DE3238108A1

DE3238108A1 - Adaptives optisches system

Info

Publication number: DE3238108A1
Application number: DE19823238108
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Phys. 8011 Egmating Czichy; Rudolf Dipl.-Phys.Dr. 8019 Glonn Protz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-10-14
Filing date: 1982-10-14
Publication date: 1984-04-19
Also published as: ES526502A0; ES8405959A1; FR2534701A1; GB8326088D0; GB2128733A

Description

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Adaptives optisches System

Die Erfindung betrifft ein adaptives optisches System zur Korrektur von insbesondere durch atmosphärische Störungen verursachten dynamischen Abbildungsfehlern mit mindestens einem Korrekturspiegel mit steuerbar deformierbarer Oberfläche, einem optoelektrischen Sensor innerhalb einer Bildebene des Systems sowie einer mit dem Sensor verbundenen Steuereinheit für den Korrekturspiegel.

Von den bisher bekanntenadaptiven optischen Systemen (sh. z.B. John W. Hardy, "ACTIVE OPTICS: A NEW TECHNOLOGY FOR THE CONTROL OF LIGHT"; Proceedings of the IEEE, Vol. 66, No. 6, June 1978) erlangten vornehmlich diejenigen mit einer sog. Wellenfrontkorrektur eine besondere Bedeutung. Als Wellenfrontkorrekturelement haben sich dabei die Spiegel mit deformierbarer Oberfläche bewährt, welche z.B. mit piezoelektrischen Stellgliedern ausgerüstet sind. Als Sensorelement dient dabei ein sog.

Wellenfrontdetektor, von dem aus die Stellglieder des Spiegels über einen Rechner mit Stellsignalen so versorgt werden, daß Wellenfrontdeformationen korrigiert werden. Da mit derartigen, die Wellenfronten erfassenden und korrigierenden Systemen nicht die Güte einer erzielten Abbildung, sondern die Deformation einer im optischen System eintreffenden Wellenfront gemessen wird, ist eine punktförmige Referenzlichtquelle, z.B. ein Stern, erforderlich. Die Wirksamkeit von Wellenfrontsensoren in Verbindung mit einer inkohärenten, großflächigen Lichtquelle, wie z.B. die Sonnenoberfläche, ist zumindest fraglich.

Aus der obengenannten Schrift ist weiterhin ein adaptives optisches System bekannt, bei welchem mittels einer Intensitätsmessung Rückschlüsse auf die Bildschärfe und

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die Störung der Wollenfront gezogen wird. Mit Hilfe eines Spiegels mit steuerbar de Earmi erbarer Oberfläche und einer vorgeschalteten steuerbaren Blende wird dann ebenfalls eine Korrektur von Wellenfrontdeformat ionen vorge^ri nommen. Auch dieses Verfahren ist: für inkohärente großflächige Lichtquellen, wie sie z.B. die Sonnenoberfläche darstellt, nicht geeignet, da kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Intensitätszunahme und der Bildgüte besteht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein adaptives optisches System zur Korrektur von insbesondere durch atmosphärische Störungen verursachten dynamischen Abbildungsfehlern zu schaffen, mit welchem vor allem großflächige Lichtquellen beobachtet werden können. Diese Aufgabe erfül l.t ein nach dem Patentanspruch 1 ausgebildetes adaptives oplisches System.

Bei dem erf indung.sgemäßen System werden nun gerade die Eigenschaften einer großflächigen Lichtquelle bzw. einer entsprechenden Abbildung zur Bildoptimierung benutzt. Mittels eines hochauflösenden Bildschärfesensors, also z.B. eines Diodenarrays, wird nicht, wie bei dem vorher erwähnten Verfahren die Gesamtintensität, sondern die 5 Intensitätsverteilung in der Bildebene ermittelt. Anschließend wird daraus auf elektronischem Wege nach bekannten Verfahren ein Meiß für die Bildschärfe gewonnen. Die Steuerung der Stollglieder des Korrekturspiegels kann dann ebenfalls nach bekannten Verfahren, z.B. nach dem Prinzip "Versuch und Irrtum" erfolgen.

Das adaptive» optische System soll im folgenden anhand dreier teilweise schema ti sch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden. Es zeigen:

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Fig. 1 ein adaptive;.; optische:; System mit einem Diodonarray-mit parallelen Ausgängen der Signal Ic;i tungen ;

Fig. 2 ein adaptives optisches System mit einem selbstabtastenden Diodenarray;

Fig. 3 ein adaptives optisches System für den Einsatz in der Sonnenbeobachtung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiol wird das von einem nicht dargestellten Teleskop kommende Licht über einen adaptiven Spiegel 6 geführt und ein Teil davon über einen Strahlenteiler 7 auf ein flächiges Diodenarray 1 abgebildet. Die Intensitätsverteilung innerhalb dieser Abbildung wird durch das Diodenarray 1 in elektrische Signale umgewandelt. Diese Intensitätssignale werden in elektronischen Multiplizierern 2 quadriert und in einem Summierverstärker 3 aufaddiert, wodurch das

