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SEEING E SISTEMI DI OTTICA ATTIVA E ADATTIVA Come ridurre il problema dellimperfezione degli strumenti a terra e migliorarne la risoluzione di Marco Sergio.

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2 SEEING E SISTEMI DI OTTICA ATTIVA E ADATTIVA Come ridurre il problema dellimperfezione degli strumenti a terra e migliorarne la risoluzione di Marco Sergio Erculiani

3 La luce delle stelle vicino lontano Le stelle irradiano energia e linviluppo del fronte donda in uscita e assimilabile ad un piano sferico. Tuttavia, a grandi distanze tali fronti donda possono essere considerati come piani. Se non ci fosse latmosfera dunque, la luce delle stelle arriverebbe a noi come un fronte donda piano parallelo.

4 Atmosfera Latmosfera ha effetti devastanti sul fronte donda e tali effetti si manifestano in due maniere: - DIREZIONE - LUMINOSITA Continuo rifrazione Variabile seeing Continuo estinzione atmosferica Variabile scintillazione

5 RIFRAZIONE Θ R Θ i N2 N1 N1

6 ESTINZIONE ATMOSFERICA CONTINUA:SCATTERING hνhν hνhν Le particelle dellatmosfera assorbono E riemettono i fotoni, modificandone la direzione e lintensita E proporzionale a DISCRETA Assorbe tutte le lunghezze donda Assorbe solo determinate lunghezze donda B-band 6870 Å O2 A-band 7600 Å O Å H Å H20 SI TROVA FRA LA STRATOSFERA E LA IONOSFERA GRIGIA E DOVUTA A PARTICELLE SOLIDE (INQUINAMENTO)

7 SEEING IL SEEING E COMUNEMENTE DESIGNATO DA Θo =1.22λ/D OCCHIO UMANO: 0.3 ARCMIN) UN EURO A 229 M (KECK ARCSEC) UN EURO A 317 KM E CARATTERIZZATO DA: -PARAMETRO DI FRIED -FREQUENZA DI GREENWOOD -IPOTESI DI TAYLOR -ANGOLO ISOPLANATICO D h ATMOSFERA LE FLUTTUAZIONI AUMENTANO COLLAVANZARE DEL FRONTE DONDA

8 PARAMETRO DI FRIED (r 0 ) 0 E IL PARAMETRO CHE INDICA LA PORZIONE DI FRONTE DONDA MINIMA OLTRE LA QUALE LIMMAGINE E PIU PERTURBATA DI 1 rad ENTRO r 0 il fronte donda e piano ma tiltato.

9 IPOTESI DI TAYLOR (FROZEN LAYER) r0r0 TAYLOR SUPPOSE DI VEDERE LATMOSFERA SUDDIVISA IN TANTI STRATI CHE SCIVOLANO LUNO SULLALTRO. CIASCUNO DI QUESTI CONTIENE DELLE BOLLE DI TURBOLENZA, O CELLE DI SEEING, CHE SI FORMANO DALLINCONTRO FRA CORRENTI TERMICHE DI T DIVERSA. TALI CELLE SI MUOVONO CON t(CELLA)

10 Frequenza di Greenwood FREQUENZA DI GREENWOD FR.G.=R 0 /v(layer) R0R0 V(layer) TEMPO DI COERENZA T=v(layer) / R0

11 ANGOLO ISOPLANATICO θ0θ0 R0R0 E LANGOLO ENTRO CUI POSSO SPAZIARE SENZA CHE IL FRONTE DONDA SIA PIU ABERRATO DI R 0 -SCINTILLAZIONE

12 SCINTILLAZIONE PIANETA STELLA ZOOM θ >θ 0 θ0θ0

13 Immagine non deteriorata (diffraction limited) Immagine deteriorata (speckle) oggetto Fronte donda piano turbolenza telescopio PRIMA E DOPO

14 IN BUONA SOSTANZA…

15 TELESCOPI NON PROPRIO PERFETTI COME SEMBRA OTTICA ATTIVA CONTROLLO DEFORMAZIONI DEGLI SPECCHI ATTUATORI SUBARU (8.2 M) NTT CELLA PRIMARIO VLT

16 OTTICA ADATTIVA

17 SPECCHI DEFORMABILI LBT 672 ATTUATORI 2000 CORREZIONI/s MMT 6.5 m 336 ATTUATORI The MMT is located on the summit of Mt. Hopkins, the second highest peak in the Santa Rita Range of the Coronado National Forest, approximately 55 kilometers (30 miles) south of Tucson, Arizona. 640 mm 2 mm 1.6 mm 910 mm

