E. Pace - Tecnologie Spaziali1 Sistemi ottici SpettroscopiciAd immagine TelescopioGrismaPrisma Reticolo RiflessioneRifrazione TrasmissioneRiflessione

E. Pace - Tecnologie Spaziali2 Spettroscopia ed imaging Immagine del Deep Field dell’HST e spettri delle galassie osservate

Sistemi ottici: telescopi Dr. Emanuele Pace Novembre 2015 Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 5

E. Pace - Tecnologie Spaziali4 Telescopi   Le funzioni base di un telescopio, sistema ottico composto di lenti e specchi, sono   Ingrandire l’angolo apparente sotteso da oggetti distanti   Aumentare la quantità di luce raccolta   Un telescopio, come sistema ottico, viene descritto mediante l’ottica al primo ordine   L’ottica al primo ordine tratta i raggi ottici e le immagini vicine all’asse ottico nella cosiddetta regione parassiale. Nell’ottica al primo ordine, gli elementi del sistema ottico sono superfici a simmetria rotazionale, tutte centrate sull’asse ottico, e infinitamente sottili   Il disegno ottico di un telescopio è valido per tutte le lunghezze d’onda ad eccezione di quelle inferiori a 30 nm e al radio. Nel primo caso si usano telescopi ad incidenza radente, nel secondo antenne

E. Pace - Tecnologie Spaziali5 La teoria di Gauss al I ordine fissa solo i parametri principali del sistema ottico e la posizione dell'immagine Non è adeguata a descrivere la qualità dell'immagine stessa. I parametri cruciali sono la distanza h del raggio dal vertice V e il suo angolo  con l'asse ottico. Solo se h << raggio di curvatura (raggi parassiali) e se gli angoli sono piccoli, la teoria gaussiana è sufficiente. In generale, l'immagine conterrà aberrazioni geometriche : un punto sorgente produrrà in prossimità del piano focale non un punto immagine ma una volume tridimensionale inviluppato da una superficie chiamata caustica.

E. Pace - Tecnologie Spaziali6 La teoria di Gauss (1841) Al primo ordine ipotesi semplificative: Superficie sferiche di rivoluzione: z = cy 2 Legge di Snell linearizzata: n sin  = n"sen  "  n  = n"  ” Raggi paralleli inclinati di(radianti, <<) convergono nel punto Raggi paralleli inclinati di  (radianti, <<) convergono nel punto Q : (mm) QF = f  tan   f   (mm) QF è il piano focale

E. Pace - Tecnologie Spaziali7 Parametri ottici f = lunghezza focale D D = apertura

E. Pace - Tecnologie Spaziali8 Parametri ottici im ob Sistema Diottrico Sistema Catottrico

E. Pace - Tecnologie Spaziali9 Parametri ottici  Rapporto focale. Data la focale f di un sistema ottico e l’apertura D: F# = f /D Il confronto fra rapporti focali diversi viene qualificato con i termini “lento” e “veloce”.  Focale:specchiolente sottile

E. Pace - Tecnologie Spaziali10 Parametri ottici Ingrandimento 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 :

E. Pace - Tecnologie Spaziali11 Parametri ottici  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: 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.

E. Pace - Tecnologie Spaziali12 Disco di Airy

E. Pace - Tecnologie Spaziali13 Aberrazioni ottiche  Un sistema ottico di specchi o di lenti sarà dunque in generale affetto da vari tipi di aberrazioni geometriche, che vengono dette: aberrazione sferica, curvatura di campo, coma, astigmatismo, distorsione, e che vedremo tra breve.  Le lenti hanno una aberrazione in più rispetto all'equivalente a specchi, cioè il cromatismo, che però puo' essere minimizzato con una opportuna combinazione di vetri a diverso indice di rifrazione (doppietti, tripletti, etc.).  L'importanza delle aberrazioni cresce con il diminuire di F/# con F/# -3 per l'aberrazione sferica, F/# -2 per il coma, F/# -1 per l'astigmatismo). Per tale motivo nel passato si costruivano telescopi lunghissimi ed è molto difficile ottenere telescopi di qualità ottica buona con piccoli F/#

E. Pace - Tecnologie Spaziali14 Aberrazioni ottiche Aberrazione cromatica Questo tipo di difetto non è presente nei telescopi riflettori e nei telescopi catadiottrici è presente in misura irrilevante. Questo tipo di difetto non è presente nei telescopi riflettori e nei telescopi catadiottrici è presente in misura irrilevante.

