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Massimo Brescia » 16.Ottica Attiva e Adattiva - parte terza


Zernike – output simulazione


Zernike – output simulazione (segue)


Zernike – output simulazione (segue)


Zernike – output simulazione (segue)


Zernike – output simulazione (segue)


Zernike – output simulazione (segue)


Zernike – output simulazione (segue)


Principio standard di ottica attiva con M1

Il sistema assiale e radiale di attuatori in genere si compone di un sistema passivo (idraulico o a leva astatica) per compensare la componente di peso locale dello specchio e di un sistema elettro-meccanico attivo per spingere localmente sotto lo specchio, deformandone la superficie in accordo al modulo dell’aberrazione calcolata con il sensore di fronte d’onda.

Gli errori del fronte d’onda sono misurati usando una stella brillante (mag 14 o inferiore) off-axis. La stella deve essere lontana diversi arcmin dal centro dell’asse ottico per evitare vignetting. Dunque si trova in genere fuori dall’angolo isoplanatico, per cui sussiste uno sfasamento che richiede una correzione rispetto alla variazione di seeing locale. Ciò si fa aumentando il tempo d’integrazione della stella (tipico t = 30sec). Ma questo limita la banda passante del controllo di AO a circa 0.03 Hz. Il vantaggio invece è che potendo allontanarsi dal FOV scientifico è più facile trovare stelle brillanti.

VST active optics control layout

VST active optics control layout


Ottica attiva con M1 – 4

Ring di attuatori assiali

Ring di attuatori assiali

Vettori forze radiali

Vettori forze radiali


Ottica attiva con M1 – 4bis


Ottica attiva con M1 – 5

Aberrazioni rotazionalmente simmetriche
Sono corrette applicando un “letto” di forze sugli attuatori laddove non sia importante l’angolo di incidenza del supporto inferiore dello specchio. Considerato l’anello di attuatori generico R, per correggere il generico coefficiente di aberrazione m, si ha:

\begin{align}{{f}_{a,R}}=-{{M}_{a,WS}}{{F}_{a,R}} \\{{F}_{a,R}}\text{ }\!\!\grave{\mathrm{e}}\!\!\text{ la forza di calibrazione per l }\!\!'\!\!\text{ aberrazione a relativa all }\!\!'\!\!\text{ anello R} \\{{M}_{a,WS}}\text{ }\!\!\grave{\mathrm{e}}\!\!\text{ il modulo dell }\!\!'\!\!\text{ aberrazione a misurato dal sensore} \\\end{align}

Aberrazioni non rotazionalmente simmetriche
Sono corrette applicando un “letto” di forze dove vi sia dipendenza tra l’anello e l’angolo del supporto. La forza per l’attuatore i-esimo dell’anello R per l’aberrazione a con ordine di simmetria o, è la seguente:

\begin{align}{{f}_{a,R,i}}=-{{M}_{a,WS}}{{F}_{a,R}}\cos \left( n{{\psi }_{i}}-{{\theta }_{a,WS,M1}} \right) \\{{\psi }_{i}}\text{ }\!\!\grave{\mathrm{e}}\!\!\text{ l }\!\!'\!\!\text{ angolo del supporto i-esimo} \\{{\theta }_{a,WS,M1}}\text{ }\!\!\grave{\mathrm{ e}}\!\!\text{ l }\!\!'\!\!\text{ angolo dell }\!\!'\!\!\text{ aberrazione (nel sistema M1)} \\\end{align}

ottica attiva con M1 – 6


ottica attiva con M1 – 6


Sintesi concetti guida per M1


Esempi di specchi primari – Keck

10m segmentato. Fonte: W. M. Keck Observatory

10m segmentato. Fonte: W. M. Keck Observatory

10m segmentato. Fonte: W. M. Keck Observatory

10m segmentato. Fonte: W. M. Keck Observatory


Esempi di specchi primari – LBT

8m segmentato

8m segmentato

Honeycomb. LBT primary mirror details

Honeycomb. LBT primary mirror details


Esempi di specchi primari – VLT

8m menisco. VLT M1. Fonte: European Southern Observatory

8m menisco. VLT M1. Fonte: European Southern Observatory


IN DEFINITIVA…

Credits: Marco Sergio Erculiani

Credits: Marco Sergio Erculiani


Supporti per M1 maintenance

VST M1 container

VST M1 container


Supporti per M1 maintenance (segue)

VST M1 handling device

VST M1 handling device

VST M1 handling device

VST M1 handling device


Supporti per M1 in cella

Safety supports
Radial supports
Axial supports
Fixed points

VST M1 Cell

VST M1 Cell

VST M1 Cell

VST M1 Cell


Supporti per M1 in cella (segue)

Safety supports
Radial supports
Axial supports
Fixed points

VST actuator and safety devices

VST actuator and safety devices

VST actuator and safety devices

VST actuator and safety devices


Supporti per M1 in cella (segue)

Safety supports
Radial supports
Axial supports
Fixed points

VST actuator and safety devices

VST actuator and safety devices

VST actuator and safety devices

VST actuator and safety devices


M1 coating

VST and VLT M1 coating systems

VST and VLT M1 coating systems

VST and VLT M1 coating systems

VST and VLT M1 coating systems


M1 coating (segue)

VST and VLT M1 coating systems

VST and VLT M1 coating systems

VST and VLT M1 coating systems

VST and VLT M1 coating systems


Ottica attiva con M2

In analogia con quanto discusso per M1, è necessario esplicitare il passaggio dall’ IA (Image Analysis) ai valori reali di correzione da applicare ai dispositivi disponibili per contro-bilanciare le aberrazioni da defocus e decentering coma con M2.
Rendendo attivo M2 si possono correggere defocus e coma:

Per il defocus si sposta M2 lungo l’asse ottico.

