Hauptstruktur des Extremely Large Telescope

Störgrößenkompensation für Riesenteleskopen

Im Rahmen verschiedener Projekte werden die Schätzung und Kompensation von Abbildungsstörungen in Riesenteleskopen untersucht. Diese Untersuchungen erfolgen in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Astronomie.
[Foto: ESO]

Aktuelle Forschungsprojekte

Störgrößenkompensationen für das Extremely Large Telescope

Derzeit wird das größte erdgebundene Teleskop, das Extremely Large Telescope (ELT), in der Atacama Wüste in Chile mit einem Primärspiegeldurchmesser von ca. 39 m gebaut. Das ELT wird gegenüber den existierenden 8m-Klasse Teleskopen eine fünffach größere Auflösung und eine 25-fach größere Lichtsammelleistung aufweisen, wodurch ein noch tieferer Blick ins Weltall ermöglicht wird. Zum voraussichtlichen Beobachtungsstart 2024 wird das Teleskop mit drei First-Light-Instrumenten

  • MICADO (Multi Adaptive Optics Imaging Camera for Deep Observations),
  • METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph),
  • HARMONI (High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field spectrograph)

ausgestattet sein. Hierbei ist das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) innerhalb internationaler Konsortien in den Bau der beiden Instrumente MICADO und METIS involviert, wobei es durch das Institut für Systemdynamik (ISYS) in regelungs-technischen Fragestellungen im Bereich adaptive Optik (AO) unterstützt wird.

Atmosphärische Turbulenzen und durch Wind erregte strukturmechanische Schwingungen des Teleskops erzeugen Bildstörungen in den Instrumenten. Damit die First-Light-Instrumente dennoch beugungsbegrenzte Untersuchungen vornehmen können, sind das ELT bzw. die First-Light-Instrumente mit AO ausgestattet. Der klassische AO-Regelkreis besteht aus einem Wellenfrontsensor zur Messung der Bildstörungen und einem verformbaren Spiegel zur Kompensation der Störungen.

 

Bild des ELT
Bild des ELT

 

Das Bild zeigt den schematischen Aufbau eines Teleskops. Dabei werden Störungen mithilfe des Wellenfrontsensors anhand eines Leitsterns korrigiert. Für den Wellenfrontsensor sind Bildvergrößerungsänderungen nicht sichtbar, weshalb ein zusätzlich Regelkreis geplant ist. Dieser misst die Bildvergrößerung über den Bildsensor des Instruments und stabilisiert über verschiedene Aktuatoren die Bildvergrößerung.
Adaptive Optik (AO) und Regelkreis der Bildvergrößerung (IMC)
Entwicklung neuer Konzepte zur Stabilisierung der Bildvergrößerung der ELT / MICADO Kamera.

In diesem Projekt wird untersucht, inwieweit Vibrationen in der Bildvergrößerung am ELT sich auf die Abbildungsleistung des MICADO-Instruments auswirken und wie diese kompensiert werden können. Dazu wird der derzeitige Regelkreis der adaptiven Optik (AO) um ein zusätzlichen Regelkreis für die Bildvergrößerung (IMC) erweitert, indem die Bildvergrößerung auf dem Bild des wissenschaftlichen Detektors ausgelesen wird.

Das MICADO-Instrument wird in den ersten Betriebsjahren am ELT mit dem optomechanisch einfacheren SCAO-Modus betrieben. Dieser Modus bringt eine ernsthafte Einschränkung mit sich: Mit einem Wellenfrontsensor (WFS) schärft SCAO das Bild nur für einen Leitstern (GS). Damit bleibt die Bildvergrößerung (R) als freier Parameter erhalten, und Biegungen und Schwingungen des Teleskops führen zu einer Änderung dieser. Sterne (S) am Rand des Sichtfeldes des ELT werden somit unscharf abgebildet. Das ISYS arbeitet an einem neuen Regelungskonzept, bei dem die Bildvergrößerung mit dem wissenschaftlichen Detektor (SD) direkt gemessen und mit den Aktoren der Relaisoptik (RO) und des Teleskops in einem Bildvergrößerungsregelkreis (IMC) stabilisiert wird.

