Defocus

Hallo zusammen,

die letzten Monate hab ich an einem Programm namens 'Defocus' gewerkelt, dass ich hier mal kurz vorstellen wollte. Es benutzt defokussierte Stern-Bilder als Input und berechnet daraus die zugrunde liegende Wellenfront, im Prinzip ähnlich wie winRoddier.
Es werden dabei allerdings keine analytischen oder semi-analytischen Rechnungen angestellt, sondern 'nur' Fourier-Optik und eine try-and-Error-Methode.
Das funktioniert ungefähr so: von einer vermuteten Wellenfront (auf der Basis von Zernike-Polynomen) werden via Fourier-Optik synthetische Stern-Bilder berechnet, und diese mit den realen Stern-Bildern verglichen. Je nachdem ob der Versuch besser passt als der vorige, nutzt man ihn als Basis für den nächsten Schritt, oder verwirft ihn. Ein try-and-error-Verfahren also, Stichworte sind 'Monte-Carlo' oder auch 'simulated annealing'. Wichtig für ein gutes Funktionieren ist vor allem eine gute (d.h. schnelle) Implementierung der Fourier-Optik mittels FFT.
Motivation: es gibt ja Experten, die aufgrund defokussierter Sternbilder mit ihrem geschultem Auge erkennen können, welche Fehler die Optik hat; siehe auch das Buch von Suiter 'Star Testing Astronomical Telescopes'. Zum anderen kenne ich mich mittlerweile mit Fourier-Optik gut aus, und habe einen Hintergund in Monte-Carlo-Simulationen. Daher die Idee, das mal auszuprobieren.
Das Programm ist noch im Beta-Stadium, das User-Interface ist.. naja, momentan so eine Art Bedien-Brett.. Links gibt man die Aufnahmen ein, in der Mitte und rechts werden die Ergebnisse gezeigt.

Genug der Worte, hier 2 Beispiele.
Im ersten Setup wurde eine kräftig deformierte (künstliche) Wellenfront erzeugt, und daraus 2 (künstliche) defokussierte Sternbilder berechnet. Die Soll-Wellenfront (mit Obstruktion) sieht so aus:

und das Ergebnis von 'Defocus':

Man erkennt eine gute Übereinstimmung von Soll- und Ist-Wellenfront, mit nur kleineren Abweichungen.

Beim zweiten Setup habe ich 4 reale Aufnahmen durch mein kleines Maksutov gemacht, mit einem künstlichen Stern (eine rote Laserdiode ohne Optik) in ca. 50 m Entferung:

Hier weiss ich allerdings nicht, wie die Wellenfront wirklich aussieht; siehe der Aufruf unten. Aber es ist schon cool, wie gut das aufgenommene Sternbild (links) mit dem simulierten (Mitte) übereinstimmt.

Insgesamt scheint das ganz gut zu funktionieren, zumindest wenn man gute Aufnahmen hat. Aber ich hatte noch keine Möglichkeit für einen Soll-Ist-Vergleich mit echten Aufnahmen.
Deshalb jetzt eine Bitte:
kann mir jemand mal von einem Teleskop, von der die reale Wellenfront bekannt ist, ein paar defokussierte Sternbilder schicken? Dann kann ich sie durch das Programm jagen, und würde die Ergebnisse hier wieder posten.
Eckdaten für die Aufnahmen:
- die Basisdaten des Teleskops: f-Zahl, Obstruktion; Pixelabstand der Kamera, Wellenlänge der Aufnahmen
- die Kamera am besten monochrom, mit ausreichend Auflösung: der Pixelabstand, in um, sollte nicht grösser sein als die f-Zahl, besser deutlich kleiner. Falls das nicht vorhanden ist, eine Barlow dazwischenstecken, oder durch ein Okular fotografieren (wird dann allerdings mitgemessen..)
- am besten einen künstlichen Stern benutzen, mit bekannter Wellenlänge (Laserdiode); oder einen echten Stern, durch ein Filter mit bekannter Wellenlänge
- 4-6 Bilder machen, jeweils 2-3 intra-fokal, und 2-3 extra-fokal. Überbelichtung vermeiden.
- nicht zu viel Defokus benutzen, es reichen ein paar Waves, d.h. Ringe (z.B. 2, 4, 6 Waves). Den genauen Defokus braucht man _nicht_ messen oder eingeben, das wird im Programm gefittet.
- keine Bildbearbeitung machen, insbesondere keine Kontrast- oder Gamma-Korrektur. Einfach die Rohdaten.