Per il coma si ruota M2 intorno al centro di curvatura.

Per il defocus si sposta M2 lungo l’asse ottico

Per il defocus si sposta M2 lungo l'asse ottico

Per il coma si ruota M2 intorno al centro di curvatura

Per il coma si ruota M2 intorno al centro di curvatura


Ottica attiva con M2 – defocusing

Avendo calcolato il coefficiente di defocus mediante un sensore di fronte d’onda con sviluppo in polinomi di Zernike…

\begin{align}{{\delta }_{def,z}}=-{{C}_{def,WS}}{{\eta }_{def}}=-{{C}_{def,WS}}\left( \frac{8{{\left( F/\# \right)}^{2}}}{m_{2}^{2}+1} \right) \\{{\eta }_{def}}\text{  }\!\!\grave{\mathrm{e}}\!\!\text{  il fattore di conversione da aberrazione a spostamento su M2} \\{{C}_{def,WS}}\text{  }\!\!\grave{\mathrm{e}}\!\!\text{  il coefficiente di defocus misurato dal sensore} \\{{\text{m}}_{\text{2}}}\text{  }\!\!\grave{\mathrm{e}}\!\!\text{  l }\!\!'\!\!\text{ ingrandimento (relativo a M2)} \\\end{align}

…su M2 si dovrà applicare uno spostamento lungo l’asse ottico pari a {{\delta }_{def,z}}

Ottica attiva con M2 – decentering coma

Compiendo una rotazione di M2 intorno al suo centro di curvatura, l’immagine non subisce spostamenti ma si produce coma. Dunque se il sensore segnala un coma da decentramento (decentering coma), è possibile correggerlo applicandovi una siffatta rotazione.
In generale, una rotazione intorno al centro di curvatura produce uno spostamento laterale ed una rotazione. La relazione tra i due effetti è:

\begin{align}\alpha =-\frac{\delta }{2{{R}_{2}}} \\\alpha \text{ angolo di rotazione} \\\delta \text{ spostamento laterale} \\{{R}_{\text{2}}}\text{ raggio di curvatura di M2} \\\end{align}

Avendo a disposizione il valore del coefficiente e dell’angolo di coma (~_3cos_), per correggere il decentering coma è necessario introdurre un spostamento laterale dato da:
\begin{align}\delta ={{\eta }_{coma}}{{C}_{coma,WS}}=\frac{\theta }{16{{\left( F/\# \right)}^{2}}}{{C}_{coma,WS}} \\{{\text{C}}_{\text{coma}\text{,WS}}}\text{ coefficiente di coma misurato dal sensore} \\{{\eta }_{\text{coma}}}\text{ fattore di conversione per cassegrain} \\\end{align}

Ottica attiva con M2 – decentering coma (segue)

Questo spostamento deve essere introdotto ruotando attorno al raggio r di un angolo dato dal sensore (θcoma,WS). L’origine del sistema di riferimento è il centro di curvatura di M2. Questa rotazione è dunque ottenibile da:

\Delta \alpha =\frac{\delta }{2|{{R}_{2}}|}

A volte, lo spostamento laterale è decomposto nelle componenti cartesiane (x,y):

\begin{align}\Delta x={{\eta }_{coma}}{{C}_{coma,WS}}\sin \left( {{\theta }_{coma,WS}} \right) \\\Delta y={{\eta }_{coma}}{{C}_{coma,WS}}\cos \left( {{\theta }_{coma,WS}} \right) \\\end{align}

E questi valori sono poi trasformati in angoli di rotazione attorno al centro di curvatura:

\begin{align}\Delta \varepsilon =\frac{\Delta x}{2\left| {{R}_{2}} \right|}\text{ rotazione intorno a y} \\\Delta \delta =\frac{\Delta y}{2\left| {{R}_{2}} \right|}\text{ rotazione intorno a x} \\\end{align}

\begin{align}{{\theta }_{coma,WS}}=\text{atan2}\left( \Delta \varepsilon ,\Delta \delta  \right) \\\delta =\sqrt{\Delta {{x}^{2}}+\Delta {{y}^{2}}} \\\end{align}

ottica attiva con M2 – decentering coma

ottica attiva con M2 - decentering coma


Ottica attiva con M2 – decentering

Se M2 è ruotato intorno ad un punto neutrale (coma free point) di M1, la rotazione non introduce coma, ma soltanto uno spostamento laterale sul piano focale. Questa proprietà può essere usata per tiltare M2 senza introdurre coma additivo.
Interessante lettura consigliata (disponibile sul sito del corso):
Analytical expressions for field astigmatism in decentered two mirror telescopes and application to the collimation of the ESO VLT, L. Noethe & S. Guisard, A&A Suppl. Ser. 144, 157-167 (2000)

ottica attiva con M2 – decentering

ottica attiva con M2 - decentering


Ottica attiva con M2 – sintesi


Le lezioni del Corso

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