SEEING E SISTEMI DI OTTICA ATTIVA E ADATTIVA

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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 Erculiani
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La luce delle stelle
lontano
vicino
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.
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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
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RIFRAZIONE
N1ltN2
Ti
N1
atmosfera
N2
TR
Un raggio di luce che, arrivando con una
inclinazione Ti rispetto alla verticale, passa
attraverso un mezzo con indice di rifrazione
maggiore di quello da cui Proviene, viene
deviato, e langolo di uscita e tanto minore
quanto piu rifrangente e il materiale.Lo stesso
vale per la luce che arriva dalle stelle
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ESTINZIONE ATMOSFERICA
CONTINUASCATTERING
DISCRETA
h?
Assorbe solo determinate lunghezze donda B-band
6870 Å O2 A-band 7600 Å O2
8200 Å H20 9400 Å H20 SI
TROVA FRA LA STRATOSFERA E LA IONOSFERA

h?
Le particelle dellatmosfera assorbono E
riemettono i fotoni, modificandone la direzione
e lintensita E proporzionale a
GRIGIA
E DOVUTA A PARTICELLE SOLIDE (INQUINAMENTO)
Assorbe tutte le lunghezze donda
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SEEING

• IL SEEING E COMUNEMENTE
• DESIGNATO DA To 1.22?/D
• OCCHIO UMANO 0.3 ARCMIN)
• UN EURO A 229 M
• (KECK 0.013 ARCSEC)
• UN EURO A 317 KM
• E CARATTERIZZATO DA
• -PARAMETRO DI FRIED
• -FREQUENZA DI GREENWOOD
• -IPOTESI DI TAYLOR
• ANGOLO ISOPLANATICO

ATMOSFERA
h
LE FLUTTUAZIONI AUMENTANO COLLAVANZARE DEL
FRONTE DONDA
D
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PARAMETRO DI FRIED (r0)
0
E IL PARAMETRO CHE INDICA LA PORZIONE DI FRONTE
DONDA MINIMA OLTRE LA QUALE LIMMAGINE E
PIU PERTURBATA DI 1 rad
ENTRO r0 il fronte donda e piano ma tiltato.
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IPOTESI DI TAYLOR(FROZEN LAYER)
r0
LE CELLE DITURBOLENZA CAUSANO LA ROTTURA DEL
FRONTE DONDA
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)ltt(LAYER)
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Frequenza di Greenwood
R0
V(layer)
FREQUENZA DI GREENWOD FR.G.R0/v(layer)
TEMPO DI COERENZA Tv(layer) /R0
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ANGOLO ISOPLANATICO
E LANGOLO ENTRO CUI POSSO SPAZIARE SENZA CHE IL
FRONTE DONDA SIA PIU ABERRATO DI R0
R0
?0
lthgt
-SCINTILLAZIONE
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SCINTILLAZIONE

• PIANETA STELLA

ZOOM
?0
? gt?0
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PRIMA E DOPO
Immagine non deteriorata (diffraction limited)
oggetto
Fronte donda piano
turbolenza
Immagine deteriorata (speckle)
telescopio
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IN BUONA SOSTANZA
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TELESCOPI NON PROPRIO PERFETTI COME SEMBRA
OTTICA ATTIVA
CONTROLLO DEFORMAZIONI DEGLI SPECCHI
ATTUATORI SUBARU (8.2 M)
NTT CELLA PRIMARIO
VLT
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OTTICA ADATTIVA
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SPECCHI DEFORMABILI
910 mm
640 mm
2 mm
1.6 mm
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.
LBT 672 ATTUATORI 2000 CORREZIONI/s
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LBT
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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)

ZOOM
BASSI ORDINI
ALTI ORDINI
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SENSORI DI TIP-TILT
SENSORE DI TIP TILT A QUATTRO QUADRANTI
- A COSA SERVONO?
X
ATMOSFERA
A
B
Y
C
D
Y(AB)-(CD)/ABCD X (AC)-(BD)/ABCD
LA LUCE SI SPOSTA
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ESEMPI DI SENSORI DI TIP TILT E SPECCHI
DEFORMABILI
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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
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SENSORE DI SHACK-HARTMANN
ARRAY DI LENTINE
MASCHERA


