SEEING E SISTEMI DI OTTICA ATTIVA E ADATTIVA

SEEING E SISTEMI DI
OTTICA ATTIVA E ADATTIVA
Come ridurre il problema
dell’imperfezione degli strumenti a
terra e migliorarne la risoluzione
di Marco Sergio Erculiani
La luce delle stelle
vicino
lontano
Le stelle irradiano energia e l’inviluppo del fronte d’onda in uscita e’
assimilabile ad un piano sferico.
Tuttavia, a grandi distanze tali fronti d’onda possono essere considerati come
piani.
Se non ci fosse l’atmosfera dunque, la luce delle stelle arriverebbe a noi come
un fronte
d’onda piano parallelo.
Atmosfera
L’atmosfera ha effetti devastanti sul fronte d’onda e tali effetti
si manifestano in due
maniere:
Continuo
rifrazione
Variabile
seeing
-DIREZIONE
Continuo
-LUMINOSITA’
Variabile
estinzione atmosferica
scintillazione
RIFRAZIONE
N1<N2
Θi
N1
atmosfera
N2
ΘR
Un raggio di luce che, arrivando con una inclinazione Θi rispetto alla verticale,
passa attraverso un mezzo con indice di rifrazione maggiore di quello da cui
Proviene, viene deviato, e l’angolo di uscita e’ tanto minore quanto piu’ rifrangente
e’ il materiale.Lo stesso vale per la luce che arriva dalle stelle
ESTINZIONE ATMOSFERICA
CONTINUA:SCATTERING
hν
hν
Le particelle dell’atmosfera assorbono
E riemettono i fotoni, modificandone
la direzione e l’intensita’
E’ proporzionale a
1 / 4
Assorbe tutte le lunghezze d’onda
DISCRETA
Assorbe solo determinate lunghezze
d’onda
B-band 6870 Å O2
A-band 7600 Å O2
8200 Å H20
9400 Å H20
SI TROVA FRA LA STRATOSFERA
E LA IONOSFERA
GRIGIA
E’ DOVUTA A PARTICELLE SOLIDE
(INQUINAMENTO)
SEEING
IL SEEING E’ COMUNEMENTE
DESIGNATO DA Θo =1.22λ/D
OCCHIO UMANO: 0.3 ARCMIN)
UN EURO A 229 M
ATMOSFERA
(KECK 0.013 ARCSEC)
UN EURO A 317 KM
h
E’ CARATTERIZZATO DA:
-PARAMETRO DI FRIED
-FREQUENZA DI GREENWOOD
-IPOTESI DI TAYLOR
-ANGOLO ISOPLANATICO
LE FLUTTUAZIONI AUMENTANO
COLL’AVANZARE DEL FRONTE
D’ONDA
D
PARAMETRO DI FRIED (r0)
0
ENTRO r0 il fronte d’onda e’ piano ma tiltato.
E’ IL PARAMETRO CHE
INDICA LA PORZIONE DI
FRONTE D’ONDA MINIMA
OLTRE LA QUALE
L’IMMAGINE E’ PIU’
PERTURBATA DI 1 rad
IPOTESI DI TAYLOR
(FROZEN LAYER)
r0
LE CELLE
DITURBOLENZA
CAUSANO
LA “ROTTURA” DEL
FRONTE D’ONDA
TAYLOR SUPPOSE DI VEDERE L’ATMOSFERA SUDDIVISA IN TANTI STRATI CHE
“SCIVOLANO” L’UNO SULL’ALTRO.
CIASCUNO DI QUESTI CONTIENE DELLE “BOLLE” DI TURBOLENZA, O CELLE
DI SEEING, CHE SI FORMANO DALL’INCONTRO FRA CORRENTI TERMICHE DI T
DIVERSA.