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Schärfesignal S = Jl (x,y)dxdy gebildet wird. Der adaptive Spiegel 6 kann z.B. von der Art sein, wie er aus dem eingangs genannten Artikel von J.W. Hardy bekannt ist und z.B. piezoelektrische Stellglieder aufweist. Die einzelnen Stellglieder des Spiegels 6 werden nun mittels einer Steuerelektronik 5 gleichzeitig mit kleinor Amplitude, z.B. 0,1 μπι, sinusförmig verschoben. Phasenabhängig von dieser Verschiebung wird nun am Detektor 1 ein Änderung der Bildschärfe festgestellt und den Stellgliedern über die Steuerelektronik 5 eiη entsprechendes Steuersignal zugeführt. Die Unterscheidung der einzelnen Stellglieder des adaptiven Spiegels 6 erfolgt durch unterschiedliche Wobbeifrequenzen, mit denen die Stellglieder in der obengenannten Weise sinusförmig verschoben werden. Diese Frequenzen werden in Schärfesignale durch phasengekoppelte, bandselektive Verstärker 4, z.B. sog. Lock-in-Verstärker, diskriminiert und nachfolgend al.s charakl.eri st i sches Stel!signal dem ent-

sprechenden Stellglied zugeführt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung der einzelnen Stellglieder eines adaptiven Spiegels 16 zci!sequentiell mit Hilfe eines selbstabtastendcn Diodenarrays 11. Hierbei werden nun die Stellglieder jeweils einzeln zeitlich hintereinander aus ihrer neutralen Position einmal in positiver und einmal in negativer Richtung verschoben und jeweils anschliessend das Bild von dem Diodenarray 11 ausgelesen. In einem nachfolgenden Rechner 12 wird für beide Positionen des jeweiligen Stellgliedes die Schärfefunktion numerisch berechnet und die jeweiligen Schärfesignale gespeichert. Die Differenz beider SchärfesignaLe ergibt dann das

11) Stellsignal für das jeweilige Stellglied des adaptiven Spiegels. Dieser Reellen- und Stell Vorgang wird fortlaufend für sämtliche Stellglieder durchgeführt.

Die beiden beschriebeinen Verfahren zur Steuerung der adaptiven Spiegel sind unabhängig von den Kohärenzeigenschaften der Lichtquelle; auch die räumliche Ausdehnung spielt dabei keine Rolle. Schon aus dem prinzipiellen Aufbau der oben beschriebenen adaptiven optischen Systeme wird ersichtbar, daß Justierprobleme im 5 Gegensatz zu den eingangs erwähnten Wellenfrontkorrekturverfahren von untergeordneter Bedeutung sind.

Fig. 3 zeigt ein für die Sonnenbeobachtung geeignetes adaptives optisches System, welches im parallelen Strahlengang zwischen dem Austrittsfenster eines Teleskops 30 mit einer A^xissungsoptik 31 und der Bildebene 32 angeordnet ist. Zur Korrektur der Abbildung wird diese über eine Sammeloptik 33 und einen Strahlenteiler 27 mit einer Intensität von etwa 5 % auf einen Detektor 21 mit hoher Ortsauflösung gegeben. In einem dem Detektor 21 nachgeschalteteten Rechner 22 werden nach einem der vorher beschriebenen Verfahren Störungen der Bildschärfe und

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über eine Korrelat i on.srechnunq Bi I dver.sohiebunqen ermittelt. Über eine vSteuere I < * RI ron i k ?,'■> werden claim Üildvcischiebunqen durch den Spieqel 28 ausgeglichen, der eine um zwei Achsen kippbare SpLegeloberflache; aufweist, welche mittels piezoelektrischer Stellglieder bewegt wird. Durch Störungen bedingte Hjldunschärfen werden mittels des adaptiven Spiegels 26 nach Art der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele korrigiert.

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Claims

Ottobrunn, den 11.10.1982

BTO1 - Mn/bk - 9286 -

Adaptives optisches System

Patentansprüche

Adaptives optisches System zur Korrektur von insbesondere durch atmosphärische Störungen verursachten dynamischen Abbildungsfehlern mit mindestens einem Korrekturspiegel mit steuerbar deformierbarer Oberfläche, einem optoelektrischen Sensor innerhalb einer Bildebene des Systems sowie einer mit dem Sensor verbundenen Steuereinheit für den Korrekturspiegel, dadurch gekennzeichnet , daß der Sensor als Bildschärfesensor (1,11) mit hoher Ortsauflösung ausgebildet ist, mit welchem räumliehe und zeitliche Veränderungen der Abbildung in Form von Schärfesignalen erfaßt und aus den Schärfesignalen Steuersignale zur Betätigung des Korrekturspiegels (6,16) gebildet werden.
2. Adaptives optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch je einen im parallelen Strahlengang des Systems hintereinander angeordneten ersten Spiegel (28) mit um zwei Achsen kippbarer Spiegelfläche und einen zweiten in eine Vielzahl von Spiegelelementen unterteilten Spiegel (26) , wobei die Spiegelelemente über Stellglieder senkrecht zur Spiegelebene bewegbar sind.

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3. Adaptives optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Spiegelelemente des zweiten Spiegels (26) gleichzeitig mit unterschiedlichen Frequenzen periodisch bewegt, daß aus den Schärfesignalen die unterschiedlichen Frequenzen diskriminiert und, daß aus den derart diskriminierten Signalen jeweils Steuersignale • für das zugehörige Stellglied gebildet werden.
4. Adaptives optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Spiegelelemente mittels der Stellglieder sequenziell aus ihrer Ruhelage um jeweils gleiche Beträge einmal in positiver und einmal in negativer Richtung verschoben, jeweils ein Schärfesignal des Gesamtbildes berechnet und aus der Differenz beider Schärfesignale ein Steuersignal für das jeweilige Stellglied gebildet wird.
5. Adaptives optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß mittels eines Korrelators fortlaufend die Bildverschiebung zwischen je zwei Zeitpunkten ermittelt und daraus ein Stellsignal für den ersten Spiegel (28) gebildet wird.