SENSORE DI S-H
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SHACK-HARTMANN
SCHERMO VISTO DA DAVANTI
SCHERMO
S-H-MASK
FASCIO
ARRAY
MAN MANO CHE IL FRONTE DONDA CAMBIA IL SUO
ASPETTO VARIA ANCHE LIMMAGINE 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
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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
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SENSORE A PIRAMIDE
1996 R.RAGAZZONI
EVIDENZIA ANCHE LE EVENTUALI DEFORMAZIONI OLTRE
CHE AL TIP TILT PUR ESSENDO DI TIP-TILT
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ANCORA SUL SP
LA LUCE VIENE CONVOGLIATA SU 4 PUPILLE,
GUADAGNANDO IN LUMINOSITA
LE DIFFERENZE DI INTENSITA CI DICONO COME VARIA
IL FRONTE DONDA
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SENSORE DI CURVATURA
PWFS
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.
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Schema del cwfs
Distorsione del fronte donda Immagine
intrafocale Immagine extrafocale Segnale di
curvatura a alta risoluzione Normale e in binning
a 60 subaperture
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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
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SCIDARSCINTILLATION DETECTING AND RANGING
?
APERTURA TELESCOPIO
h
TURBOLENZA
h
PUPILLA
h ?
(h-h) ?
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SISTEMA PER LA DETECTION DI LAYER TURBOLENTI
?
TURBOLENZA
h
OTTICA TELESCOPIO
h
h ?
(h-h) ?
A
B
PUPILLE
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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.
PUPILLA B
IN BASE ALLA CORRELAZIONE POSSO SCOVARE GLI
STRATI DOVE LA TURBOLENZA DELLATMOSFERA
E MAGGIORE
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ANDAMENTO DELLA TURBOLENZA
ALTEZZA
TURBOLENZA
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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
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STELLE ARTIFICIALI

• RAYLEIGH LGS (10/15 Km)
• - SODIUM LGS (96 Km)

STELLA LASER
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MOLTISSIMI CONTRO

• 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

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OTTICA ADATTIVA MULTICONIUGATA
NECESSITA DI CORREGGERE PIU STRATI DI ATMOSFERA
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2
1
a
TURBOLENZA
TELESCOPIO
PIANO CONIUGATO DELLA TURBOLENZA 2
PUPILLA CONIUGATA CON T1
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ANDAMENTO DELLA CORREZIONE

• CORREZIONE DI 2 STRATI
• ATMOSFERICI CON 2 SPECCHI
• DEFORMABILI
• GROUND
• -STRATO A 8 Km

ANDAMENTO DELLA CORREZIONE

1/ah
a
FoV
h ALTEZZA TURBOLENZA
40
h (Km)
FREQUENZA SPAZIALE
FREQ. SPAZ 1/ah
NECESSITA DI AVERE PIU LUCE LAYER ORIENTED
MULTI- CONIUGATE ADAPTIVE OPTICS
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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
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STAR ORIENTED
LAYER ORIENTED
VS
UN DETECTOR CONIUGATO CON OGNI LAYER E
QUINDI POSSIBILITA DI IMPOSTARE -VELOCITA DI
CORREZIONE -DIMENSIONE DI rO

• UN DETECTOR PER STELLA
• E UN SOLO WFS

- POCO LUMINOSO

• PIU
• LUMINOSITA
• (DENSITA DI
• FOTONI)

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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
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(No Transcript)
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LBT CON LINC-NIRVANA
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO LINC-NIRVANA
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SCHEMA DI NIRVANA I RAGGI DI TERRA VENGONO
RIFLESSI VERSO UN SENSORE CHE NE ANALIZZA LA
TURBOLENZA
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IN DEFINITIVA
NETTUNO CON AO
NETTUNO SENZA AO
CON AO
SENZA AO
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CON AO
SENZA 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

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FINE