Transcript Document
מכוכבי לכת ועד ראיה –
עוצמת הפוטונים
– From planets to vision
the power of photons
ארז ריבק
דו"ח סגל מחקר
27במרץ 2012
הפרדה גבוהה :אסטרונומיה
• יישומים שונים באסטרונומיה דורשים הפרדה גבוהה מאוד
• לא רק תמונות המקור משתפרות ,אלא גם מדידות הספקטרום שלו
• כך ניתן לראות גרעיני גלקסיות ,דיסקות אבק סביב לכוכבים ,ובשלב מאוחר יותר – כוכבי לכת
• השיטות להפרדה גבוהה הן אינטרפרומטריה ואופטיקה מסתגלת
• באינטרפרומטריה מודדים כוכבים באמצעות חיבור האור ממספר טלסקופים
• קוהרנטי :אינטרפרומטריית מייכלסון או התאבכות משרעת הגל
• לא קוהרנטי :אינטרפרומטריית עוצמה ,או מיתאם הרעשים בין שני טלסקופים מאותו כוכב
• השיטה השניה :אופטיקה מסתגלת
• הצלחה מעל למשוער
• מופעלת בכל הטלסקופים בקוטר 4מטר ומעלה
אופטיקה בהפרדה גבוהה
אסטרונומיה
דימות בעין
אופטיקה מסתגלת
ניתוח הרשתית
הטבלה אופטית
טומוגרפיה קוהרנטית,
סריקת ליזר במוקד
מדידת חזית הגל
מיקרוסקופיה
ליזר ככוכב נחייה
דוגמות להצלחת אופטיקה מסתגלת
Keck
Gemini North
זיהוי כוכב חלש מאוד ליד כוכב חזק באינפרה אדום
15Sge and 15Sge B
k Band, Liu
פלוטו וכארון
Gemini north, 0.08” resolution
כוכבי לכת
לידת כוכבים
צילום רגיל
Glassman and Larkin
Keck NIRC2
גלכסיה בפגאסוס
הסחה לאדום 0.37
אחרי הפעלת האופטיקה המסתגלת
עקרון האופטיקה המסתגלת
x, y 0חזית גל מעצם מרוחק מאוד
טורבולנציה
אטמוספרית
x, y חזית גל
x, y, z dz
atmos
מעוותת
x, y
מראה מתעוותת
חזית גל מתוקנת
x, y 0
האטמוספרה מקלקלת את התמרת פוריה
של העצם
בהתמרה ההפוכה האות מתפרש על שטח גדול,
ויורד מתחת לרמת הרעש
חשיפה קצרה :כוכב מופרד /לא מופרד
כוכב בודד ,חשיפה 5מילישניות
גבול העקיפה של
טלסקופ 5מטר
תוצאות העיבוד
קפלה (כוכב כפול) על
טלסקופ 3.8מטר
גבול העקיפה
האטמוספרית
כושר הפרדה
42מילישניות קשת
ראות seeing
•
•
•
•
•
הפרעות אטמוספריות גדלות ומצטברות עד לקוטר הטלסקופ
האפקט הוא פראקטאלי ולכן מאפשר ניבוי (עם חיים שוורץ וגדעון באום)
כאשר עיוותי המופע בעלי סטית תקן בשיעור σΦ>1 radמתקלקלת הראות
גודל תא הראות של פריד ( ,)Friedאו רוחב הקוהרנטיות הוא r0עבור σΦ=1
r0ו τ0 -גדלים לפי ( λ6/5דצימטרים ואלפיות שניה בתחום הנראה)
σΦ=1 rad
במבט אנכי או אלכסוני
r0≈20cm @ vis
r0≈70cm @ ir
r0
במבט אפקי הערכים קטנים פי 20
מערכת אופטיקה מסתגלת בסיסית
שימוש באופטיקה מסתגלת לתיקון הפאזה של חזית הגל:
• מדידת הפאזה המעוותת
• חישוב הפקודות למראה הגמישה
• הפעלת מתחים
חוג משוב
תווך מעוות
מראה גמישה
מקור
מפצל קרן
גלאי חזית-גל
צופה
אופטיקה מסתגלת
תוצאות
זמן אמת
שיפור כושר ההפרדה
תג מחיר $ 2,000,000
כוכבים כפולים ושלישיות
גירעון בשמש וצינורות שטף מגנטי
עם וללא אופטיקה מסתגלת
חור שחור במרכז שביל החלב
גלאֵ י חזית גל
גלאי הרטמן-שאק ( :)Hartmann-Shackדגימת חזית הגל באמצעות חורים
או עדשיות ומדידת ההזזה הרוחבית של המוקדים
F
Si
גרדיינטים מדודים של חזית הגל:
חישוב
S F F ,
x y
מדידה
פיתוח שיטות שונות :יובל כרמון ,שחף זומר ,עמוס תלמי ,כרמן קנובס
תבנית הארטמן-שאק
אחת ממראות טלסקופ ֶקק
מראות ממברנה בימורפיות
• הומצאה בפקולטה לפיסיקה בטכניון בשנת 1977
• המשטח הקדמי מראה – פיסת סיליקון
• המשטח האחורי – חומר פייזואלקטרי
• התכווצות או התפשטות החומר הפייזואלקטרי
לעומת הסיליקון האינרטי יוצרת עקמומיות
מקומית
• שימוש בכמה טלסקופים כגון Subaru ,CFHT
עם חיים שוורץ ,פרופ' סטיב ליפסון
Si
PZT
מראת ממברנה תוצרת בית
שיתוף עם מיקרואלקטרוניקה בטכניון ועם רפא"ל.
