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A CCD based curvature wavefront sensor for Adaptive Optics in Astronomy

Dorn, Reinhold Josef

German Title: Ein CCD als Curvature Wellenfrontsensor fuer adaptive Optik in der Astronomie

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Abstract

Adaptive Optik (AO) ist eine Technik, um Störungen in der Abbildung von Objekten im Teleskop auszugleichen. Diese Störungen werden von Fluktuationen des Brechungsindexes in der Erdatmosphäre hervorgerufen. Zum Messen dieser Störungen gibt es eine Reihe verschiedener Wellenfrontsensoren. Einer davon ist der 'Curvature'- Wellenfrontsensor, was soviel wie 'Krümmungs'- Wellenfrontsensor bedeutet. An der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Garching werden für das Very Large Telescope (VLT) und das VLT Interferometer (VLTI) eine Reihe von adaptiven Optiksystemen entwickelt, die den Curvature - Wellenfrontsensor verwenden. Bisher wurden in Curvature AO-Systemen Avalanche Photodioden (APDs) als Detektoren verwendet, da sehr kurze Belichtungszeiten (200 Mikrosekunden) und ein sehr niedriges Ausleserauschen des Detektors nötig sind. Aufgrund von Fortschritten in der Herstellungstechnologie von Charge Coupled Devices (CCDs) entwickelten wir ein spezielles CCD und untersuchten dessen Leistungsfähigkeit für ein 60 Element Curvature AO System, das mit sehr schwachen Lichtsignalen arbeitet. Hier wurde erstmals ein CCD als Wellenfrontsensor verwendet. Diese Dissertation zeigt, daß ein CCD annäherend die gleiche Leistungsfähigkeit wie APDs bietet, jedoch zu einem Bruchteil der Kosten und geringerer Komplexität. Weiter hat das CCD eine höhere Quantenausbeute und einen größeren dynamischen Bereich als APDs. Ein Ausleserauschen von weniger als 1,5 Elektronen bei 4000 Bildern pro Sekunde wurde erreicht. Für AO Systeme, die Wellenfrontkorrekturen mit vielen Elementen durchführen, können dünne, von hinten beleuchtete CCDs, APDs als bessere Detektoren ersetzen. Diese Dissertation präsentiert das Konzept, das Design und die Bestimmung der Leistungsfähigkeit dieses CCDs. Erste (von vorne beleuchtete) CCDs wurden erfolgreich getestet und die Leistungsfähigkeit in einem Laborexperiment nachgewiesen.

Translation of abstract (English)

Adaptive Optics (AO) is a technique for compensating the distortions introduced by atmospheric turbulence in astronomical imaging. To measure the distortions a wavefront sensor is needed. There are a number of fundamentally different types of wavefront sensors, one of which is the curvature wavefront sensor. At the European Southern Observatory (ESO) in Garching, Germany, several adaptive optics systems using curvature wavefront sensors are being developed for the Very Large Telescope (VLT) and the VLT interferometer (VLTI). Curvature AO-systems have traditionally used avalanche photodiodes (APDs) as detectors due to strict requirements of very short integration times (200 microsec) and very low readout noise. Advances in charge-coupled device (CCD) technology motivated an investigation of the use of a specially designed CCD as the wavefront sensor detector in a 60-element curvature AO system. A CCD has never been used before as the wavefront sensor in a low light level curvature adaptive optics system. This thesis shows that a CCD can achieve nearly the same performance as APDs at a fraction of the cost and with reduced complexity for high order wavefront correction. Moreover the CCD has higher quantum efficiency and a greater dynamic range than APDs. A readout noise of less than 1.5 electrons at 4000 frames per second was achieved. A back-illuminated thinned version of this CCD can replace APDs as the best detector for high order curvature wavefront sensing. This thesis presents the concept, the design and the evaluation of the CCD. The first frontside devices were successfully evaluated and the performance of the detector was proven in a laboratory experiment.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Appenzeller, Dr. Immo
Date of thesis defense: 21 November 2001
Date Deposited: 05 Dec 2001 00:00
Date: 2001
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: CCD-Sensor, Adaptive Optik, Wellenfrontsensor
Uncontrolled Keywords: curvature , wavefront , sensor , charge coupled device
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