Speckle Interferometrie

Die Speckle-Interferometrie erlaubt es, hochaufgelöste, beugungsbegrenzte Bilder zu rekonstruieren. Aufgrund von Turbulenzzellen in der Atmosphäre vermindert sich die Bildauflösung (seeing) selbst für größere Teleskope auf 1 arcsec. Allerdings ist die theoretische beugungsbegrenzte Auflösung bestimmt durch λ/D. Zum Beispiel ist die Beugungsgrenze für Beobachtungen bei einer Wellenlänge von 600 nm und einem Teleskop mit 6 m Spiegeldurchmesser 0,02 arcsec. Dieses ist um den Faktor 50 besser als die Auflösungsgrenze.

Eine von einem Objekt ausgehende ebene Welle wird durch die Atmosphäre verformt, was zu Interferenzmustern auf dem Bildsensor führt, den so genannten Speckles. Bei Kurzzeitaufnahmen sind die Turbulenzzellen "eingefroren" und die Information kann ohne atmosphärische Effekte aus den aufgenommenen Speckles rekonstruiert werden. Allerdings benötigt man hierfür eine große Anzahl an Kurzzeitbildern, um aus ihnen ein hoch auflösendes beugungsbegrenztes zwei-dimensionales Bild zu rekonstruieren.

Die Speckle-Interferometrie stellt besondere Ansprüche an die eingesetzte Ausrüstung, wie geringes Rauschen und schnelles Auslesen. Um diese Ansprüche zu erfüllen entwickelt unsere Abteilung die Optiken, Elektroniken und die Software für Speckle-Interferometrie-Beobachtungen.



Übersicht

Test Objektklassen:
extragalaktische Objekte,
junge Sterne,
sich entwickelnde Sterne

Atmosphere Atmosphäre

Telescope Teleskope:
2.2m, 3.6m, SAO, NTT, MMT

Optic Optiken:
Abbildungsoptiken entwickelt von unserer Gruppe
arrow
Image sensors Bildsensoren:
HAWAII-1,
PICNIC, CCD, EMCCD
arrow
Electronic Elektroniken:
Ausleselektronik entwickelt von unserer Gruppe
arrow
Online Software Onlineverarbeitung:
MODAS entwickelt von unserer Gruppe
arrow
Reduktion Software Datenreduktionssoftware:
Bildrekonstruktionssoftware entwickelt von unserer wissenschaftlichen Gruppe

Speckle-Kameras

Bildsensoren für Bispektrum-Speckle-Interferometrie-Anwendungen werden grundsätzlich schnell ausgelesen und dürfen dabei nur wenig Ausleserauschen ausweisen. Wichtig ist zudem ein hoher Dynamikbereich und ein niedriger Dunkelstrom. Gute Rauscheigenschaften sind besonders wichtig für die Beobachtung lichtschwacher Objekte. Die unten beschriebenen Techniken sind die ausschlaggebenden Designkriterien für Bispektrum-Speckle-Interferometrie mit hoher Auflösung und hohem SNR.

Belichtungszeit

Typische Belichtungszeiten für Speckle-Beobachtungen reichen üblicherweise von wenigen zehn Millisekunden für lichtstarke Objekte bis hin zu hunderten von Millisekunden (hauptsächlich beschränkt durch die Speckle-Lebenszeit) für lichtschwache Objekte. Die kurze Belichtungszeit und das schnelle Auslesen des Bildsensors ermöglichen hohe Bildraten und stellen beträchtliche Anforderungen an das Datenempfangssystem.

Pixel-Ausleserate

Die Pixel-Ausleserate hängt typischerweise von verschiedenen Faktoren ab, wie Bandbreitenbeschränkung des Bildsensors, von 100kHz bis zu wenigen MHz, dem SNR der Speckle Interferogramme (dem Verhältnis zwischen Photonenrauschen und Ausleserauschen) und der gewünschten Bildrate bzw. Belichtungszeit. Um beste Ergebnisse hinsichtlich des Ausleserauschens zu erzielen muss die Bandbreite der Videoverstärker der Ausleseelektronik der Pixel-Ausleserate angepasst sein. Mit einem reinen analogen Tiefpassfilter ist es schwierig, speziell für höhere Ordnungen, justierbare Bandbreiten zu realisieren. Aus diesem Grund wurden Techniken weiterverfolgt, die eine Kombination aus analogen und digitalen Filtern darstellen.

