Adaptive Optik

Funktionsprinzip einer Adaptiven Optik in der Astronomie.

Adaptive Optik (kurz AO) ist eine Technik, die die Qualität optischer Systeme dadurch verbessert, dass sie vorhandene Wellenfrontstörungen, verursacht z. B. durch Luftunruhe, bestmöglich reduziert bzw. kompensiert.

Die Technik der adaptiven Optik wurde in den 1970er Jahren im militärischen Bereich entwickelt und knappe zwanzig Jahre später in der erdgebundenen beobachtenden Astronomie erstmals im zivilen Bereich eingesetzt.^[1]

Anwendung in Astronomie und Mikroskopie

Mit einer AO lassen sich beispielsweise die beim Durchgang von Sternlicht durch turbulente Schichten der Atmosphäre erzeugten Wellenfrontstörungen (genauer Phasenstörungen) kompensieren.
Ohne AO arbeiten alle erdgebundenen, astronomischen Großteleskope des optischen Bereichs weit unter ihren theoretischen Möglichkeiten. Dies bedeutet z. B. für ein Spiegelteleskop mit 10 m Öffnung, dass sein Auflösungsvermögen bzw. die Bildschärfe um einen Faktor 10-50 (je nach Wellenlänge) schlechter ist als von der Teleskop-Optik vorgegeben. Die Beschränkung der Bildqualität liegt somit nicht am Teleskop, sondern an den thermisch-optisch turbulenten Luftschichten.

Zur Korrektur dieser atmosphärischen Störungen (Seeing) werden große Teleskope mit AO ausgerüstet. AO spielt aber auch bei der Laser-Kommunikation oder der Laserstrahlführung durch die Atmosphäre oder in der militärischen Aufklärung eine bedeutende Rolle.

In den letzten Jahren wird der Einsatz dieser Verfahren für die Mikroskopie und in der Augenheilkunde vermehrt erforscht, um die Abbildungsfehler des menschlichen Auges zu kompensieren und entweder diagnostischen Verfahren eine bessere Auflösung zu ermöglichen, oder die menschliche Sehleistung zu verbessern.

Zur Technik der adaptiven Optik

Eine AO besteht in der Regel aus drei Komponenten. (1) Ein Wellenfrontsensor - beispielsweise ein Hartmann-Shack-Sensor vermisst die optischen Störungen, (2) ein Computer berechnet daraus Korrektursignale mit denen sich (3) Korrekturelemente so ansteuern lassen, dass im Resultat korrigierte Wellenfronten erzeugt werden. Die drei Komponenten bilden einen Regelkreis, der bei astronomischen Anwendungen typischerweise einige hundert Mal pro Sekunde durchlaufen wird.

Im einfachsten Fall kann als Korrekturelement ein 2-Achsen Kippspiegel verwendet werden mit dessen Hilfe die atmosphärisch bedingte Bildbewegung kompensiert werden kann. Die Bildbewegung kann in diesem Fall beispielsweise mit einem Position Sensitive Device gemessen werden.

Die Kompensation optischer Fehler höherer Ordnung, wie beispielsweise Defokus, Astigmatismus, Koma, usw., (siehe auch Zernike Polynome) fällt in den Bereich der aktiven Optik und erfordert, wie auch die "richtige" adaptive Optik, Spiegel mit verformbarer Oberfläche oder Flüssigkristall-Spiegel.

Die Begriffe aktive und adaptive Optik werden oft gleichermaßen verwendet. In der Astronomie unterscheiden sie sich allerdings in der Geschwindigkeit der Regelung: bei aktiver Optik wird in der Größenordnung 1 Mal pro Sekunde geregelt, bei adaptiver Optik dagegen deutlich schneller in der Größenordnung 100 Mal pro Sekunde.

Ein weiteres Einsatzgebiet adaptiver Optiken sind Laserschneidanlagen mit Kohlendioxidlasern. Da die Strahlführung über verfahrbare Spiegel erfolgt und nicht über Glasfasern, ändert sich die Länge des Strahlenweges zwischen Laser und Werkstück je nach Position des Schneidkopfes. Um immer im Fokus zu bleiben, werden adaptive Optiken eingesetzt. Das sind beispielsweise hohle Kupferspiegel. Durch Anlegen eines Wasserdruckes kann die Oberfläche gekrümmt werden, wodurch die Fokuslage verschoben wird.

Siehe auch

• Aktive Optik
• Astronomische Refraktion
• Saalrefraktion, Seitenrefraktion
• Zernike-Polynom

Literatur

• Robert K. Tyson: Introduction to adaptive optics. SPIE Press, Bellingham, Wash. 2000, ISBN 0-8194-3511-2
• François Roddier: Adaptive optics in astronomy. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2004, ISBN 0-521-55375-X
• Robert K.Tyson: Principles of adaptive optics Acad. Press, Boston 1998, ISBN 0-12-705902-4
• Ulrich Wittrock: Adaptive optics for industry and medicine. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-23978-2

Weblinks

• Adaptive Optik im Lexikon der Physik
• Online Tutorial Adaptive Optik, Max-Planck-Institut für Astronomie/Heidelberg
• Uranus, aufgenommen ohne und mit adaptiver Optik
• Adaptive optics at the University of Hawaii
• Adaptive Optics eso.org,
• Palomar Adaptive Optics System jpl.nasa.gov, abgerufen am 2. November 2011

Einzelnachweise

1. ↑ 'Adaptive optics' come into focus bbc.co.uk, abgerufen am 2. November 2011