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Sistemi Adattivi per l’astronomia: concetti ed esempi

Scuola Nazionale di tecnologie astromiche Napoli, 23-28 Settembre 2002. Sistemi Adattivi per l’astronomia: concetti ed esempi. S. Esposito, Osservatorio Astrofisico di Arcetri, INAF. Sommario. Immagini da telescopi a terra e turbolenza atmosferica Concetti e parametri fondamentali dei

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Sistemi Adattivi per l’astronomia: concetti ed esempi

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  1. Scuola Nazionale di tecnologie astromiche Napoli, 23-28 Settembre 2002 Sistemi Adattivi per l’astronomia:concetti ed esempi S. Esposito, Osservatorio Astrofisico di Arcetri, INAF

  2. Sommario • Immagini da telescopi a terra e turbolenza atmosferica • Concetti e parametri fondamentali dei sistemi ottici adattivi Astronomici • I sistemi adattivi di: • CFHT/Gemini • VLT • TNG • Novità nel settore: Sistema adattivo di LBT • La prossima tappa: Extremely Large Telescopes

  3. AO system layout Atmosfera turbolenta

  4. Keck Telescope

  5. Keck Telescope

  6. Measured Intensity Teoretical Point Spread function Obj. Intensity distribution l/D 1.22 l/D Immagini da telescopi a terra

  7. MTFs d r0/l D/l La Modulation transfer function (MTF) Optical Transfer function MTF= La MTF teorica Overlap area D • W = Funzione Pupilla • r < D/2 • 0 r > D/2

  8. Turbolenza I Strati turbolenti ~20Km ~1mm/K/m telescopio

  9. Funzione di struttura della fase Media statistica delle differenze quadratiche di fase fra due punti Valori di r0 a 0.5 e 2.2 mm Acromaticità della perturbazione in mm

  10. i / j 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 0.449 0 0 0 0 0 0.0142 0 0 3 0 0.449 0 0 0 0.0142 0 0 0 4 0 0 0.0232 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0.0232 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0.0232 0 0 0 0 7 0 0.0142 0 0 0 0.00619 0 0 0 8 0.0142 0 0 0 0 0 0.00619 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0.00619 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00619 I polinomi di Zernike Matrice di varianza-covarianza statistica

  11. MTFs W = Funzione Pupilla Area di coerenza D = r0 0 d r0/l D/l Turbolenza II MTF media in atmosfera Turbolenta Effetto della correzione adattiva !

  12. Numero di gradi di libertà ? • Tempi caratteristici di funzionamento ? Questioni fondamentali Natt ~ (D/r0)^2 Nsamp ~ (D/r0)^2 • Numero di punti di sampling del wf ? • Massima sep. Oggetto scientifico stella di guida ?

  13. r0 Angolo Isoplanatico Angolo di decorrelazione: Angolo isoplanatico   ~ r0 / h h

  14. 0 ~ r0/ v >> D/V Evoluzione temporale telescopio D

  15. Focus Anisoplanatism Tilt Indetermination Pos. reale NGS Pos. apparente Strato di sodio LGS LGS 10 km 90 km Tel. pupil Tel. pupil Stelle di riferimento laser Strato turbolento d h r

  16. C  R S Loop di controllo Natt ~ (D/r0)^2 Control system Nsens~ 2 (D/r0)^2 [Natt x Nsens]

  17. Bibliografia • "Adaptive Optics for Astronomy”, Francois Roddier (ed.), Cambridge University Press, 1999 • "Adaptive Optics for Astronomical Telescopes", John W. Hardy, Oxford Books, 1998 • "Adaptive Optics for Astronomy", ed. Danielle M. Alloin & Jean-Marie Mariotti, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1994 • "Imaging Through Turbulence", Michael C. Roggemann & Byron Welsh, CRC Press, 1996 • "Principles of Adaptive Optics", Robert K. Tyson, Academic Press, 1997 • "Adaptive Optics for Atmospheric Compensation", James E. Pearson (ed.), SPIE Milestone Series, Volume MS 92 • “Introduction to Wavefront Sensors” (Tutorial Texts in Optical Engineering, Vol Tt18,) Joseph M. Geary, Society of Photo-optical Instrumentation Engineers, 1995 • Babcock, H. W. "Adaptive Optics Revisited." Science249, 253-257, 1990. • Beckers, J. M. "Adaptive Optics for Astronomy: Principles, Performance, and Applications." Ann. Rev. Astron. Astrophys.31, 13-62, 1993. • Hubin, N. and Noethe, L. "Active Optics, Adaptive Optics, and Laser Guide Stars." Science262, 1390-1394, 1993. • Collins, G. P. "Making Stars to See Stars--DOD Adaptive Optics Work is Declassified." Physics Today45, 17-21, Feb. 1992.

