Das ideale Teleskop: Kompensation von Aberrationen durch Präzisionspositionierung

Abstract

Die Kernaufgabe von Teleskopsysteme besteht darin eine qualitativ hochwertige Abbildung entfernter Objekte zu ermöglichen, um komplexe Vorgänge des Universums zu verstehen. Außerdem werden sie verwendet für Weltraumschrott- und Satellitenbeobachtung, sowie optische Kommunikation. Das größte Problem ist jedoch die durch Aberrationen verursachte Reduktion der Abbildungsqualität. Diese Reduzierung wird durch Ausrichtungs- und Formfehler des optischen Systems verursacht. Aufgrund der begrenzten Steifigkeit der Teleskopstruktur und der hohen Masse des Spiegels kommt es zu relativen Verschiebungen zwischen Primär- und Sekundärspiegel des Teleskops. Auch thermische Einflüsse und entsprechende thermische Ausdehnungen führen zu relativen Positionsfehlern. Diese Diplomarbeit folgt der Idee der aktiven Optik, ein Kompensationssystem für ein RC-Teleskop mit 254 mm Apertur zu entwickeln, um die maximale Abbildungsqualität unabhängig von äußeren Einflüssen und Ausrichtung des Teleskops zu gewährleisten. Ein dimensionales Messkonzept wird verwendet, da die Nachteile und Komplexität von Wellenfrontsensoren für kleinere Aperturgrößen relevant sind. Diese Arbeit beschäftigt sich außerdem mit der Aktuierung des Sekundärspiegels mittels eines Präzisionspositioniersystems. Dafür wird eine optische und mechanische Systemanalyse durchgeführt, um die Auswirkungen externer Störungen wie Gravitation und Temperatur auf die Bildqualität zu analysieren. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Sensor- und Aktuationssystem mit einem geschlossenen Regelkreis realisiert, das als Proportional-Integral Regler und einem Notchfilter entworfen ist. Damit wird eine Reglerbandbreite von 5 Hz erreicht, die den RMS-Wellenfrontfehler um bis zu einen Faktor 42 gegenüber dem Originalsystem reduziert.

The core task of astronomical telescopes is to enable a high quality imaging of distant objects to understand complex proceedings of the universe. Furthermore, they are used for space debris, satellite observation and optical communication. However, the biggest issues for telescopes are distorted wavefronts due to aberrations, which reduce the image quality. This reduction is caused by alignment and shape errors of the optical system. Due to limited stiffness of the telescope structure and high mass of the mirrors there are relative displacements between the secondary and primary of the telescope. Thermal influences and corresponding thermal expansion leads to relative position errors as well. This thesis follows the idea of active optics to design and develop a compensation system for a RC-telescope with 254 mm aperture to ensure the maximum image quality independent of external influences and alignment of the telescope. A dimensional measurement concept is used because the disadvantages and complexity of wavefront sensors are more relevant for smaller aperture size. This thesis focuses on the actuation of the secondary mirror by means of a precision positioning system. Therefore, a optical and mechanical system analysis is carried out to determine the effects of external disturbances such as gravitation and temperature on the image quality. Based on these results, a sensor and actuation system is implemented with a closed control loop which is designed with a proportional-integral controller and a notch filter. This reaches a bandwidth of 5 Hz which reduces the RMS-Error of the wavefront by up to a factor of 42 compared to the original system.