E. Pace - Tecnologie Spaziali15 Aberrazioni ottiche Aberrazione sferica L’aberrazione sferica, presente in lenti e specchi, è causata dalla focalizzazione di raggi paralleli in punti diversi lungo l’asse ottico: punti fuori asse sono focalizzati più vicino alla lente o specchio dei parassiali.

E. Pace - Tecnologie Spaziali16 Aberrazioni ottiche Coma Aberrazione ottica causata dal fatto che i raggi fuori asse non convergono sul piano focale. Il coma è positivo quando i raggi fuori asse focalizzano più lontano dall’asse ottico e negativo quando focalizzano più vicino

E. Pace - Tecnologie Spaziali17 Astigmatismo Quando un oggetto fuori asse è focalizzato da una lente sferica, la naturale asimmetria dà luogo all’astigmatismo. Il sistema sembra avere due differenti lunghezze focali. L’astigmatismo è definito come la distanza tra i due fuochi e dipende dalla forma della lente solo se l’apertura del sistema ottico non è in contatto con la lente stessa. Aberrazioni ottiche

E. Pace - Tecnologie Spaziali18 Tipi di Telescopio

E. Pace - Tecnologie Spaziali19 Telescopio rifrattore: Diottrico Aberrazione cromaticasistemi acromatici Aberrazione sferica ComaAstigmatismo Distorsione di campo Modifica della curvatura della lente Piccoli FOV Limitato per grandi aperture dal peso della lente obiettivo

E. Pace - Tecnologie Spaziali20 Afocali Due tipi fondamentali di telescopi a due lenti o a due specchi. Questi disegni si riferiscono a telescopi afocali, la focalizzazione sarà effettuata dall'occhio.

E. Pace - Tecnologie Spaziali21 Telescopio a riflessione: Catottrico  Telescopi basati su specchi o combinazioni di specchi e lenti (catadiottrici). I principali riflettori sono  Newtoniano  Gregoriano  famiglia dei Cassegrain  I catadiottrici più usati sono  Schmidt-Cassegrain  Maksutov-Cassegrain  La famiglia dei Cassegrain ha 3 opzioni principali:  classico  Dall-Kirkham  Ritchey-Chretien

E. Pace - Tecnologie Spaziali22 Un solo specchio, primo fuoco Da uno specchio parabolico, la luce va al primo fuoco I'1 a cui come Newton si può aggiungere uno specchio a 45°, che non introduce aberrazione. Herschel invece preferì una soluzione fuori-asse (che non ha ostruzione centrale).

EChO E. Pace - Tecnologie Spaziali23

E. Pace - Tecnologie Spaziali24 Catadiottrici Schmidt-Cassegrainprimario sferico secondario sferico o asferico menisco di Schmidt per correggere l’aberrazione sferica Aberrazione sferica assente ComaAstigmatismo Curvatura di campo molto elevata Maksutov-Cassegrainprimario sferico secondario sferico convesso menisco di Maksutov per correggere l’aberrazione sferica Molti disegni ottici che giocano sui ‘gradi di libertà’ per correggere coma, astigmatismo, aberrazione cromatica presente, ma eliminabile con secondario asferico o allontanando la lente di Schmidt dal secondario

E. Pace - Tecnologie Spaziali25 Il telescopio Schmidt Schmidt adatto per grandi FOV, raggiunge 6° ( ≈ 0.1 radiante) primario sferico, lente correttrice con superficie di 4 grado Aberrazione sfericaassente Comaassente Astigmatismoassente Superficie focale convessa verso il primario

E. Pace - Tecnologie Spaziali26 Tipo Cassegrain Cassegrain classico raramente usato per strumenti moderni primario paraboloide e secondario iperboloide Aberrazione sfericaassente ComaAstigmatismo Curvatura di campoconcava elevata Presente anche a piccoli campi