Danke!

Wolfram

Hallo,

(==>)Guntram: danke, ich werde weiter daran schrauben :-).

(==>)Beat: danke für deine Einschätzung. Der Strehl sollte schon höchstens 0.1 vom echten Wert abweichen, sehe ich auch so. Klar, dazu braucht man sicher auch entsprechend genaue Aufnahmen. Wobei ich noch nicht weiss, ob man z.B. mit einer gestackten Aufnahme von einem echten Stern nicht vielleicht schon Tendenzen ablesen kann, wie 'etwas überkorrigiert', 'kräftiger Asti', oder so..
Also wenn du mir Aufnahmen von deinem Yolo schicken kannst, das wäre super. In AK kein Problem, ich baue noch ein 'geteilt durch 2' ein. Falls möglich (und sinnvoll) mit Laserdiode; bei Weisslicht müsste ich ungefähr wissen, für welche Wellenlängen die R-, G-, und B-Kanäle empfindlich sind.
Meine eigenen Aufnahmen sind mit 8 Bit Farbtiefe, das sollte reichen. Einigermassen ausgesteuert, aber nicht überbelichtet.

Grüsse, wolfram

Hi Beat,

<i>&gt; brauchst Du defokussierte Bilder einer Optik, welche relevante, definierte Aberrationen aufweist</i>
Genau, aber habe ich im Moment hier eben nicht, daher die Frage..
Die Idee mit dem Newton und dem künstl. Stern in definiertem Abstand (--&gt; definierte SA) ist gut.. ich hab aber auch keinen Newton hier, nur mein kleines Mak.

8 Bit Farbtiefe: doch das sollte ausreichen; man sieht ja auch mit 8 Bit deutlich, wie das echte und simulierte Sternbildchen in Einklang gebracht werden.. ich kann mal einen Verlauf posten.
Möglicherweise liegt das daran, dass hier nur wenig Defokus benutzt wird, so dass die Aberrationen deutlich hervortreten. Bei WinRoddier wird, wenn ich es richtig weiss, viel Defokus bebnutzt, wodurch die Aberrationen weniger deutlich hervortreten.. also die durch die Aberration verursachte Deformation in Relation zum Sternscheibchen-Durchmesser.

Hallo,

(==&gt;)Christian: ja das habe ich auch schon überlegt, mit Aberrator synth. Stern-Bilder zu erzeugen, und bei mir einzuspeisen. Ich kann zwar auch selber synth. Sternbilder erzeugen (mit einem Vorgänger-Progrämmle); siehe oben im Post das erste Setup. Aber Aberator gibt eine Stufe mehr Unabhängigkeit, ich werde es mal probieren.

Das mit einem Kugelspiegel im Krümmungsradius, wie beim Foucault-Test, da hatte ich auch schon dran gedacht (und etwas rumgerechnet). Da braucht man allerdings eine wirklich gute Punktlichtquelle, und der Versatz Punktlichtquelle &lt;--&gt; Kamera erzeugt zusätzliche Fehler. Diese Fehler kann man berechnen, aber dazu muss man den Versatz einigermassen gut vermessen. War mir bisher zu aufwendig.

(==&gt;)Beat: nee, den Defokus muss man eben nicht messen, das macht das Programm selber. Das war mir wichtig, denn ich weiss, dass das messtechnisch gar nicht so einfach ist, und zumindest lästig.
Im Programm läuft das so: beim Einlesen wird der Durchmesser der Stern-Scheibe zuerst geschätzt, und (mit den Teleskop- und Kamera-Parametern) in einen Defokus umgerechnet. Damit startet die Simulation. Der Defokus wird dann, wie die Wellenfront selber, im Verlauf der Simulation nach Monte-Carlo-Manier ständig ein bissl variiert, und geschaut obs besser passt. Das funktioniert anscheinend gut.