עד 100רכיבים על גב המראה.
שחזור חזית הגל
• בהינתן שיפועים של חזית הגל או העקמומיות שלה ,וידע מוקדם
על הסטטיסטיקה של האטמוספרה
• ובהינתן תגובת רכיבי המראה השונים (תזוזה כפונקציה של מתח)
• איך לחבר את השניים ,ולשלוח פקודות מגלאי חזית הגל למראה,
והכל בתוך אלפיות שנייה?
שיחזור חזית הגל :בקרה
• מדידות תגובת חזית הגל כתגובה להפעלת מתח על כל אחד מתוך M
רכיבי המראה
• חזית הגל נרשמת כ N-מרכזי נקודות בגלאי הרטמן או רכיבי
עקמומיות ,מסודרים כווקטור
• הכפלת חזית הגל במטריצה Aבגודל M×Nנותנת את M
הפקודות ,מסודרות כוקטור ,Sלמראה
S=A
• (פסאודו)היפוך המטריצה Bמייצר את התגובות לרכיבי המראה
כערכים עצמיים ,באמצעות שימוש בפרוק ערך סינגולרי ()SVD
=BS
B = (ATA)-1AT
• מאמצים להפוך את המטריצה לדלילה או מציאת שיטות אחרות
להקלת בעית החישוב
פיתוח שיטות שונות :עודד גלזר ,ישראל צדוק ,עמוס תלמי
חיפוש כוכבי לכת רחוקים
• הבעיה :יחס עוצמות הכוכב המרכזי (השמש) וכוכב הלכת לידו – בין 108ו1012
• הפתרון :שימוש באופטיקה מסתגלת מדויקת במיוחד
• ניצול קורונגרפיה לחסימת השמש
• חסימת האור
• פיזור באמצעות מערבולת אופטית
• התאבכות הורסת במרכז
final focus
pupil image
1st focus
Lyot stop /
adaptive optics
telescope pupil
apodizer
planet
)Star (on axis
f
f
f
f
f
ִמפתח הטלסקופ
•
•
•
•
תמונת העקיפה של הכוכב היא התמרת פוריה של ִמפתח
הטלסקופ
עבור טלסקופ רבועי או משושה העוצמה יורדת מהר יותר
לאורך האלכסון לפי (sin r / r)4
כך נתגלה הכוכב Sirius Bבשנת 1909
חסרון :בזבזני באור
עוצמה ספקטרלית
פונקצית פריסת הנקודה
(סקלה לוגריתמית)
מפתח
ניסוי במעבדה
• ניתן להסתיר רק חלק קטן מן המפתח ובכל זאת לגלות את כוכב הלכת ליד השמש
• בכך מסירים את הניוון הזוויתי
צילום הכוכב
מסכה
שמעון גלדיש ,רות מקי ,ארז ריבק
זיהוי כוכב הלכת
• כוכב הלכת יהיה מוסתר רוב זמן הסיבוב
• מחפשים מתי העוצמה מזערית בכל נקודה ונקודה
• אם אין כוכב לכת ,העוצמה תרד לאפס
ממוצע שלושת החלשים ביותר
החלשים ביותר בכל נקודה ממוצע התמונות (סקלת לוג)
שינוי ההסתרה עם הסיבוב
•
•
•
בהסתרות שונות הטבעות נעות פנימה והחוצה
הסרה של ניוון נוסף
יותר טווח לגילוי כוכב לכת
החלש ביותר ()31%-11%
החלש ביותר ()31%
ממוצע התמונה (חשיפה ארוכה)
חיפוש כוכבי לכת עם חיים
ספקטרוסקופיית פורייה:
• יצירת התאבכות בין שתי קרניים בהפרש מסלולים משתנה
• קו ספקטרלי במספר גל k=2/ λורוחב dkיוצר תנודות בתדר אופייני 2/kכאשר הפרש
המסלולים הוא 1/dk
Ι exp ik d
I k
0.5I k 1 cos k dk
Ι
F.T.