E. Pace - Tecnologie Spaziali27 Gregoriano ottimale per l’uso degli oculari primario paraboloide secondario ellissoide convesso Aberrazione sfericaassente Comapossibile correggerlo con la curvatura degli specchi Astigmatismoeliminabile solo con l’uso di oculari Curvatura di campoconvessa Tipo Gregoriano

E. Pace - Tecnologie Spaziali28 UVC – HERSCHEL

E. Pace - Tecnologie Spaziali29 Disegno ottico di UVC - HERSCHEL Gregoriano

E. Pace - Tecnologie Spaziali30 Esempio di Cassegrain 67

E. Pace - Tecnologie Spaziali31 Tipo Ritchey-Chretien 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

E. Pace - Tecnologie Spaziali32 Telescopio spaziale

E. Pace - Tecnologie Spaziali33 HST 2,4 m di diametro in configurazione Ritchey-Chretien2,4 m di diametro in configurazione Ritchey-Chretien Le osservazioni dall'ultravioletto all'infrarosso (115 nm – 1 mm)Le osservazioni dall'ultravioletto all'infrarosso (115 nm – 1 mm)

E. Pace - Tecnologie Spaziali34 WSO instrument The WSO/UV S/C

E. Pace - Tecnologie Spaziali35 WSO telescope 400 mm Primary mirror 1700 mm Secondary mirror Effective Focal planeX 30 ’ 148 mm Optical System Ritchey-Chretien aplanatic ( no sherical and coma aberration) Aperture diameter 1700 mm Telescope f-number 10.0 FOV 30’ (150 mm in diameter) Wavelength range nm (+visible) Primary Wavelength 200 nm Optical quality Diffraction optics at the FOV center Mass 1570 kg (1600 with adapter truss) Size 5.67x2.30 m (transport) 8.43x2.3 m (operational)

E. Pace - Tecnologie Spaziali36 WSO instrument Summary of the Spectrum-UV/WSO-UV Space complex and its components Optical Bench Guiding Sensor Primary Mirror Unit Optical Bench Mounting Unit Imager Unit

E. Pace - Tecnologie Spaziali37 Cassegrain e gregoriano Gregoriano ottimale per l’uso degli oculari primario paraboloide secondario ellissoide convesso Aberrazione sfericaassente Comapossibile correggerlo con la curvatura degli specchi Astigmatismoeliminabile solo con l’uso 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

E. Pace - Tecnologie Spaziali38 Specchi per il visibile  Materiali ‘Zero Expansion’ – Materiali come Astro- Sitall, Zerodur, o ULE vengono utilizzati come substrato per specchi poiché non hanno espansione termica rilevante alle temperature a cui opera un telescopio normalmente.  Lavorazione – Si utilizza il ‘polishing’ ovvero la levigazione mediante polveri di diamante di dimensioni sempre più piccole (fino ad alcuni micron) diluite in acqua. La tecnica moderna è computerizzata. Gli errori sulla forma delle ottiche sono dell’ordine di λ/20 o λ/25.  Misura dell’errore – La misura dell’errore di forma si fa con il metodo interferometrico, analizzando le frange prodotte per confronto con una superficie campione e illuminando con lampade al sodio (λ=586 nm).

E. Pace - Tecnologie Spaziali39 Riflettività nei raggi X

E. Pace - Tecnologie Spaziali40 Telescopi a raggi X Wolter dimostrò il funzionamento di questi specchi nel 1951 per applicazioni alla microscopia

E. Pace - Tecnologie Spaziali41 Telescopi a raggi X I primi ad usarli per l’astronomia furono Giacconi e Rossi nel 1960

E. Pace - Tecnologie Spaziali42 XMM

E. Pace - Tecnologie Spaziali43 Telescopio per raggi X XMM – Newton Specchi Wolter I coassiali

E. Pace - Tecnologie Spaziali44 Specchi per raggi X a) Mandrino superpulito In Al rivestito di 0.1 mm Ni, depositato sull’alluminio attraverso un processo chimico (Kanigen © ). Il mandrino così preparato viene sagomato fino a ottenere il profilo parabolico-iperbolico desiderato. Quindi è sottoposto a un processo di superpulitura per raggiungere una rugosità superficiale < 0,5 nm. b) Deposizione dell’oro. Il mandrino viene inserito in un crogiuolo dove viene depositato l’oro da evaporare. L’oro viene evaporato per bombardamento di elettroni, fino a formare uno strato di circa 100 nm.