TALI CELLE SI MUOVONO CON t(CELLA)<t(LAYER)
Frequenza di Greenwood
R0
V(layer)
FREQUENZA DI
GREENWOD
TEMPO DI COERENZA
FR.G.=R0/v(layer)
T=v(layer) /R0
ANGOLO ISOPLANATICO
E’ L’ANGOLO ENTRO
CUI POSSO SPAZIARE
SENZA CHE IL FRONTE
D’ONDA SIA PIU’
ABERRATO DI R0
R0
θ0
<h>
-SCINTILLAZIONE
SCINTILLAZIONE
PIANETA
STELLA
ZOOM
θ0
θ >θ0
PRIMA E DOPO
oggetto
Immagine non
deteriorata
(diffraction limited)
Fronte d’onda piano
turbolenza
Immagine
deteriorata
(speckle)
telescopio
IN BUONA SOSTANZA…
TELESCOPI NON PROPRIO
PERFETTI COME SEMBRA
OTTICA ATTIVA
CONTROLLO DEFORMAZIONI DEGLI SPECCHI
ATTUATORI SUBARU (8.2 M)
NTT CELLA PRIMARIO
VLT
OTTICA ADATTIVA
SPECCHI DEFORMABILI
910 mm
640 mm
2 mm
1.6 mm
MMT 6.5 m 336 ATTUATORI
LBT 672 ATTUATORI
2000 CORREZIONI/s
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.
LBT
SENSORI DI FRONTE D’ONDA
SERVONO PER “VEDERE” IN CHE MODO IL FRONTE D’ONDA E’ ALTERATO
E INVIANO L’INFORMAZIONE ALLO SPECCHIO DEFORMABILE CHE IN
TEMPO REALE VARIA LA SUA SUPERFICIE PER CORREGGERE IL
FRONTE D’ONDA E “PULIRE” L’IMMAGINE DALLA TURBOLENZA.
-SENSORI DI TIP TILT (BASSI ORDINI)
-SENSORI DI CURVATURA (ALTI ORDINI)
ZOOM
BASSI ORDINI
ALTI ORDINI
SENSORI DI TIP-TILT
SENSORE DI TIP TILT A QUATTRO QUADRANTI
- A COSA SERVONO?
X
A
B
ATMOSFERA
Y
C
D
Y=(A+B)-(C+D)/A+B+C+D
X= (A+C)-(B+D)/A+B+C+D
LA LUCE SI SPOSTA
ESEMPI DI SENSORI DI TIP TILT E SPECCHI DEFORMABILI
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…
SENSORE DI SHACKHARTMANN
ARRAY DI LENTINE
MASCHERA
+
=
SENSORE DI S-H
SHACK-HARTMANN
SCHERMO
FASCIO S-H-MASK
ARRAY
SCHERMO VISTO DA
DAVANTI
MAN MANO CHE IL FRONTE D’ONDA CAMBIA IL SUO ASPETTO VARIA ANCHE
L’IMMAGINE DATA DALLE LENTINE
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
PREGI E DIFETTI
PREGI:
-AVENDO PIU’ “PUPILLINE” POSSO MEGLIO CORREGGERE IL FRONTE
D’ONDA
DIFETTI:
-E’ INSENSIBILE ALL’ERRORE 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…
SENSORE A PIRAMIDE
1996 R.RAGAZZONI
EVIDENZIA ANCHE LE
EVENTUALI DEFORMAZIONI
OLTRE CHE AL TIP TILT
PUR ESSENDO DI TIP-TILT
ANCORA SUL SP
LA LUCE VIENE CONVOGLIATA
SU 4 PUPILLE, GUADAGNANDO
IN LUMINOSITA’
LE DIFFERENZE DI
INTENSITA’ CI DICONO
COME VARIA IL FRONTE
D’ONDA
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 d’onda all’interno del fronte d’onda, e proporzionale
al gradiente
radiale del fronte d’onda sulle creste del fronte d’onda.
Schema del cwfs
Distorsione del fronte d’onda
Immagine intrafocale
Immagine extrafocale
Segnale di curvatura a alta risoluzione
Normale e in binning a 60 subaperture
MA DOV’E’ QUESTA
TURBOLENZA?
