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Elementi di ottica Dr. Emanuele Pace Maggio 2006 Corso di Rivelatori per lo spazio – Lezione 3.

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Presentazione sul tema: "Elementi di ottica Dr. Emanuele Pace Maggio 2006 Corso di Rivelatori per lo spazio – Lezione 3."— Transcript della presentazione:

1 Elementi di ottica Dr. Emanuele Pace Maggio 2006 Corso di Rivelatori per lo spazio – Lezione 3

2 E. Pace - Rivelatori per lo spazio2 Sistemi ottici SpettroscopiciAd immagine TelescopioGrismaPrisma Reticolo RiflessioneRifrazione TrasmissioneRiflessione

3 E. Pace - Rivelatori per lo spazio3 Telescopi Le funzioni base di un telescopio, sistema ottico composto di lenti e specchi, sono Le funzioni base di un telescopio, sistema ottico composto di lenti e specchi, sono Ingrandire langolo apparente sotteso da oggetti distanti Ingrandire langolo apparente sotteso da oggetti distanti Aumentare la quantità di luce che raggiunge locchio dellosservatore Aumentare la quantità di luce che raggiunge locchio dellosservatore Un telescopio, come sistema ottico, viene descritto mediante lottica al primo ordine Un telescopio, come sistema ottico, viene descritto mediante lottica al primo ordine Lottica al primo ordine tratta i raggi ottici e le immagini vicine allasse ottico nella cosiddetta regione parassiale. Nellottica al primo ordine, gli elementi del sistema ottico sono superfici a simmetria rotazionale, tutte centrate sullasse ottico, e infinitamente sottili Lottica al primo ordine tratta i raggi ottici e le immagini vicine allasse ottico nella cosiddetta regione parassiale. Nellottica al primo ordine, gli elementi del sistema ottico sono superfici a simmetria rotazionale, tutte centrate sullasse ottico, e infinitamente sottili Il disegno ottico di un telescopio è valido per tutte le lunghezze donda ad eccezione di quelle inferiori a 30 nm e al radio. Nel primo caso si usano telescopi ad incidenza radente, nel secondo antenne Il disegno ottico di un telescopio è valido per tutte le lunghezze donda ad eccezione di quelle inferiori a 30 nm e al radio. Nel primo caso si usano telescopi ad incidenza radente, nel secondo antenne

4 E. Pace - Rivelatori per lo spazio4 Parametri ottici f = lunghezza focale D D = apertura

5 E. Pace - Rivelatori per lo spazio5 Parametri ottici im ob

6 E. Pace - Rivelatori per lo spazio6 Parametri ottici Rapporto focale. Data la focale f di un sistema ottico e lapertura D: Rapporto focale. Data la focale f di un sistema ottico e lapertura D: F# = f /D Il confronto fra rapporti focali diversi viene qualificato con i termini lento e veloce. Focale:specchiolente sottile Focale:specchiolente sottile

7 E. Pace - Rivelatori per lo spazio7 Parametri ottici

8 E. Pace - Rivelatori per lo spazio8 Parametri ottici Focale effettiva I sistemi ottici hanno in genere più di un elemento ottico. Due elementi con lunghezza focale f 1 ed f 2 separati da una distanza d hanno focale effettiva f eff :

9 E. Pace - Rivelatori per lo spazio9 Parametri ottici Throughput (potere di raccolta della luce) determina la luminosità dellimmagine o il flusso di fotoni che dallapertura raggiungono il piano focale: Throughput (potere di raccolta della luce) determina la luminosità dellimmagine o il flusso di fotoni che dallapertura raggiungono il piano focale: I = intensità [ph/s/sr] B = brillanza [ph/s/cm 2 /sr] dS Mpcf m dΩdΩ Throughput

10 E. Pace - Rivelatori per lo spazio10 Parametri ottici Campo di vista (field of view: FOV). Si ottiene in radianti dal reciproco di F#, dipende quindi da D ed f Campo di vista (field of view: FOV). Si ottiene in radianti dal reciproco di F#, dipende quindi da D ed f Potere risolutivo. Il potere risolutivo ideale di un telescopio è dato dal limite di diffrazione: Potere risolutivo. Il potere risolutivo ideale di un telescopio è dato dal limite di diffrazione: risol. angolare risol. angolare risol. lineare risol. lineare In condizioni reali il potere risolutivo è limitato dal seeing e in qualche caso dalle dimensioni del pixel che non è piccolo abbastanza.

11 E. Pace - Rivelatori per lo spazio11 Tipo Cassegrain e Gregoriano Gregoriano Cassegrain

12 E. Pace - Rivelatori per lo spazio12 Cassegrain e gregoriano Gregoriano ottimale per luso degli oculari primario paraboloide secondario ellissoide convesso Aberrazione sfericaassente Comapossibile correggerlo con la curvatura degli specchi Astigmatismoeliminabile solo con luso di oculari Curvatura di campoconvessa Cassegrain classico raramente usato per strumenti moderni primario paraboloide e secondario iperboloide Aberrazione sfericaassente ComaAstigmatismo Curvatura di campoconcava elevata Dall-Kirkham adatto per piccoli FOV primario ellissoide e secondario sferico Aberrazione sfericaassente Comapresente anche a piccoli campi Astigmatismopresente Curvatura di campoconcava Ritchey-Chretien adatto per grandi FOV, ma difficile fare rapporti focali più lenti di f/8 primario e secondario iperboloidi Aberrazione sfericaassente Comaassente Astigmatismopresente e limitante ad aperture angolari > 0.7° Curvatura di campoconcava, la più elevata della famiglia Presente anche a piccoli campi

13 E. Pace - Rivelatori per lo spazio13 Esempio di Cassegrain 67

14 E. Pace - Rivelatori per lo spazio14 Tipo Ritchey-Chretien Telescopio con primario e secondario iperbolici. Si ottengono un ampio campo di vista e leliminazione dellaberrazione sferica e del coma.