  18. Wavefront Sensor Curvature 36 elements,2 arcsec WFS FOV, 12 arcsec guide star patrol radius Deformable Mirror 36 element Bimorph60mm pupilDM stroke sufficient for ~ 0.9arcsec seeing Sampling Rate 1 kHz Imager University of Hawaii's QUIRC1-2.5 micron HgCdTe 1k2 HAWAII array,19.7 milliarcsec/pixel~20 arcsec FOV Pueo & Hokupaa: Curvature AO

  19. Deformazione del bimorfo Def mirrors: bimorph Geometria degli elettrodi V proporzionale al laplaciano della sup. ottica No. Di attuatori 13-85 DM size 30-200 mm Geometria attuatori radiale Voltaggio 100 V Freq. Di risonanza 500 Hz

  20. DI / I  f2/l Esiste un valore minimo per l ! Curvature sensor: concept

  21. Pupil image Curvature sensor: optics Oscillating membrane Pupil image 2l

  22. NAOS images

  23. Thetis Composite image H-K 20.6 arcsec diameter resolution 70 mas or 410 km ~10 sec exposure time Differential tracking NAOS images

  24. NAOS VLT Adapter Cable Twist CONICA NAOS at Paranal Nov. 2001 Naos@VLT

  25. CONICA Input focus Deformable mirror Dichroic Output parabola Input parabola WFS input focus Tip-Til mirror VLT Nasmyth focus Naos optical layout

  26. Naos def. Mirror: 185 attuatori Piezo-Stacked monolithic deformable mirrors V proporzionale allo spostamento della sup. ottica No. Di attuatori 30 – 349 Spaziatura attuatori 5-10 mm DM size 50-150 mm Geometria attuatori griglia quadrata Voltaggio 100 V Freq. di risonanza 500-1000 Hz

  27. S Shack-Hartmann sensor: concept

  28. NAOS WFS characteristic NAOS IR WFS Shack-Hartmann sensor: optics

  29. Marzo 2002 NICS ,K band, 35% SR NICS@K band, FWHM 0.15 TNG Primo anello di diffrazione Settembre 2001

  30. TNG optical layout Speckle Module Tip-Tilt module HO module PS, SHS F/32 dal telescopio

  31. Y R mod y0   x0 I2 I1 X   I3 I4 Pyramid WFS: concept Immagini pupille modulazione Sx(x,y) = ([I1(x,y)+I4(x,y)] - [I2(x,y)+I3(x,y)])/Itot Sy(x,y) = ([I1(x,y)+I2(x,y)] – [I3(x,y)+I4(x,y)])/Itot w/x = R/F Sx

  32. Pyramid WFS: optics

  33. PS CS SH w/x Open loop w/x = R/FSx Un raffronto........

  34. Ad oggi………………. • Curvature systems: modesto numero di gardi di libertà (dof) • Canada France Hawaii Telescope: 13 dof, 14th mag • Univ. of Hawaii: 19 dof, 12th mag • San Pedro Martir (Baja CA): 19 dof • Subaru: 19 dof • Hokupaa on Gemini Telescope: 36 dof, 13-17th mag • Hokupaa 85 (under construction): 85 dof • Shack-Hartmann systems:tendono ad avere più gradi di liberta ma richiedono stelle di rif. più brillanti. • Lick: 61 dof, 13.5 mag • Palomar: 241 dof • Keck: 250 dof, 13.5 mag • ADONIS: 50 dof (?), 13 mag • VLT (ESO) NAOS • Pyramid Sensor • - TNG: 97dof, mag ?

  35. Scuola Nazionale di tecnologie astromiche Napoli, 23-28 Settembre 2002 Sistemi Adattivi per l’astronomia:concetti ed esempi II S. Esposito, Osservatorio Astrofisico di Arcetri, INAF

  36. Sommario • Immagini da telescopi a terra e turbolenza atmosferica • Concetti e parametri fondamentali dei sistemi ottici adattivi Astronomici • I sistemi adattivi di: • CFHT/Gemini • VLT • TNG • Novità nel settore: Sistema adattivo di LBT • La prossima tappa: Extremely Large Telescopes

  37. LGS LUCIFER window LUCIFER NGS AGW System Overview & Location

  38. System Key features Adaptive Secondary mirror: LBT672[4839-85], A. Riccardi Improves AO channel transmission ~ 40% (WFS) Actuators pitch ~ 28cm ~ ro @ 0.75 mm, (0.8” seeing V Band) effective correction down to sensing wavelenght Pyramid wavefront Sensor (PS) Better performance WRT Shack-Hartmann > 1 mag Pupil sampling adjustable using on-chip binning, LBT 30x30,15x15,10x10... Moveable WFS Allows use of small refractive optics, 32mm Ø max. Reference star acquisition on a 3x2 arcmin FOV Small AOS opto-mechanics 320x400 mm (20 kg) Reduces costs, flexures, turbulence.....