18 LBT

19 SENSORI DI FRONTE DONDA SERVONO PER VEDERE IN CHE MODO IL FRONTE DONDA E ALTERATO E INVIANO LINFORMAZIONE ALLO SPECCHIO DEFORMABILE CHE IN TEMPO REALE VARIA LA SUA SUPERFICIE PER CORREGGERE IL FRONTE DONDA E PULIRE LIMMAGINE DALLA TURBOLENZA. -SENSORI DI TIP TILT (BASSI ORDINI) -SENSORI DI CURVATURA (ALTI ORDINI) BASSI ORDINI ZOOM ALTI ORDINI

20 SENSORI DI TIP-TILT - A COSA SERVONO? SENSORE DI TIP TILT A QUATTRO QUADRANTI AB C D Y=(A+B)-(C+D)/A+B+C+D X= (A+C)-(B+D)/A+B+C+D ATMOSFERA LA LUCE SI SPOSTA Y X

21 ESEMPI DI SENSORI DI TIP TILT E SPECCHI DEFORMABILI

22 MASCHERA DI HARTMANN E ARRAY DI LENTI NECESSITA DI AVERE PIU PUPILLINE PER DETECTARE MEGLIO IL SEGNALE ISOLARE E SPACCARE IL FASCIO DI LUCE MASCHERA DI HARTMANN SPACCARE… FOCALIZZARE… +

23 SENSORE DI SHACK- HARTMANN + = MASCHERA ARRAY DI LENTINE SENSORE DI S-H

24 SHACK-HARTMANN MAN MANO CHE IL FRONTE DONDA CAMBIA IL SUO ASPETTO VARIA ANCHE LIMMAGINE DATA DALLE LENTINE FASCIO S-H-MASK ARRAY SCHERMO SCHERMO VISTO DA DAVANTI Il principio di funzionamento di questo dispositivo consiste nel porre sulla pupilla di ingresso del sistema (o una sua immagine) una griglia di lenti li con stessa focale fl e stesso diametro Dl, in modo da focalizzare separatamente piccole porzioni del fronte d'onda su uno stesso rivelatore

25 PREGI E DIFETTI PREGI: -AVENDO PIU PUPILLINE POSSO MEGLIO CORREGGERE IL FRONTE DONDA DIFETTI: -E INSENSIBILE ALLERRORE DI PISTONE - La difficolta di allineamento e la necessita di avere un elevato numero di pixels per sottoapertura rendono difficile la scalabilita di questa tecnica a sistemi con un numero di segmenti di 1 o 2 ordini di grandezza superiore -necessita di un sensore dedicato …E ALLORA…

26 SENSORE A PIRAMIDE 1996 R.RAGAZZONI EVIDENZIA ANCHE LE EVENTUALI DEFORMAZIONI OLTRE CHE AL TIP TILT PUR ESSENDO DI TIP-TILT

27 ANCORA SUL SP LE DIFFERENZE DI INTENSITA CI DICONO COME VARIA IL FRONTE DONDA LA LUCE VIENE CONVOGLIATA SU 4 PUPILLE, GUADAGNANDO IN LUMINOSITA

28 PWFS SENSORE DI CURVATURA Questo sensore lavora comparando la differenza di illuminazione fra due posizioni extrafocali. Il segnale in questo caso e proporzionale al Laplaciano ( riflesso del mare) del fronte donda allinterno del fronte donda, e proporzionale al gradiente radiale del fronte donda sulle creste del fronte donda.

29 Schema del cwfs Distorsione del fronte donda Immagine intrafocale Immagine extrafocale Segnale di curvatura a alta risoluzione Normale e in binning a 60 subaperture

30 MA DOVE QUESTA TURBOLENZA? LA TURBOLENZA NON E AMMASSATA TUTTA SU DI UN UNICO STRATO, MA SI DISPONE SU DIVERSI STRATI DELLATMOSFERA, FRA I QUALI, AL CONTRARIO DI QUANTO SI POTREBBE PENSARE, SUSSISTE UN PICCOLO STRATO DI CONTINUO TURBOLENTO. STRATO 3 STRATO INTERMEDIO STRATO 2 STRATO INTERMEDIO STRATO 1

31 SCIDAR SCINTILLATION DETECTING AND RANGING h h h (h-h) PUPILLA APERTURA TELESCOPIO TURBOLENZA

32 h h h (h-h) AB TURBOLENZA OTTICA TELESCOPIO PUPILLE SISTEMA PER LA DETECTION DI LAYER TURBOLENTI

33 PUPILLA B PUPILLA A LA LUCE SI DISTRIBUISCE IN MODO DIVERSO PER LE DUE STELLE, MA OGNI TANTO CE UNA CORRELAZIONE FRA I DUE MODI DI DISTRIBUZIONE. IN BASE ALLA CORRELAZIONE POSSO SCOVARE GLI STRATI DOVE LA TURBOLENZA DELLATMOSFERA E MAGGIORE