Die Ziele des Projekts sind:

  • Modellierung der Dynamik der Bildvergrößerung basierend auf Strukturschwingungen der Teleskopspiegel
  • Beobachterentwurf für die Bildvergrößerung basierend auf den Messungen des wissenschaftlichen Detektors
  • Entwicklung eines IMC-Regelkreis unter Verwendung der Aktoren der Relaisoptik und des Teleskops
  • Analyse der gegenseitigen Beeinflussung von AO und IMC
  • Implementierung und Validierung des IMC-Regelkreis an einem Testaufbau

Das Projekt wird durch Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Projektpartner

Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg, Deutschland)

Bearbeiter

M.Sc. André Heining

Entwicklung neuer AO-Regelalgorithmen für das Instrument METIS

Mit dem Instrument METIS werden in Zukunft Beobachtungen im mittleren Infrarot-Bereich (3 - 13 µm) vorgenommen, um u.a. Exoplaneten zu finden und deren Atmosphären zu analysieren. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Beobachtungen mit möglichst hohem Kontrast mithilfe einer sehr schnellen (> 500 Hz) und hochgenauen AO-Regelung erzielt werden. Dazu werden im Rahmen dieses Projekts AO-Regelungskonzepte entwickelt, die für METIS trotz atmosphärischer Turbulenzen und mechanischer Strukturschwingungen möglichst beugungsbegrenzte Aufnahmen ermöglichen.

 

CAD-Rendering von METIS
CAD-Rendering von METIS

 

Der AO-Regelkreis von METIS besteht aus

  • einem Pyramiden-Wellenfrontsensor zur Messung der Bildstörungen und
  • dem verformbaren Spiegel M4 und dem Kippspiegel M5 des ELT, welche zur Kompensation der Bildstörungen verwendet werden.

Der verformbare Spiegel M4, der mit ca. 5400 Aktoren bestückt ist, kann mit einer hohen räumlichen Auflösung verformt werden und sehr schnell eine neue Form einnehmen. Allerdings weisen die M4-Aktoren nur einen geringen Stellweg auf, weshalb der Spiegel M4 die durch Verkippungen dominierten Bildstörungen nicht vollständig kompensieren kann. Deshalb wird der Kippspiegel M5 zusätzlich zum Spiegel M4 im AO-Regelkreis eingesetzt. Der Spiegel M5 besitzt jedoch einen Durchmesser von rund 2,5m, wodurch er hochfrequente Störungen nur in begrenztem Umfang korrigieren kann.

Die Ziele des Projekts sind:

  • Aufbau einer AO-„end-to-end“-Simulation, welche den optischen Weg von Beobachtungsobjekt bis zum Instrument nachbildet und folgendes berücksichtigt
    • atmosphärische Turbulenzen
    • durch Wind angeregte Strukturschwingungen
    • dynamische Verhalten der aktiven Komponenten M4 und M5 des ELTs
  • Entwicklung von modellbasierten AO-Reglerkonzepten mit besonderem Augenmerk auf
    • die Berücksichtigung von Stellgrößenbeschränkungen im Spiegel M4
    • den Umgang mit Aktorausfällen im Spiegel M4
    • die Aufteilung der Störungskompensation auf die aktiven Spiegel
Weitere Informationen zu METIS:
Projektpartner

Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg, Deutschland)

Bearbeiter

M.Sc. Philip Neureuther

Abgeschlossene Forschungsprojekte

Das Large Binocular Telescope (LBT) ist das weltweit modernste Teleskop für die Messung im infraroten und sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts. Dazu besitzt das Spiegelteleskop zwei symmetrische Spiegelsysteme mit jeweils einem Primärspiegel von 8.4m Durchmesser und einem adaptiven Sekundärspiegel von ca. 1m Durchmesser.

Während des Betriebs kommt es am LBT zu unerwünschten Vibrationen, die durch auftretende Windlasten oder hochfrequente mechanischen Störungen durch Geräte und Maschinen im Teleskop-Gebäude hervorgerufen werden. Dies führt wiederum dazu, dass das einfallende Licht in den beiden symmetrischen Spiegelsystemen nicht genau den gleichen optischen Weg zum Detektor zurücklegt und diese Differenz bei interferometrischen Messungen während der Lichtintegration am Detektor zu einem Verschmieren der sogenannten Fringe-Muster führt.

Ziel dieses Projektes ist es daher, Methoden zur zuverlässigen Schätzung von Teleskopvibrationen aus vorhandenen Beschleunigungsmessungen zu entwickeln und die Differenz im optischen Strahlengang (Optical Pathway Difference - OPD) zu schätzen. Nachfolgend wird ein Regler entworfen, der unter Zuhilfenahme eines opto-mechanischen Korrekturlements die gestörte OPD korrigiert und die maximalen Phasenabweichungen im optischen Strahlengang des Teleskops auf weniger als 100nm minimiert. Die unterlagerte Regelung für das mittels Piezoaktuatoren verschiebbare optische Korrekturelement wurde ebenfalls am ISYS entwickelt.