  39. 320mm 400mm WFS Opto -Mechanical design Two WFS optical path: Pyramid sensor optical path: blue, 500mm, [0.6-0.9 mm] Tech./Acquisition camera: red F/15 LBT beam reflected on LUCIFER 15° window (1) Fixed telecentric lens, 80mm ø 2 arcmin FOV, (3x2 arcmin) (2)Refocusing triplet, 32mm ø (5) Fast steering mirror: ± 0.8” (PI) (6) Pupil Rotator (8)Refractive pyramid, 2.5” FOV ø (9)Camera triplet, 10mm ø (10) Pyramid sensor CCD (12) Technical/acquisition camera max FOV 30 arcsec ADC (4) Four on-board motorized parts (3),(4),(6),(9)

  40. Secondarioadattivo Secondarioconvenzionale WFS Sci. Camera Secondario adattivo: Concetto • Minori superficicalde WFS • K band: riduzionetempo esposizionedi 2-2.6 volte BS TTM DM • Attuatori elettro-magnetici: ampiostroke (LBT>100mm) • Correttore di TT ewind buffeting Coll. Sci. Camera

  41. Ogni AdSec: 672 attuatori 911mm diam. Secondario adattivo per LBT 2x8.4m specchi primari

  42. MMT: Cassegrain336 attuatori 642mm Da MMT336 a LBT672 LBT: Gregoriano672 attuatori 911mm

  43. Esapodo Flangia di interfaccia esupporto strutturale 3 scatole di elettr.raffreddate Esapodo fisso Cold-plate esupporto per att. Leve astatiche Ref-plate di Zerodur(spessore 50mm) Shell deformabiledi Zerodur (spessore 1.6mm) Schema di LBT676

  44. Attuatori e sensori capacitivi Armature sens. Capacit. (ref.plate) (MMT336) shell asferica 642mm diam. 2mm spessore Magneti (12mm diam.)

  45. All’AOsupervisor Fibra comunicazione diagnostica Gigabit Ethernet Switch 400Mbit/s Connessione in dasy chain Comunicaz.Real-time 2.9 Gbit/s Elettronica per LBT672 Potenza di calcolo totale: 60 Gmac/s (32bit fp) Ricostruttore real-time a bordo WFS: 30x30 => 34-47ms (z-m) Trasferimento slopes: 20ms Communication Board Communication Board Communication Board Communication Board Communication Board Communication Board (1x backplane) (1x backplane) (1x backplane) (1x backplane) (1x backplane) (1x backplane) Reference Signal Reference Signal Reference Signal Reference Signal Reference Signal Reference Signal Generator Board (1x backplane) Generator Board (1x backplane) Generator Board (1x backplane) Generator Board (1x backplane) Generator Board (1x backplane) Generator Board (1x backplane) DSP control Board (14x backplane) ± 48V, 35 A Alimentazione DSP control Board (14x backplane) DSP control Board (14x backplane) DSP control Board (14x backplane) DSP control Board (14x backplane) DSP control Board (14x backplane) DSP control Board (14x backplane) DSP control Board (14x backplane) Liquid cooled crates, each comprehending 2 backplanes (3x) 3 scatole di elettronica raffreddate2 crate per scatola 84 schede DSP custom 4 DSP/scheda - 8 attuatori/scheda 32-bit floating-point 180Mmac/s (MMT: 16-bit integer 40Mmac/s) Distribution boards Actuators Coil Gap Specchio sottile Segnale di riferimento

  46. Prestazioni

  47. System performance simulations I

  48. Sistem performance simulations II 15x15 Max SRs: 87,93,96 10x10 30x30 SR 0.2, mR = 14.3, 15.5, 16.7 On-Axis SR 20 % Max off-axis 30 arcsec SR 0.2, mR = 15.5 (SH), 16.7(PS)

  49. DR SciMeasure Analytical Systems, Inc. WFS HO Current situation & schedule AO system HW cost: 600K USD (two units) Manpower: 10 person / year (two years) People involved: ~ 8-10 people AO system parts acquisition: Oct/Nov 2002 P45+PWFS+RTR lab test: 4Q 2002 -1Q 2003 LBT672+PWFS tower test: 4Q 2003 -1Q 2004

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