Dynamikbereich

Der Dynamikbereich ist begrenzt durch die Auflösung der ADC (typischerweise 16 bit), die Vollaussteuerung des Pixels (abhängig von der Reset-Spannung), des Ausleserauschens sowie den Linearitätsanforderungen (z.B. weniger als 1% integraler Nichtlinearität). Die Auswahl der ADCs muss sehr sorgfältig erfolgen, da der störungsfreie dynamische Bereich normalerweise kleiner ist als die angegebenen 16 bit Auflösung.

Rauschen

Das temporäre Rauschen der aufgenommenen Daten besteht grundsätzlich aus Photonenrauschen, das mit der Quadratwurzel der aufintegrierten Photoelektronen, dem Rauschen des Bildsensors und der Ausleseelektronik variiert. Durch moderne Verstärker, einer sorgfältigen Schirmung und gutem Grounding (jedes digitale Signal sollte behandelt werden wie ein analoges) kann der Rauschanteil der Ausleseelektronik unter dem des Bildsensors gehalten werden und ist somit vernachlässigbar. Andere Rauschanteile sind:

  • Reset-Rauschen (reset noise): Dieser Anteil rührt von der Reset-Spannung des Kondensators C des Ladungs-Spannungs-Wandlers des Bildsensors. Der RMS-Wert der Spannung verhält sich wie (kT/C)1/2, mit T als Temperatur. Dieses sogenannte kTC-Rauschen kann kompensiert werden durch die Technik des Correlated-Double-Sampling (CDS).
  • 1/f-Rauschen: Dieser Anteil gewinnt an Bedeutung bei langen Belichtungszeiten (einige hundert Millisekunden und mehr). 1/f-Rauschen kann in manchen Fällen sogar höher sein als das Transistorrauschen (weisses Rauschen). Aus diesem Grund müssen alle Bias- und Versorgungsspannungen des Bildsensors sehr sorgfältig ausgeführt werden, um diesen Effekt auf Frequenzen unter 1Hz zu minimieren.
  • Weisses Transistorrauschen: Dieser Anteil ist proportional zur Quadratwurzel der Signalbandbreite des Verstärkers. Niedriges Ausleserauschen kann erreicht werden, indem man die Bandbreite reduziert, was zu einer niedrigen Pixel-Clock-Frequenz und einer niedrigen Bildrate führt.
  • Verstärker-Glühen (amplifier glow): Beschreibt den Vorgang wenn Elektronen im aufgeheizten Ausgangsverstärker Photonen emitieren, die dann von den nahegelegenen Pixeln detektiert werden. Dies kann vermieden werden, indem man externe Verstärker verwendet, sofern der Bildsensor über ungepufferte Ausgänge verfügt.
  • Feste Störmuster (fixed pattern noise): Diese sind zurückzuführen auf zufällig verteilte, zeitinvariante Offsets der einzelnen Pixel. Reduziert werden kann dieser Effekt mit geeigneten Offset-Messungen eines jeden Pixels zur Offset-Kompensation.
  • Mehfache, nicht-destruktive Auslesungen am Anfang und am Ende der Belichtungszeit können gemittelt werden, um das Rauschen des Bildsensors zu verringern.
  • Korreliertes Rauschen (correlated noise): Alle elektromagnetischen Störungen emitiert von anderen elektrischen Geräten wie Temperaturregler, Motorsteuerungen, Pumpen oder ähnlichem beeinträchtigen die effektive Empfindlichkeit des Bildsensors. Elektromagnetische Interferenz ist meistens sichtbar (zeitabhängig) als regelmässige Moiré-Strukturen im 2D-Bild.
 
loading content