So, die Tage schicke ich noch was zur Obstruktion, die kann man ja auch variieren, hang on

Hallo,

(==&gt;)Christian: ja, ich hab auch ein Skript zur Erzeugung synth. defokussierter Stern-Scheibchen. Das erste Bild oben im Thread ist so entstanden. Klar, das könnte man automatisieren, und damit mal viele Setups durchnudeln. Allerdings war ich dafür bisher ein bisschen zu faul

Erstmal noch was zur Obstruktion: die habe ich in der Simulation jetzt auch 'freigelassen', d.h. jeder Pixel innerhalb der äusseren Umrandung darf frei entscheiden, ob er obstruiert sein will oder nicht. Im Rahmen der oben beschriebenen Monte-Carlo-Methode natürlich.
Hier das Ergebnis, für die gleichen 4 Defokus-Positionen wie oben im ersten Post vom Thread (mein kleines Mak):

Zum Vergleich die echte Obstruktion, von hinten durchfotografiert:

Das ist doch irre, oder ? In diesen kleinen defokussierten Bildchen steckt das offensichtlich alles drin; vermutlich in den feineren Klümpchen und Rillen, die man sonst eher als 'Dreckeffekte' bezeichnen würde...
Ok, es ist nicht perfekt, an den Rändern franst es ein bissl aus, und es gibt einzelne Ausreisser-Pixel; aber insgesamt trotzdem erstaunlich.
Die Wellenfront ist im Vergleich zum ersten Post, wo die Obstruktion fest vorgegeben war, auch ein wenig verändert, aber nicht viel; der Strehl bleibt fast gleich.
Hier noch der Vergleich der anderen 3 Defokus-Positionen, links die echte Aufnahme, rechts aus der Simulation:

--&gt; kann man kaum noch unterscheiden.

Grüsse,
Wolfram

Hallo,

so jetzt hab ich mal mit Aberrator Bilder erzeugt: diverse Fehler in der Wellenfront eingestellt, dann 4 Bilder mit -2, -1, 1, 2 Waves Defokus gemacht, und diese durch meine Simualtion geschickt.
Ergebnis: kompletter Murks! Da kommt nicht ansatzweise das raus, was Aberrator als Wellenfront anzeigt.
Allerdings ist mir auch nicht klar, mit welchen Parametern Aberrator die Bilder erzeugt. Aus der Einstellung '5 pix/asec', D=100', 'f=10' bin ich auf 0.9696 um pro Pixel gekommen.. stimmt das ? Und welche Wellenlänge? Oder ist das ein Gemisch aus Wellenlängen ?

(==&gt;)Guntram: danke.. aber das muss noch besser verifiziert werden, siehe oben die Aberrator-Ergebnisse..

(==&gt;)Beat: oh, das wär super! Hat die Diode wirklich 450 nm, oder 650 nm ? (450 nm ist blau-violett) ? Obstruktion ist dann 0, weil Yolo, richtig ? Stacken etc. brauchst du eigentlich nicht, wenn die Aufnahmen in ruhiger Luft gemacht werden; sollte aber egal sein (AS!2 hab ich).
Mailen kannst du mir dahin: wstrepp at gmx punkt de

Beat hat mir jetzt freundlicherweise 2 Aufnahmen von seinem grossen Yolo (s.o) geschickt, jeweils ein intra- und extra-fokales, mit künstl. Stern in Autokollimation. Er hatte selber auch schon eine Auswertung mit WinRoddier gemacht:

Die 2 Aufnahmen habe ich dann durch Defokus geschickt, und es ergaben sich relativ problemlos folgende Ergebnisse, zuerst mit fester Obstruktion (d.h. Obstruktion = 0):

Dann noch die Variante, wo die Pixel zur Obstruktion freigegeben sind:

--&gt; wenn man die Wellenfront mit der WinRoddier-Analyse vergleicht, sieht man tatsächlich eine gute Übereinstimmung (abgesehen von der Farbskala); nur links unten auf ca. 7 Uhr passt es nicht ganz. Und es zeichnen sich am Rand 3 Halte-Klammern (oder so) ab, was die Qualität von Beats Aufnahmen beweist.
Auch Strehl, PV und RMS sind zumindest in derselben Grössenordnung, umgerechnet sind das:
PV = 0.3756 Waves = 244 nm (WinRoddier: 126.24 nm)
RMS = 0.0482 Waves = 31.3 nm (WinRoddier: 24.44 nm)

Da müsste eine Interferometer-Analyse zeigen, was besser passt. Aber für den Anfang gar nicht schlecht, das alles.

