27 2012
Download
1 / 54

??? ???? ??"? ??? ???? 27 ???? 2012 - PowerPoint PPT Presentation


  • 162 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about '??? ???? ??"? ??? ???? 27 ???? 2012' - zorina


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
27 2012

מכוכבי לכת ועד ראיה – עוצמת הפוטונים

From planets to vision –the power of photons

ארז ריבק

דו"ח סגל מחקר

27 במרץ 2012


27 2012
הפרדה גבוהה: אסטרונומיה הפוטונים

  • 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


27 2012
אופטיקה בהפרדה גבוהה הפוטונים

אסטרונומיה

דימות בעין

אופטיקה מסתגלת

ניתוח הרשתית

הטבלה אופטית

מדידת חזית הגל

ליזר ככוכב נחייה

מיקרוסקופיה

טומוגרפיה קוהרנטית, סריקת ליזר במוקד


27 2012
דוגמות להצלחת אופטיקה מסתגלת הפוטונים

Keck

Gemini North

זיהוי כוכב חלש מאוד ליד כוכב חזק באינפרה אדום15Sge and 15Sge Bk Band, Liu


27 2012
פלוטו וכארון הפוטונים

Gemini north, 0.08” resolution


27 2012
כוכבי לכת הפוטונים


27 2012
לידת כוכבים הפוטונים

צילום רגיל

Glassman and Larkin

Keck NIRC2

גלכסיה בפגאסוס

0.37 הסחה לאדום

אחרי הפעלת האופטיקה המסתגלת


27 2012

חזית גל מעצם מרוחק מאוד הפוטונים

טורבולנציה אטמוספרית

חזית גל מעוותת

מראה מתעוותת

חזית גל מתוקנת

עקרון האופטיקה המסתגלת


27 2012
האטמוספרה מקלקלת את התמרת פוריה של העצם

בהתמרה ההפוכה האות מתפרש על שטח גדול,

ויורד מתחת לרמת הרעש


27 2012
חשיפה קצרה: כוכב מופרד / לא מופרד של העצם

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


Seeing

σ של העצםΦ=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


27 2012

מערכת אופטיקה מסתגלת בסיסית של העצם

  • 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



27 2012

תוצאות של העצם

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


27 2012

S של העצםi

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


27 2012

תבנית הארטמן-שאק של העצם

אחת ממראות טלסקופ קֶק


27 2012
מראות ממברנה בימורפיות של העצם

  • 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


27 2012
מראת ממברנה תוצרת בית של העצם

שיתוף עם מיקרואלקטרוניקה בטכניון ועם רפא"ל.

עד 100 רכיבים על גב המראה.


27 2012
שחזור חזית הגל של העצם

  • 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?


27 2012
שיחזור חזית הגל: בקרה של העצם

  • 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


27 2012
חיפוש כוכבי לכת רחוקים של העצם

  • 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


27 2012
מִפתח הטלסקופ של העצם

  • 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)


27 2012
ניסוי במעבדה של העצם

  • 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


27 2012
זיהוי כוכב הלכת של העצם

  • 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)


27 2012
שינוי ההסתרה עם הסיבוב של העצם

  • 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)


27 2012
חיפוש כוכבי לכת עם חיים של העצם

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


27 2012
הפרדה בין קווים ספקטרליים של העצם

  • 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


27 2012
ניסוי מעבדה של העצם

  • השוואת מנורת הלוגן ו-LED

  • ירוק: הספקטרום הכולל

  • כחול: הספקטרום הצר

  • שיפור של פי ארבע בניגוד


27 2012
ניסוי במצפה כוכבים של העצם

  • 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


27 2012
ישומים לא אסטרונומיים של העצם

  • 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


27 2012
אופטיקה מסתגלת לעין של העצם

  • 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


27 2012

גלאי חזית גל, כיום לניתוחי קרנית של העצם

A. Roorda, Texas

Erez left eye (with contact lens)



27 2012

תוצאה: פונקצית פריסת הנקודה של העצם

Point Spread Function


27 2012

עין הארנבת של העצם

laser

white light

deformable mirror

Hartmann-Shack and camera

variable beam splitter

mirror


27 2012
תיקון עיוותי הקרנית של העצם

  • שיפור כושר ההפרדה בערך פי עשר

  • תג מחיר 20,000$ ומעלה

  • מערכות מעבדתיות (1995-2010)

  • מכשיר מסחרי ראשון היה צפוי ב-2011


27 2012
מבנה העין של העצם

כניסת אור מהאישון

רשתית אנושית

(צבועה)


27 2012
רשתית העין שקופה אך מפזרת של העצם

  • 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


27 2012
אופטיקה ברשתית של העצם

  • 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)


27 2012
הדמית מחשב של העצם

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


27 2012
תוצאות של העצם

  • 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


27 2012
דגם מרובה-תאים של העצם

  • הכנסנו פילוג גאוסי לכמה תאים

  • בדקנו התקדמות, פילוג אור בתאי הגילוי

cones

rods

9


27 2012
התקדמות האור של העצם

θ=60; λ=580nm


27 2012
ניסויי מעבדה של העצם

מכרסם: קביה

ציוד: מיקרוסקופ סורק


27 2012
קוטר תאי מילר של העצם

cell transmission

rod


27 2012
צילומי רשתית של העצם

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


27 2012
צילומי רשתית של העצם

סרט וידיאו של הרשתית:

העצמה נמוכה, התמונה זזה, הרעש רב, ההפרדה גרועה

ניצן מיטב, ארז ריבק


27 2012
הזזה וחיבור התמונות של העצם

תמונה אחת

240 תמונות

1.3×0.8 mm2

1.92×1 mm2

מיצוע על דופק הלב


27 2012
קטע מוגבל של העצם

one frame25 µm bar

λ=520nm

240 frames<20 µm filter

240 frames shifted-and-added


27 2012
האמנם תאי רשתית? של העצם

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


27 2012
זיהוי משושים של העצם

תמונה ממוצעת

סינון לזיהוי מדוכים

10%

יחס משושים למדוכים

סינון לזיהוי משושים

40%


27 2012
צילום כל הרשתית של העצם

מרכז הרשתית


27 2012
העלמת העיוותים של העצם

beam splitter

goggle

lens

lens

lens

lens

camera

LED


27 2012
שיפור בחדות התמונה של העצם

One frame

Direct image (240 frames)

Immersion image (240 frames)

immersion

direct

25 µm bar

Power spectra