LA TURBOLENZA NON E’ AMMASSATA TUTTA SU DI UN UNICO STRATO, MA
SI DISPONE SU DIVERSI STRATI DELL’ATMOSFERA, 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
SCIDAR
SCINTILLATION DETECTING AND
RANGING

APERTURA
TELESCOPIO
h
TURBOLENZA
h’
PUPILLA
h’ 
(h-h’) 
SISTEMA PER LA DETECTION DI
LAYER TURBOLENTI

TURBOLENZA
h
OTTICA
TELESCOPIO
h’
h’ 
(h-h’) 
A
PUPILLE
B
PUPILLA A
LA LUCE SI
DISTRIBUISCE IN
MODO DIVERSO PER
LE DUE STELLE, MA
OGNI TANTO C’E’
UNA CORRELAZIONE
FRA I DUE MODI DI
DISTRIBUZIONE.
PUPILLA B
IN BASE ALLA CORRELAZIONE POSSO
“SCOVARE” GLI STRATI DOVE LA
TURBOLENZA DELL’ATMOSFERA E’
MAGGIORE
ANDAMENTO DELLA TURBOLENZA
TURBOLENZA
OTTICA ADATTIVA
MULTICONIUGATA
SE OSSERVIAMO DUE STELLE CHE
DISTANO TRA DI LORO PIU’ DELL’ANGOLO
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
D’ONDA.
COME CORREGGERLI?
1 : STELLE ARTIFICIALI
2: MCAO
STELLE ARTIFICIALI
-RAYLEIGH LGS (10/15 Km)
- SODIUM LGS (96 Km)
STELLA LASER
MOLTISSIMI CONTRO…
-COSTI ELEVATISSIMI
-DIFFUSIONE ALL’INTERNO 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 DALL’INFINITO, NON
DAL FINITO
OTTICA ADATTIVA
MULTICONIUGATA
NECESSITA’ DI CORREGGERE PIU’ STRATI DI ATMOSFERA…
2
1
α
TURBOLENZA
TELESCOPIO
PIANO CONIUGATO DELLA
TURBOLENZA 2
PUPILLA CONIUGATA CON T=1
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
FREQUENZA SPAZIALE
FREQ. SPAZ = 1/αh
NECESSITA’ DI AVERE PIU’ LUCE:
LAYER ORIENTED MULTI- CONIUGATE ADAPTIVE OPTICS
LOMCAO vs SOMCAO
STAR ORIENTED
PER OGNI STELLA C’E’
UN DETECTOR E TUTTE E DUE
VANNO AL WFS
LAYER ORIENTED
OGNI SENSORE E’ CALIBRATO PER
CORREGGERE UN SINGOLO LAYER
DI ATMOSFERA
STAR ORIENTED
-UN DETECTOR PER STELLA
E UN SOLO WFS
- POCO LUMINOSO
VS
LAYER ORIENTED
UN DETECTOR CONIUGATO
CON OGNI LAYER E QUINDI
POSSIBILITA’ DI IMPOSTARE:
-VELOCITA’ DI CORREZIONE
-DIMENSIONE DI rO
-PIU’
LUMINOSITA’
(DENSITA’ DI
FOTONI)
NECESSITA’ DI AMPLIARE ULTERIORMENTE IL CAMPO DI VISTA:
MULTIPLE FIELD OF VIEW ADAPTIVE OPTICS
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
LBT CON LINC-NIRVANA
PRINCIPIO DI
FUNZIONAMENTO
LINC-NIRVANA
SCHEMA DI NIRVANA
I RAGGI DI TERRA VENGONO RIFLESSI
VERSO UN SENSORE CHE NE ANALIZZA
LA TURBOLENZA
IN DEFINITIVA…
NETTUNO
CON AO
NETTUNO
SENZA AO
SENZA AO
CON AO
SENZA AO
CON AO
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
FINE