Grüsse,
Wolfram

Hallo,

jetzt hab ich ja von einigen hier gutes Material bekommen, danke dafür !
Darunter auch Aufnahmen am realen Stern (gestackt), und da gibt es eine interessante Sache: durch das Seeing sind diese Aufnahmen ja ein Stück weit 'geblurred', also die Details durch eine Art Tiefpassfilter weichgezeichnet. In der Simulation hab ich das noch nicht drin. Um das zu kompensieren, versucht er (der Computer..) anscheinend, diesen Blur durch Anpassung der Wellenfront, oder auch über die Einzelpixel-Obstruktion, nachzubilden. Das führt dann allerdings zu Artefakten. Ich überlege deshalb, diesen Blur 'anständig' in die Simulation einzubauen; mal gucken ob das funktioniert.
Grüsse,
Wolfram

Hallo,

die letzten Tage habe ich weiter experimentiert zum Thema Seeing und das dadurch verursachte 'Seeing-Blur'. Beat hatte 2 Aufnahmen mit seinem 150 mm-Yolo gemacht, an Vega auf eine BW-Kamera, ohne Filter (Weisslicht). Eine Aufnahme extrafokal, eine intrafokal, beide gestackt aus 55% von 1000 Bildern. Als mittlere Wellenlänge habe ich Grün (550 nm) benutzt. Hier erstmal das Ergebnis von Defokus, ohne alles

Hier der Vergleich mit dem WinRoddier-Ergebnis

--&gt; das scheint ganz ordentlich zusammenzupassen, insgesamt. Zum Strehl sagt Defocus 0.88, WinRoddier 0.92.

Dann dasselbe, mit der Einzelpixel-Obstruktion an

--&gt; die Wellenfront ist ähnlich, und sieht angenehm 'Artefakt-los' aus. Am Rand entsteht so eine Art O=bstruktions-Saum, der offensichtlich eine gewisse Glättung der Bilder bewirkt. Aber leider kann man das nicht wirklich benutzen, denn das Teleskop ist in der Realität ja ohne Obstruktion..

Daher habe ich dann verschiedene Glättungsfilter eingebaut, um das Seeing-Blur nachzubilden, und so eine bessere Übereinstimmung hinzubekommen. Um es vorweg zu sagen: schlecht hat es nicht funktioniert, aber ein eindeutiges Prädikat 'Super!' kann man auch noch nicht vergeben.
Hier also mit einem einfachen gaussförmigen Filter

und hier mit einem 'Doppel-Gauss', wie in https://www.astro.princeton.edu/~gk/AST542/cristobal.pdf beschrieben

Insgesamt zeigen alle Varianten eine ähnliche Wellenfront, aber die Strehls variieren schon ein bisschen. Bei anderen Tests auch zwischen den beiden Gauss-Varianten.
Ein Problem beim Einbau des Glättungsfilters: wenn man da einen falschen Ansatz nimmt, d.h. wenn das reale Seeing eine andere Glättung verursacht als der Ansatz in der Simulation, dann versucht die Simulation durch Änderungen der Wellenfront trotzdem ein gutes Matching hinzubekommen. So entstehen dann gewisse Artefakte; ich hatte auch den Eindruck, dass unter dem 'Deckmäntelchen' des Glättungsfilters dann teilweise etwas schärfere Buckel in die Wellenfront eingebaut werden.
Naja, ich werde weiter experimentieren. Aber immerhin scheint es so, dass man mit einer schnellen Aufnahme am realen Stern Ergebnisse bekommt, die zumindest als Indikator taugen.

Beat hatte noch Aufnahmen mit Grünfilter gemacht, die im Vergleich zur Weisslicht-Aufnahme etwas konturierter erscheinen; das muss ich aber noch mal durchnudeln und genau angucken..

Grüsse,

Wolfram