Beschreibung des Visible Tunable Filter

Das VTF erstreckt sich über ein Volumen von rund 4 m x 3 m horizontal und 6 m vertikal. Der untere Teil befindet sich unterhalb der Instrumentenplattform des DKIST-Coude-Labors. Das Licht errreicht das Instrument als paralleles (kollimiertes) Bündel. Eine Kameralinse erzeugt eine erste Fokalebene (F1), in welcher sich ein Blendenrad mit Feld- und Kalibrationsblenden befindet. Dann folgt ein weiteres Rad mit schmalbandingen Filtern zur Auswahl verschiedener Spektralbereiche, wiederum gefolgt von einem Modulator für den Polarisationszustand des Lichts. Der Monochromator (besser: optische, durchstimmbare Filter?) besteht aus zwei Etalons, welche in der Nähe einer intermediären Fokalebene (F2) angeordnet sind ("telezentrischer Aufbau"). Eine weitere Abbildung erzeugt die finale Fokalebene. Hier spaltet ein polarisierender Strahlteiler das Licht so auf, dass zwei Kameras simultan Filtergramme von orthogonalen Polarisationszuständen (je nach Modulatorstellung linear oder zirkular polarisiert) aufnehmen können. Hinter dem Blendenrad in F1 wird zudem über einen Strahlteiler etwa 10 % des einfallenden Lichts für einen sogenanngten Breitband-Kanal für Kontext Aufnahmen ausgekoppelt. Über breitbandige Filter werden hier zu jedem aufgenommenen schmalbandigen Filtergramm Aufnahmen im benachbarten Kontinuum der untersuchten Spektralliene aufgenommen. Diese Aufnahme dienen der Bildrekonstruktion auch der schmalbandigen Filtergramme und zur Ermittlung horizontaler Bewegungen im beobachteten Bildfeld.

Der gesamte optische Aufbau des VTF umfasst 50 optische Elemente, die zum Teil wiederum aus mehreren Komponenten zusammengestzt sind, wie z. B. der Modulator oder die beiden Etalone. Die vereinfachte lineare Darstellung zeigt die optische Abbildung im Hauptstrahlengang: Vom Teleskop kommt ein paralleles (kollimiertes) Strahlenbündel. Die VTF Abbildungslinse L1 erzeugt daraus in der Ebene F1 eine erste Zwischenabbildung. Zuvor wird das Bündel durch die Umlenkspiegel M1/M2 einmal gefaltet. Um den F1 herum befinden sich eine Vielzahl von Komponenten zur Analyse des Lichts und zur Kalibration. Dieser Bereich wird als F1-Einheit bezeichnet. In der F1-Einheit wird auch über einen Strahlteiler etwa 10 % des Lichts für den Breitband- oder Kontext-Kanal ausgekoppelt. Im Filtergramm- oder Schmalband-Kanal wird der Strahl von L2 wieder kollimiert, durch M3 und M4 seitlich und nach unten umgelenkt. Der Kamera-Spiegel M5 formt dann eine weitere Zwischenabbildung F2. Die Etalons liegen nahe an F2 im von M6 und M7 gefaleteten, vertikalen Strahl. Nach dem durchlaufen der Etalone kollimiert M8 den Strahl wieder, der nach der Umlenkung von M9 und M10 wieder in die Nähe der F1-Einheit gelenkt wird. Dort wird dann von den Linsen L3 und L4 das Sonnenbild in der gewünschnet Skalierung auf die Kameras 1 und 2 abgebildet. Vor den Kameras werden mit Hilfe eines polarisierenden Strahlteilers zueinader orthogonale Polarisationszustände des Lichts getrennt. Wenn keine Magnetfelder untersucht werden, wird der Strahlteiler durch einen Glasblock ersetzt und nur eine Kamera ausgelesen. Der Kontext Kanal wird von der 3. VTF-Kamera ausgelesen. Die 3D-Darstellungen des Optikdesigns (unten) zeigen neben dem gefalteten Schmalband-Kanal auch den ausgekoppelten Teil des Breitband Kanal. Nicht enthalten sind versch. Kontroll-Einheiten zur Übeprüfung der Justage.

Die sogenannte F1-Konsole ist die Trägerstruktur für eine Vielzahl von Einheiten, die sich in der Nähe des F1-Fokus befinden. Auf dieser Trägerstruktur sind auch die 3 VTF-Daten-Kameras montiert. Teile der F1-Konsole sind aus Sicherheitsgründen und zur Abdunklung von Streulicht sensiblen Bereichen verkleidet. Die F1-Konsole selbst ist direkt an das vertikale, obere Rahmenmodul befestigt.

Die Optik des VTF ist in 40 Einheiten gruppiert. Insgesamt verfügt die Optomechanik über mehr als 300, genau spezifizierte, einstellbare Axen, von denen 41 elektrisch angetrieben sind. Streng genommen muss man daher zw. rein mechanischen Baugruppen wie Tragestrukturen, Abdunklungen und Montagehilfen, reinen opto-mechanischen Baugruppen (OM) und opto-mechatronischen Baugruppen (OME) unterscheiden. Das Mechanik-Arbeitspaket ist das mit Abstand Umfangreichste des VTF. Alleine für die OM und OME (ohne Etalon-Mechanik) wurden ca. 1400 Zeichnungen erstellt und über 2000 Teile hergestellt. Zu den auffälligsten Komponenten des VTF gehören zwei große Filterräder die jeweils 9 Interferenzfilter für den Schmalband - und Breitbandkanal aufnehmen können (plus einem Leerplatz) und die einen Filterwechsel innerhalb von max. 2 Sekunden ermöglichen. Im Betrieb werden diese Filterräder aber von einer Verkleidung verdeckt sein. Herausstechen werden dann noch die 3 Kamera-Montierungen mit auffälligen Messing-Schalen, die es erlauben, die Wissenschaft-Kameras exakt in 5 Achsen manuell auszurichten. Die größten Optik-Halterungen des VTF sind jene für die 4 vertikalen 40 cm Spiegel im Etalon Strahlengang, wobei die beiden abbildenden Spiegel, die sich im UG befinden, remote verfahren werden können und daher motorisierte Achsen haben. Die Abbildungslinse L1 ist ein Fraunhofer-Achromat, der aus zwei Linsen mit jeweils 30 cm Durchmesser bestehen. Die Einzellinsen sind sehr genau gegeneinander ausgerichtet. Der gesamte Achromat muss zum fokussieren innerhalb von 2 Sekunden, die ein Filterwechsel max. dauern darf, exakt verfahren werden. Die Linearachsen im VTF wurden von einem kommerziellen Anbieter VTF-spezifisch beschafft. Soweit es der Maschinenparkour und die Fertigungskapazität zugelassen haben, wurden die Baugruppen der OM und OME in der KIS-Werkstatt gefertigt und montiert. Sehr große Bauteile oder Baugruppen mit Genauigkeitsanforderungen unter 5 µm wurden von spezilisierten externen Fertigern hergestellt und vermessen.