34 ANDAMENTO DELLA TURBOLENZA ALTEZZA TURBOLENZA

35 OTTICA ADATTIVA MULTICONIUGATA SE OSSERVIAMO DUE STELLE CHE DISTANO TRA DI LORO PIU DELLANGOLO ISOPLANATICO PUO SUCCEDERE CHE LA IMMAGINE RISULTI TROPPO DEGRADATA DA NON POTER CORREGGERE ENTRAMBE LE DIREZIONI. INOLTRE, I DIVERSI STRATI DELLA TURBOLENZA INTRODUCONO PIU DI UNA DEFORMAZIONE DEL FRONTE DONDA. COME CORREGGERLI? 1 : STELLE ARTIFICIALI 2: MCAO

36 STELLE ARTIFICIALI -RAYLEIGH LGS (10/15 Km) - SODIUM LGS (96 Km) STELLA LASER

37 -COSTI ELEVATISSIMI -DIFFUSIONE ALLINTERNO DELLA CUPOLA -CONE EFFECT -STELLA NON PUNTIFORME -NON SI PUO CORREGGERE PER TIP- TILT PERCHE LA LUCE E TROPPO VELOCE -I TELESCOPI SONO OTTIMIZZATI PER IMMAGINI DALLINFINITO, NON DAL FINITO MOLTISSIMI CONTRO…

38 OTTICA ADATTIVA MULTICONIUGATA NECESSITA DI CORREGGERE PIU STRATI DI ATMOSFERA…

39 PUPILLA CONIUGATA CON T=1 TURBOLENZA TELESCOPIO PIANO CONIUGATO DELLA TURBOLENZA α

40 ANDAMENTO DELLA CORREZIONE CORREZIONE DI 2 STRATI ATMOSFERICI CON 2 SPECCHI DEFORMABILI -GROUND -STRATO A 8 Km ANDAMENTO DELLA CORREZIONE: 1/αh α = FoV h= ALTEZZA TURBOLENZA

41 FREQUENZA SPAZIALE h (Km) FREQ. SPAZ = 1/αh NECESSITA DI AVERE PIU LUCE: LAYER ORIENTED MULTI- CONIUGATE ADAPTIVE OPTICS

42 LOMCAO vs SOMCAO STAR ORIENTED LAYER ORIENTED PER OGNI STELLA CE UN DETECTOR E TUTTE E DUE VANNO AL WFS OGNI SENSORE E CALIBRATO PER CORREGGERE UN SINGOLO LAYER DI ATMOSFERA

43 STAR ORIENTEDLAYER ORIENTED VS -UN DETECTOR PER STELLA E UN SOLO WFS UN DETECTOR CONIUGATO CON OGNI LAYER E QUINDI POSSIBILITA DI IMPOSTARE: -VELOCITA DI CORREZIONE -DIMENSIONE DI r O -PIU LUMINOSITA (DENSITA DI FOTONI) - POCO LUMINOSO

44 UNA VOLTA CORRETTO UN ARCO DI 2, PERCHE NON SFRUTTARE TUTTO IL CAMPO, ANCHE QUELLO CHE NON E PROPRIO CORRETTO DALLA MCAO? COME: SFRUTTANDO ANCHE IL CAMPO NON CORRETTO E FACENDOLO CORREGGERE AD UN APPOSITO SISTEMA CHE PRENDE I RAGGI CHE ARRIVANO DAL COMPO DI VISTA NON CORRETTO NECESSITA DI AMPLIARE ULTERIORMENTE IL CAMPO DI VISTA: MULTIPLE FIELD OF VIEW ADAPTIVE OPTICS

45

46 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO LINC-NIRVANA LBT CON LINC-NIRVANA

47 SCHEMA DI NIRVANA I RAGGI DI TERRA VENGONO RIFLESSI VERSO UN SENSORE CHE NE ANALIZZA LA TURBOLENZA

48 IN DEFINITIVA… NETTUNO CON AO NETTUNO SENZA AO CON AOSENZA AO

49 SIMULAZIONE DI UNA STELLA CON E SENZA OTTICA ADATTIVA CON AO E SENZA AO SPECKLE DI UNA STELLA CON LOOP DI OTTICA ADATTIVA RISPETTIVAMENTE: -SPENTO -ACCESO SOLO TIP-TILT -ACCESO ALTI ORDINI CON AOSENZA AO

50 FINE


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