 

Bild des LBT
Bild des LBT

 

Das in dem oberen Bild vom Large Binocular Telescope dargestellte Entwicklungsstadium des mechanischen Aufbaus lässt bereits die zwei Primärspiegel (auf der rot gestrichenen Trägerstruktur) und die zwei adaptiven Sekundärspiegel (an den schwarz gestrichenen Auslegerarmen) erkennen. Die zwei adaptiven Sekundärspiegel können ihre Oberfläche durch je 672 verteilte Schwingspulen-Aktuatoren verformen. Damit kann eine Phasenkorrektur des einfallenden Lichtes zur Kompensation atmosphärischer Turbulenzen in Echtzeit durchgeführt werden.

Das Projekt war in folgende fünf Teilabschnitte gegliedert:

  • Mathematische Modellierung des Teleskops und simulative Ermittlung der Teleskopvibrationen
  • Vergleich von Simulationsergebnissen und Messdaten
  • Identifikation bzw. Validierung und Anpassung des entwickelten Teleskopmodells
  • Entwurf eines Beobachters für die Teleskopvibrationen und die Differenz im optischen Pfad
  • Reglerentwurf für das opto-mechanische Korrekturelement
Projektpartner

Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg, Deutschland), Large Binocular Telescope Observatory (Tucson, Arizona, USA)

Bearbeiter

Dr.-Ing. Michael Böhm

In diesem Projekt wurde untersucht, inwieweit Strukturvibrationen am ELT das Auflösungsvermögen von MICADO beeinflussen und wie diese kompensiert werden können. Dazu wurden bestehende AO Regelungskonzepte durch eine modellbasierte Störgrößenaufschaltung für die Vibrationskompensation weiterentwickelt.

 

Bild von MICADO
Bild von MICADO

 

Aufgrund konstruktionsbedingter Spiegelmontierungen treten „hochfrequente“ Strukturvibrationen (5 - 50 Hz) im optischen Pfad auf, welche für die Beobachtung mit schwachleuchtenden Leitsternen nicht vollständig unterdrückt werden können. In diesem Fall wird die Belichtungszeit des Wellenfrontsensors für ein größeres Auflösungsvermögen verlängert, wodurch aber die Bandbreite des AO-Regelkreises verringert wird und die hochfrequenten Vibrationen nicht mehr vollständig unterdrückt werden können.

Das ISYS verfolgt daher einen neuartigen Ansatz, bei dem die Strukturschwingungen mit zusätzlicher Beschleunigungssensorik und höherer Abtastrate am Teleskop gemessen und als Störgrößenaufschaltung auf den bestehen AO-Regelkreis gegeben wird. Dieser Ansatz wurde bereits am Large Binocular Telescope (LBT) für die Kompensation der optischen Pfaddifferenz im LBT Interferometer (LBTI) gezeigt. In diesem Projekt wird die Kompensation von Verkippungen am ELT untersucht.

In diesem Projekt wurden folgende Fragestellungen untersucht:

  • Aufbau eines Versuchsstandes zur Nachbildung der Störungen im optischen Pfad des Teleskops und deren Kompensation
  • Entwicklung einer geeigneten modellbasierten Störgrößenaufschaltung mit zusätzlicher Beschleunigungssensorik für den AO-Regelkreis, mit deren Hilfe die Bandbreite des optischen Regelkreises verringert werden kann
  • Optimale Ansteuerung der aktiven Komponenten im optischen Pfad
  • Einbringung der erarbeiteten Resultate in die Konstruktion von MICADO und des ELT

Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Projektpartner

Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg, Deutschland)

