ארז ריבק דו"ח סגל מחקר 27 במרץ 2012

מכוכבי לכת ועד ראיה – עוצמת הפוטונים From planets to vision –the power of photons ארז ריבק דו"ח סגל מחקר 27 במרץ 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 בקוטר4 מטר ומעלה

אופטיקה בהפרדה גבוהה אסטרונומיה דימות בעין אופטיקה מסתגלת ניתוח הרשתית הטבלה אופטית מדידת חזית הגל ליזר ככוכב נחייה מיקרוסקופיה טומוגרפיה קוהרנטית, סריקת ליזר במוקד

דוגמות להצלחת אופטיקה מסתגלת Keck Gemini North זיהוי כוכב חלש מאוד ליד כוכב חזק באינפרה אדום15Sge and 15Sge Bk Band, Liu

פלוטו וכארון Gemini north, 0.08” resolution

כוכבי לכת

לידת כוכבים צילום רגיל Glassman and Larkin Keck NIRC2 גלכסיה בפגאסוס 0.37 הסחה לאדום אחרי הפעלת האופטיקה המסתגלת

חזית גל מעצם מרוחק מאוד טורבולנציה אטמוספרית חזית גל מעוותת מראה מתעוותת חזית גל מתוקנת עקרון האופטיקה המסתגלת

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 5 מילישניות גבול העקיפה של טלסקופ 5 מטר תוצאות העיבוד קפלה (כוכב כפול) על טלסקופ 3.8 מטר גבול העקיפה האטמוספרית כושר הפרדה 42 מילישניות קשת

σΦ=1 rad r0 seeing ראות • 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 rad מתקלקלת הראות • גודל תא הראות של פריד (Fried), או רוחב הקוהרנטיות הוא r0 עבור σΦ=1 • r0 ו- τ0גדלים לפי λ6/5(דצימטרים ואלפיות שניה בתחום הנראה) במבט אנכיאו אלכסוני r0≈20cm @ vis r0≈70cm @ ir 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 תווך מעוות מראה גמישה חוג משוב מקור מפצל קרן גלאי חזית-גל צופה

אופטיקה מסתגלת

תוצאות זמן אמת שיפור כושר ההפרדה תג מחיר $ 2,000,000 כוכבים כפולים ושלישיות חור שחור במרכז שביל החלב עם וללא אופטיקה מסתגלת גירעון בשמש וצינורות שטף מגנטי

Si גלאֵי חזית גל גלאי הרטמן-שאק (Hartmann-Shack): דגימת חזית הגל באמצעות חורים או עדשיות ומדידת ההזזה הרוחבית של המוקדים F גרדיינטים מדודים של חזית הגל: חישוב מדידה פיתוח שיטות שונות: יובל כרמון, שחף זומר, עמוס תלמי, כרמן קנובס

תבנית הארטמן-שאק אחת ממראות טלסקופ קֶק

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 CFHT, Subaru SiPZT עם חיים שוורץ, פרופ' סטיב ליפסון

מראת ממברנה תוצרת בית שיתוף עם מיקרואלקטרוניקה בטכניון ועם רפא"ל. עד 100 רכיבים 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 A בגודל M×Nנותנת את M הפקודות, מסודרות כוקטור S, למראה S = A  • (פסאודו)היפוך המטריצה B מייצר את התגובות לרכיבי המראה כערכים עצמיים, באמצעות שימוש בפרוק ערך סינגולרי (SVD)  = B S 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 108 ו1012 • הפתרון: שימוש באופטיקה מסתגלת מדויקת במיוחד • ניצול קורונגרפיה לחסימת השמש • חסימת האור • פיזור באמצעות מערבולת אופטית • התאבכות הורסת במרכז telescope pupil 1st focus pupil image final focus apodizer Lyot stop /adaptive optics planet Star (on axis) f f f f f

מִפתח הטלסקופ • תמונת העקיפה של הכוכב היא התמרת פוריה של מִפתח הטלסקופ • עבור טלסקופ רבועי או משושה העוצמה יורדת מהר יותר לאורך האלכסון לפי (sin r / r)4 • כך נתגלה הכוכב Sirius B בשנת 1909 • חסרון: בזבזני באור עוצמה ספקטרלית מפתח פונקצית פריסת הנקודה (סקלה לוגריתמית)

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 (11%-31%) 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/ λ ורוחב dk יוצר תנודות בתדר אופייני 2/k כאשר הפרש המסלולים הוא1/dk 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 קו צר וקו רחב במרחב פוריה, הקו הצר ממשיך להופיע במסלולים ארוכים יותר

ניסוי מעבדה • השוואת מנורת הלוגן ו-LED • 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

גלאי חזית גל, כיום לניתוחי קרנית 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 20,000$ ומעלה • מערכות מעבדתיות (1995-2010) • מכשיר מסחרי ראשון היה צפוי ב-2011

מבנה העין כניסת אור מהאישון רשתית אנושית (צבועה)

רשתית העין שקופה אך מפזרת • מדוע עובר האור שכבות מפזרות לפני הגיעו לתאי החישה? • תאי מילר (גלִיה)צפופים יותר, חודרים את כל הרשתית • האם הם מוליכי אור? תאי מילר שכבת סיבי עצבים פנימית שכבת סיבי עצבים חיצונית גרעיני תאי מילר קנים ומדוכים רשתית האדם

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: בתוכנית הראשונה יצרנו דגם תלת מימדי של שני תאים עם מקדם השבירה שלהם, וסובבנו אותו בזוויות שונות. לאחר מכן קידמנו אלומות אור באורכי גל שונים. בתוכנית השניה בנינו דגם מלא תלת מימדי של הרשתית, והעברנו דרכו אלומות בזויות שונות ואורכי גל שונים. 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 photopic blue blue scotopic red scotopic red

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 LED& lens • 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 pupil camera 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

הזזה וחיבור התמונות תמונה אחת 240 תמונות 1.3×0.8 mm2 1.92×1 mm2 מיצוע על דופק הלב

קטע מוגבל one frame25 µm bar λ=520nm 240 frames<20 µm filter 240 frames shifted-and-added

האמנם תאי רשתית? תאי רשתית צפופים מסודרים במבנה משולש ולכן התמרת פוריה שלהם היא משושה גודל המשושה במרחב פוריה מתאים בערך לארבעה מיקרון תמונה אחת צילום במיקרוסקופ 240 תמונות

ארז ריבק דו"ח סגל מחקר 27 במרץ 2012