15 E. Pace - Rivelatori per lo spazio15 EUVE Layout

16 E. Pace - Rivelatori per lo spazio16 Telescopi a raggi X I primi ad usarli per lastronomia furono Giacconi e Rossi nel 1960

17 E. Pace - Rivelatori per lo spazio17 Immagini da EUVE

18 E. Pace - Rivelatori per lo spazio18 Immagini da XMM

19 E. Pace - Rivelatori per lo spazio19 Immagini da XMM

20 E. Pace - Rivelatori per lo spazio20 Ottiche di diffrazione Prisma: divide la luce nelle sue componenti spettrali a causa della dipendenza dellindice di rifrazione dalla lunghezza donda Reticolo: produce uno spettro mediante interferenza costruttiva e distruttiva della luce incidente Grisma: combinazione di un reticolo di trasmissione e di un prisma

21 E. Pace - Rivelatori per lo spazio21 Confronto prisma-grisma Telescopio GranTeCan alle Canarie Il vantaggio del grisma è nella maggiore risoluzione spettrale

22 E. Pace - Rivelatori per lo spazio22 Optical Scheme of HIRDES (WSO/UV) Fig. 1: Optical Scheme of HIRDES (Top View)Fig. 1: Optical Scheme of HIRDES (Top View) Fig. 1: Optical Scheme of HIRDES (Top View)Fig. 1: Optical Scheme of HIRDES (Top View) Fig. 1: Optical Scheme of HIRDES (Top View)Fig. 1: Optical Scheme of HIRDES (Top View)

23 E. Pace - Rivelatori per lo spazio23 IUE optical scheme

24 E. Pace - Rivelatori per lo spazio24 Reticolo di dispersione W reticolo d2d2 d1d1 Equazione del reticolo Risoluzione spettrale Queste equazioni mostrano come il potere risolutivo dipende da numero di scanalature per unità di lunghezza [linee / mm] numero di scanalature per unità di lunghezza [linee / mm] dispersione lineare dispersione lineare raggio di curvatura del reticolo raggio di curvatura del reticolo

25 E. Pace - Rivelatori per lo spazio25 Risoluzione limitata dalla diffrazione R = / R = / = (d /d ) La separazione minima è data dal prodotto fra la dispersione e la risoluzione angolare minima dello strumento. = (d /d ) La separazione minima è data dal prodotto fra la dispersione e la risoluzione angolare minima dello strumento. = / W cos La risoluzione angolare è data dalla diffrazione dovuta alle dimensioni del reticolo proiettate lungo la direzione di dispersione: W cos. = / W cos La risoluzione angolare è data dalla diffrazione dovuta alle dimensioni del reticolo proiettate lungo la direzione di dispersione: W cos. = (d /d ) / W cos La richiesta per la separazione minima fra due righe allargate dalla diffrazione è di avere il massimo di una riga in corrispondenza del minimo della riga vicina (criterio di Rayleigh). = (d /d ) / W cos La richiesta per la separazione minima fra due righe allargate dalla diffrazione è di avere il massimo di una riga in corrispondenza del minimo della riga vicina (criterio di Rayleigh). R= W cos (d /d ) R= W cos (d /d ) = W cos (m/d cos ) = NmR = N m = W cos (m/d cos ) = NmR = N m

26 E. Pace - Rivelatori per lo spazio26 Risoluzione limitata da fenditura o da pixel R = / R = / = (d /d ) = (d /d ) = w / R o cos La risoluzione angolare è data dal rapporto fra le dimensioni lineari w della fenditura o del pixel (perpendicolari alla direzione di dispersione) e la distanza dal reticolo lungo la direzione di dispersione R o cos. = w / R o cos La risoluzione angolare è data dal rapporto fra le dimensioni lineari w della fenditura o del pixel (perpendicolari alla direzione di dispersione) e la distanza dal reticolo lungo la direzione di dispersione R o cos. = w (d /d ) / Ro cos [1] = w (d /d ) / Ro cos [1][1] R = R o (d /d ) cos / w = R o m cos / w d cos R = R o (d /d ) cos / w = R o m cos / w d cos R = m R o / w d R = m R o / w d [1][1] Spesso viene usato questo valore di come indicatore della risoluzione spettrale: = w (d /dl). Poiché la maggior parte degli strumenti lavora in condizioni di incidenza normale, si assume cos ~ 1. [1]

27 E. Pace - Rivelatori per lo spazio27 Spettrometro per raggi X XMM – Newton

28 E. Pace - Rivelatori per lo spazio28 Spettrometro di EUVE


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