Bearbeiter

Dipl.-Ing. Martin Glück

Publikationen

  • P. L. Neureuther, K. Schmidt, T. Bertram & O. Sawodny, “Control oriented modelling and modal analysis of the deformable mirror M4 of the Extremely Large Telescope”, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, 27, pp. 295-321, 2021, doi:10.1080/13873954.2020.1850480
  • M. Böhm, M. Glück, A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Improving the performance of interferometric imaging through the use of disturbance feedforward”, J. Opt. Soc. Am. A, 34, pp. A10-A21, 2017, doi:10.1364/JOSAA.34.000A10
  • M. Glück, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Investigations of an Accelerometer-based Disturbance Feedforward Control for Vibration Suppression in Adaptive Optics of Large Telescopes”, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 129, 2017, doi:10.1088/1538-3873/aa632b
  • M. Böhm, J.-U. Pott, M. Kürster, O. Sawodny, D. Defrère & P. Hinz, “Delay Compensation for Real Time Disturbance Estimation at Extremely Large Telescopes”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2016, doi:10.1109/TCST.2016.2601627
  • M. Böhm, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Real Time Vibration Compensation for Large Telescopes”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 442, pp. 2446-2455, 2014, doi:10.1093/mnras/stu1012
  • P. L. Neureuther, T. Bertram & O. Sawodny, “A Crossover Network based Control Concept for the Tip-Tilt Rejection in the Mid-Infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS)”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Boston (virtual), 2020
  • P. L. Neureuther, T. Bertram & O. Sawodny, “An advanced SCAO control concept based on mechanical mirror modes for METIS”, SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, San Diego, USA (virtual), 2020, doi:10.1117/12.2560623
  • P. L. Neureuther, T. Bertram & O. Sawodny, “A new SCAO control concept based on mechanical mirror modes for METIS”, Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes (AO4ELT6), Québec City, Canada, 2019
  • P. L. Neureuther, K. Schmidt & O. Sawodny, “Modellierung und Modalanalyse des deformierbaren Spiegels M4 im Extremely Large Telescope”, GMA FA 1.30, Salzburg, Austria, 2019
  • M. Böhm, J.-U. Pott, J. Borelli, P. Hinz, D. Defrère, E. Downey, J. Hill, K. Summers, A. Conrad, M. Kürster, T. Herbst & O. Sawodny, “OVMS-plus at the LBT. Disturbance compensation simplified.”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, pp. 99062R, doi:10.1117/12.2231268
  • D. Defrère, P. Hinz, E. Downey, M. Böhm, W. Danchi, O. Durney, S. Ertel, J. Hill, W. Hoffmann, B. Mennesson, R. Millan-Gabet, M. Montoya, J.-U. Pott, A. Skemer, E. Spalding, J. Stone & A. Vaz, “Simultaneous Water Vapor and Dry Air Optical Path Length Measurements and Compensation with the Large Binocular Telescope Interferometer”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, pp. 99071G, doi:10.1117/12.2233884
  • M. Glück, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Simulation of an Accelerometer-based Feedforward Vibration Suppression in an Adaptive Optics System for MICADO”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, doi:10.1117/12.2231852
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of fast telescope vibrations from delayed measurements”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, doi:10.1117/12.2231667
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of vibrations from delayed measurements”, IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, NSW, Australia, 2015, doi:10.1109/CCA.2015.7320666
  • M. Böhm, J.-U. Pott, O. Sawodny, T. Herbst & M. Kürster, “Real Time Estimation of Differential Piston at the LBT”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Montreal, Canada, 2014, doi:10.1117/12.2055833
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based position reconstruction for the feedforward compensation of fast telescope vibrations in the E-ELT/MICADO”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Montreal, Canada, 2014, doi:10.1117/12.2053769
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of vibrations in extremely large telescopes”, IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, 2014, pp. 7467-7473, doi:10.3182/20140824-6-ZA-1003.00265
  • M. Böhm, J. Pott, M. Kürster & O. Sawodny, “Modeling and Identification of the Optical Path at ELTs – a Case Study at the LBT”, IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Hangzhou, China, 2013, pp. 249-255, doi:10.3182/20130410-3-CN-2034.00014
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “An accelerometer based dual loop approach to minimize the impact of fast telescope vibrations seen by the E-ELT/MICADO wavefront sensors”, Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes Conference (AO4ELT), Florence, Italy, 2013
  • J.-U. Pott, M. Kürster, J. Trowitzsch, J. Borelli, R.-R. Rohloff, T. Herbst, M. Böhm, A. Keck, T. Ruppel & O. Sawodny, “New developments at MPIA in Heidelberg to make AO more sensitive and precise”, Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes Conference (AO4ELT), Florence, Italy, 2013
  • M. Böhm, T. Ruppel, J.-U. Pott, O. Sawodny, T. Herbst & M. Kürster, “Modelling the optical pathway of the Large Binocular Telescope”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Amsterdam, Netherlands, 2012, doi:10.1117/12.926293
  • A. Keck, J.-U. Pott, T. Ruppel & O. Sawodny, “Development of new concepts to minimize the impact of fast telescope vibrations seen by the E-ELT/MICADO wavefront sensors”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Amsterdam, Netherlands, 2012, doi:10.1117/12.927030
  • J.-U. Pott, M. Kürster, J. Trowitzsch, J. Borelli, R.-R. Rohloff, T. Herbst, M. Böhm, A. Keck, T. Ruppel & O. Sawodny, “Intelligent vibration control of ELTs and large AO hardware”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Amsterdam, Netherlands, 2012, doi:10.1117/12.927028
  • M. Böhm, “Strategies for Disturbance Compensation at Large Telescopes”, 2017
  • M. Böhm, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Störgrößenkompensation im optischen Pfad von Riesenteleskopen mittels aktiver Optik”, 2013
Dieses Bild zeigt André Heining
M. Sc.

André Heining

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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M.Sc.

Philip Neureuther

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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