F.T.
איל שוורץ ,סטיב ליפסון ,ארז ריבק
הפרדה בין קווים ספקטרליים
• אם ידוע לנו הספקטרום של מולקולות נושאות
חיים ,נוכל להסתכל בכוכבים מתאימים ,ולחפש
את הסימנים לכך
• קוים ספקטרליים של הכוכב נובעים מאטומים
בודדים
• קוים השייכים לחומרים נושאי חיים צרים יותר
במרחב פוריה ,הקו הצר ממשיך להופיע
במסלולים ארוכים יותר
Spectral line width
Spectral line peak
)cm-1 (µm
)cm-1 (µm
)2.66 (0.1
)512 (19.51
H20
)2.2 (0.013
)1285 (7.78
N2O
)2.86 (0.017
)1280 (7.8
CH4
)3.89 (0.036
)1040 (9.6
O3
)3.5 (0.016
)1478 (6.76
קו צר וקו רחב
Molecule
– Chlorophyll a
C55H72MgN4O5
ניסוי מעבדה
•
•
•
•
השוואת מנורת הלוגן וLED-
ירוק :הספקטרום הכולל
כחול :הספקטרום הצר
שיפור של פי ארבע בניגוד
ניסוי במצפה כוכבים
• שימוש באינטרפרומטר שבו פסי ההתאבכות נראים כולם בתמונה ,במקום סריקה שלהם בזמן
• האטמוספרה מזיזה את הרקע ,אבל פסי ההתאבכות נשארים במקום
• התמרת פוריה של ממוצע התמונות נותן לנו את ספקטרום הכוכב
ישומים לא אסטרונומיים
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
בגלל סיבוכיות ויוקר הרכיבים ,עד כה היישום היחיד היה הישום המקורי :אסטרונומיה
בשנים האחרונות הוחל שימוש באופטיקה מסתגלת ביישומים לא אסטרונומיים
בתחום הרפואי והמחקרי :תיקון עיוותי הקרנית לתצפית באיכות טובה לתוך העין
בתחום ליזרי הספק :תיקון בתוך המהוד לשיפור איכות הקרן היוצאת
בתחום המחקר הטהור :כיווץ בזמן של הלמים אופטיים
בתחום התקשורת :שיפור האות בתקשורת אופטית באויר החופשי
בתחום הליזרים :עיצוב צורת הקרן הפוגעת
בתחום האופטיקה ברנטגן :שיפור איכות הקרן
בתחום הליזרים :משלוח קרן דרך עיוותי אטמוספרה במסלול אלכסוני
בתחום האוירו-אופטיקה :דימות ותקשורת דרך חלון פלטפורמה מהירה
אופטיקה מסתגלת לעין
•
•
•
שתי מערכות אופטיות חופפות חלקית
מדידת עוותי חזית הגל משמשת גם למדידת
הקרנית ,כמו בניתוחי LASIK
המראה הגמישה מתקנת את עיוותי העין
למטרות מחקר ולמטרות רפואיות
–
–
–
–
•
•
המבנה האופטי התלת-מימדי של העין
הבנת מבנה הרשתית
דיאגנוזה
ניתוחים
קבלת תמונות טובות רק בחלק קטן
מהמדידות :נדרש מחקר נוסף
ניסויים ראשוניים בארה"ב ,ספרד ,צרפת,
בריטניה
כיום לניתוחי קרנית,גלאי חזית גל
A. Roorda,
Texas
Erez left eye (with contact lens)
תוצאה :מפת חזית הגל
תוצאה :פונקצית פריסת הנקודה
Point Spread Function
עין הארנבת
laser
white light
deformable
mirror
Hartmann-Shack
and camera
variable
beam
splitter
mirror
תיקון עיוותי הקרנית
•
•
•
•
שיפור כושר ההפרדה בערך פי עשר
תג מחיר $20,000ומעלה
מערכות מעבדתיות ()1995-2010
מכשיר מסחרי ראשון היה צפוי ב2011-
מבנה העין
כניסת אור מהאישון
רשתית אנושית
(צבועה)
רשתית העין שקופה אך מפזרת
•
•
•
מדוע עובר האור שכבות מפזרות לפני הגיעו לתאי החישה?