E. Pace - Tecnologie Spaziali45 Specchi per raggi X c) Il rivestimento di nichel. Lo strato di oro è rivestito di un ulteriore strato di nichel attraverso un bagno elettrolitico fino al raggiungimento dello spessore desiderato (0,1 – 1,0 mm). d) Lo specchio sul mandrino. È lo strato d’oro rinforzato da quello di nickel che costituisce lo specchio. La superficie d’oro ha la funzione di riflettere i raggi X. Il rivestimento di nichel depositato attraverso il bagno elettrolitico serve a dare consistenza meccanica al sottile strato di metallo prezioso. e) La separazione dello specchio. La separazione è ottenuta raffreddando quest’ultimo: infatti il coefficiente di espansione termica dell’alluminio è circa il doppio di quello del nickel e con il raffreddamento si crea una piccola intercapedine che permette la separazione dello specchio. Le superfici così ottenute hanno una curvatura perfetta, con micro-rugosità < 0,5 nm. Ciò permette di ottenere immagini X con risoluzione simile a quelle ottiche.

E. Pace - Tecnologie Spaziali46

E. Pace - Tecnologie Spaziali47 Parametri ottici  Throughput (potere di raccolta della luce) determina la luminosità dell’immagine o il flusso di fotoni che dall’apertura raggiungono il piano focale: I = intensità [ph/s/sr] B = brillanza [ph/s/cm 2 /sr] dS Mpcf m dΩdΩ Throughput

E. Pace - Tecnologie Spaziali48 Tipo Newton Piccolo campo Newtoniano primario paraboloide secondario piano Aberrazione sferica solo con primario sferico Astigmatismo presente a largo campo Comaaberrazione dominante non eliminabile Inutilizzabile per progetti spaziali poiché richiedono un piano focale in asse con il telescopio Parabolic primary mirror Flat secondary mirror Incoming light

E. Pace - Tecnologie Spaziali49 Riflettori-rifrattori: Catadiottrici Schmidt-Cassegrain Maksutov-Cassegrain

E. Pace - Tecnologie Spaziali50 Telescopio ottico spaziale: HST

E. Pace - Tecnologie Spaziali51 HST: aberrazione sferica Aberrazione sferica 1993 Missione spaziale Shuttle Endeavour: Correzione: COSTAR Nuova camera: WFC2

E. Pace - Tecnologie Spaziali52 HST: mission Servicing Mission 1  WFPC2 - Wide Field Planetary Camera 2 - Second- generation imaging camera. WFPC2 is an upgraded version of WF/PC (1) which includes corrective optics and improved detectors. Wide Field Planetary Camera 2Wide Field Planetary Camera 2  COSTAR - Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement - Second-generation corrective optics. COSTAR is not an actual instrument. It consists of mirrors which refocus the abbreviated light from Hubble's optical system for first-generation instruments. Only FOC utilizes its services today. Corrective Optics Space Telescope Axial ReplacementCorrective Optics Space Telescope Axial Replacement

E. Pace - Tecnologie Spaziali53 L'HST lavora solo in configurazione RC, a due specchi. Tuttavia lo specchio primario era affetto da severa aberrazione sferica. Quando lo si scoprì, venne piazzato un correttore (COSTAR) dopo il fuoco RC, grazie alla accessibilità dell'orbita bassa. Gli strumenti di seconda e terza generazione hanno la correzione al loro interno. HST - L'aberrazione sferica del primario

E. Pace - Tecnologie Spaziali54  15% dell’encircled energy era in 0.2”, l’85% era in 1.4”  Aberrazione sferica: differenza di 38 mm nella messa a fuoco delle regioni centrali rispetto alle esterne  Problema dovuto alla lavorazione dell’ottica che aveva modificato la curvatura  La NASA non aveva MAI (!) fatto test ottici sulle due ottiche, primaria e secondaria, insieme  Soluzione: COSTAR (Corrective Optics STAR)  STAR (Space Telescope Axial Replacement) era uno strumento “dummy” usato durante i test a terra  COSTAR veniva introdotto prima degli strumenti di piano focale per correggere gli effetti dovuti all’aberrazione sferica HST - L'aberrazione sferica del primario