Focuser

Aufgabe

Das Focuser-Modul übernimmt die automatische Fokussierung des Teleskops. Es bewegt den motorisierten Fokussierer über einen Positionsbereich, misst an jedem Punkt die Sterngröße (HFR — Half Flux Radius) und berechnet dann die optimale Position durch eine Polynomanpassung 2. Grades. Bei aktiviertem Zoning erzeugt es zusätzlich eine Kartierung des Sensor-Tilts.

Oberfläche

Die Oberfläche zeigt in Echtzeit die im Aufbau befindliche HFR-Kurve, den Fortschritt der Sequenz und die Ergebnisse (endgültige HFR und Position). Die Parameter sind über die Schaltfläche Parameter oben rechts erreichbar.

Die HFR-Kurve wird mit Fehlerbalken gezeichnet, die die Standardabweichung der Messungen an jeder Position darstellen, und eine Polynomanpassung erscheint als gestrichelte orange Linie, während die Aufnahmen fortschreiten.

Benötigte Geräte

Parameter

Diese Parameter sind über das Menü Parameter des Moduls erreichbar. Ein Parametersatz kann in einem Profil gespeichert werden.

Belichtung

Fokus

Algorithmus

Die Fokussierung läuft in zwei Phasen ab.

Phase 1 — Erkundung

1. Der Fokussierer positioniert sich auf startposition − backlash (Berücksichtigung des mechanischen Spiels)
2. Er fährt vor zur startposition
3. Für jede Iteration:
   • Zurücksetzen des Kamera-Subframes
   • Aufnahme eines Bilds, Berechnung der HFR und ihrer Standardabweichung
   • Aufzeichnung des Tripels (Position, HFR, Standardabweichung)
   • Fortlaufende Aktualisierung der Polynomanpassung
   • Vorrücken um einen Schritt

Die Polynomanpassung 2. Grades liefert kontinuierlich die Position des Minimums der HFR-Kurve:

optimale_position = −k1 / (2 × k2)    [für k0 + k1·x + k2·x²]

Phase 2 — Endpositionierung

1. Der Fokussierer fährt zurück zu beste_position − backlash
2. Er fährt vor zur vom Polynom berechneten optimalen Position
3. Ein letztes Bild wird aufgenommen, um die resultierende HFR zu messen

HFR-Kurve

Die HFR-Kurve wird während der Erkundung in Echtzeit gezeichnet und bei jedem Messpunkt aktualisiert. Sie besteht aus zwei überlagerten Elementen:

• Gemessene Punkte (grün) mit Fehlerbalken, die ±1 Standardabweichung der Messungen an jeder Position darstellen
• Polynomkurve (gestrichelt orange) — Anpassung 2. Grades, bei jedem neuen Punkt aktualisiert

Die X-Achse zeigt die absolute Position des Fokussierers, die Y-Achse die HFR in Pixeln.

Zoning

Zoning unterteilt das Bild in ein Raster von N×N Zonen und berechnet für jede Zone eine unabhängige Polynomanpassung. Es ermöglicht sowohl eine feine Analyse der HFR-Variationen über das Feld als auch eine Kartierung des Sensor-Tilts.

Für jede Zone berechnet das Modul über den Welford-Algorithmus (inkrementelle Aktualisierung in einem Durchgang):

• Die mittlere HFR der Zone
• Die HFR-Standardabweichung der Zone — Indikator für die lokale optische Qualität

Kartierung des Sensor-Tilts

Wenn Zoning aktiviert ist (≥ 2×2), erzeugt das Modul am Ende der Sequenz automatisch vier Kartierungsbilder. Jedes zeigt die optimale Fokusposition jeder Zone, farbkodiert (blau = niedrige Position / nahe Ebene, rot = hohe Position / entfernte Ebene).

Das Breite-Höhe-Verhältnis der Bilder entspricht dem des Sensors.

rawTilt — Roher Tilt pro Zone

Jede Zone wird durch einen einheitlichen Farbblock proportional zur besten Fokusposition dargestellt. Keine Interpolation — die räumliche Auflösung entspricht der des Zoning-Rasters.

localTiltLinear — Lokale bilineare Interpolation

Bilineare Interpolation zwischen den Zentren benachbarter Zonen. Erzeugt eine glatte Karte ohne Annahme über die globale Form der Fokusebene.

globalTiltLinear — Globale Ebene (lineare GSL-Anpassung)

Anpassung einer Ebene per Methode der kleinsten Quadrate (GSL-Bibliothek) über alle Zonenpositionen. Ideal, um einen reinen Tilt zu quantifizieren: Neigung des Sensors relativ zur optischen Achse. Das in jeder Zelle angezeigte Residuum (gelb) ist die Abweichung zwischen Messung und angepasster Ebene.

globalTiltQuadratic — Quadratische Fläche (GSL-Anpassung 2. Grades)

Anpassung einer Fläche 2. Grades. Erfasst nicht-ebene Fehler: Feldkrümmung, Sensorbiegung. Die Farbskala deckt das tatsächliche Minimum und Maximum der Fläche ab (Scheitelpunkt eingeschlossen, falls er innerhalb der Sensorgrenzen liegt).

In Echtzeit angezeigte Werte

Endergebnis

Am Ende der Fokussierung veröffentlicht das Modul:

Diese Werte werden über das modulübergreifende Ereignissystem auch an andere Module (Sequencer) weitergegeben.

Aktionen