kompakt konstruiert und die Schraubenlöcher sind so platziert, dass die Kamera leicht montierbar ist.” Sein Fazit: “Die EoSens® CL Kamera ist die am einfachsten bedienbare CameraLink® Kamera, mit der ich bisher gearbeitet habe.”

The Quiet Sun

Ruhige Sonnenaktivität, vom schwedischen Solarteleskop in 2014 aufgezeichnet. Dieses Bild zeigt eine ungewöhnlich ruhige Sonne. Es sind wenige Sonnenflecken zu sehen. Die Körnungen entstehen durch die Konvektion und sind Tropfen von aufstrebendem und fallendem Gas. Die hellen Flecken, die sich in den Abständen zwischen den Körnungen ausbilden, sind Sonnenfackeln. Dieses Bild illustriert die ausgezeichnete Bildqualität des schwedischen Solarteleskops. Mit kleineren Teleskopen können die hellen Flecken nichthochauflösend dargestellt werden. 

Sehen Sie das Video.