תאי מילר (גלִ יה) צפופים יותר ,חודרים את כל הרשתית
האם הם מוליכי אור?
תאי מילר
שכבת סיבי עצבים
פנימית
שכבת סיבי עצבים
חיצונית
גרעיני תאי מילר
רשתית האדם
קנים ומדוכים
אופטיקה ברשתית
•
•
•
מה ההעברה בין תאי מילר סמוכים? מה השפעתם על חדות הראיה?
מה התגובה של העין לאור המגיע מן הצד (מחוץ לאישון)?
ניסויי מחשב ומדידות במעבדה
עמיחי לבין ,ארז ריבק ,אדו פרלמן (רפואה)
הדמית מחשב
שתי תוכניות מחשב לקידום חזית גל דרך תווך
לא אחיד:
.1בתוכנית הראשונה יצרנו דגם תלת מימדי
של שני תאים עם מקדם השבירה שלהם,
וסובבנו אותו בזוויות שונות .לאחר מכן
קידמנו אלומות אור באורכי גל שונים.
.2בתוכנית השניה בנינו דגם מלא תלת מימדי
של הרשתית ,והעברנו דרכו אלומות בזויות
שונות ואורכי גל שונים.
Technion 25/11/2010
Franze et al. 2007
תוצאות
דגם שני התאים:
• אין דליפת אור מתא לתא בזויות קטנות (ביום)
• הדליפה הגרועה ביותר בזויות גדולות (בלילה)
• הביצועים הטובים ביותר בירוק-אדום
• הדליפה הגרועה ביותר בכחול בזויות גדולות
central cell
neighbour cell
photopic
blue
red
scotopic
photopic
blue
red
scotopic
דגם מרובה-תאים
• הכנסנו פילוג גאוסי לכמה תאים
• בדקנו התקדמות ,פילוג אור בתאי הגילוי
cones
rods
9
התקדמות האור
θ=60; λ=580nm
ניסויי מעבדה
מכרסם :קביה
ציוד :מיקרוסקופ
סורק
קוטר תאי מילר
cell transmission
rod
צילומי רשתית
•
•
•
תאי מילר הם שקופים ,והרשתית שקופה עד הגלאים (קנים ומדוכים)
האם ניתן לראות את השפעת תאי מילר על האור החוזר?
בנינו מערכת לבדיקת פילוג האור ברשתית
head
LED
pupil camera
& lens
retinal camera
BS #1
lens #1
BS #2
lens #2
= pupil monitor
fixation target
ניצן מיטב ,ארז ריבק
צילומי רשתית
סרט וידיאו של הרשתית:
העצמה נמוכה ,התמונה זזה ,הרעש רב ,ההפרדה גרועה
ניצן מיטב ,ארז ריבק
47
הזזה וחיבור התמונות
תמונה אחת
240תמונות
1.92×1 mm2
מיצוע על דופק הלב
1.3×0.8 mm2
קטע מוגבל
one frame
25 µm bar
λ=520nm
240 frames
shifted-and-added
240 frames
<20 µm filter
האמנם תאי רשתית?
תאי רשתית צפופים מסודרים
במבנה משולש ולכן התמרת
פוריה שלהם היא משושה
תמונה אחת
צילום במיקרוסקופ
גודל המשושה במרחב פוריה
מתאים בערך לארבעה מיקרון
240תמונות
זיהוי משושים
תמונה ממוצעת
סינון לזיהוי מדוכים
10%
יחס משושים
למדוכים
סינון לזיהוי משושים
40%
צילום כל הרשתית
מרכז הרשתית
העלמת העיוותים
beam splitter
goggle
camera
lens
lens
lens
lens
LE
D
שיפור בחדות התמונה
One frame
Direct image (240 frames)
Power spectra
immersion
direct
25 µm bar
Immersion image (240 frames)