Sistemi ottici: telescopi Dr. Emanuele Pace Lisa Gambicorti Febbraio 2009 Corso di Tecnologie...

Sistemi ottici: telescopiSistemi ottici: telescopi

Dr. Emanuele PaceDr. Emanuele PaceLisa GambicortiLisa Gambicorti

Febbraio 2009Febbraio 2009

Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 9Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 9

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E. Pace - Tecnologie Spaziali 2

Sistemi otticiSistemi ottici

Sistemi ottici

SpettroscopiciAd immagine

Telescopio GrismaPrisma

Reticolo

RiflessioneRifrazione

Trasmissione Riflessione


Spettroscopia ed imagingSpettroscopia ed imaging

Immagine del Deep Field dell’HST e spettri delle galassie osservateImmagine del Deep Field dell’HST e spettri delle galassie osservate


TelescopiTelescopi

Le funzioni base di un telescopio, sistema ottico composto di Le funzioni base di un telescopio, sistema ottico composto di lenti e specchi, sonolenti e specchi, sono

Ingrandire l’angolo apparente sotteso da oggetti distantiIngrandire l’angolo apparente sotteso da oggetti distanti

Aumentare la quantità di luce che raggiunge l’occhio Aumentare la quantità di luce che raggiunge l’occhio dell’osservatoredell’osservatore

Un telescopio, come sistema ottico, viene descritto mediante Un telescopio, come sistema ottico, viene descritto mediante l’ottica al primo ordinel’ottica al primo ordine

L’ottica al primo ordine tratta i raggi ottici e le immagini vicine L’ottica al primo ordine tratta i raggi ottici e le immagini vicine all’asse ottico nella cosiddetta all’asse ottico nella cosiddetta regione parassialeregione parassiale. Nell’ottica . Nell’ottica al primo ordine, gli elementi del sistema ottico sono superfici al primo ordine, gli elementi del sistema ottico sono superfici a simmetria rotazionale, tutte centrate sull’asse ottico, e a simmetria rotazionale, tutte centrate sull’asse ottico, e infinitamente sottiliinfinitamente sottili

Il disegno ottico di un telescopio è valido per tutte le Il disegno ottico di un telescopio è valido per tutte le lunghezze d’onda ad eccezione di quelle inferiori a 30 nm e lunghezze d’onda ad eccezione di quelle inferiori a 30 nm e al radio. Nel primo caso si usano telescopi ad incidenza al radio. Nel primo caso si usano telescopi ad incidenza radente, nel secondo antenneradente, nel secondo antenne


Parametri otticiParametri ottici

f = lunghezza focalef = lunghezza focale

DD = aperturaD = apertura



imob

Sistema DiottricoSistema Diottrico

Sistema CatottricoSistema Catottrico


La teoria di Gauss (1841)La teoria di Gauss (1841)

Al primo ordine ipotesi semplificative:Al primo ordine ipotesi semplificative:

• Superficie sferiche di rivoluzione:Superficie sferiche di rivoluzione:

z = cy2

• Legge di Snell linearizzata:Legge di Snell linearizzata:

n sin = n"sen " n = n" ”

Raggi paralleli inclinati diRaggi paralleli inclinati di (radianti, <<) convergono nel punto(radianti, <<) convergono nel punto Q:

QF=f tan f (mm)(mm)

QF è il piano focale


• La teoria di Gauss al I ordine fissa solo i parametri La teoria di Gauss al I ordine fissa solo i parametri principali del sistema ottico e la posizione principali del sistema ottico e la posizione dell'immaginedell'immagine

• non è adeguata a descrivere la qualità dell'immagine non è adeguata a descrivere la qualità dell'immagine stessa. I parametri cruciali sono la distanza stessa. I parametri cruciali sono la distanza hh del del raggio dal vertice raggio dal vertice VV e il suo angolo e il suo angolo con l'asse ottico. con l'asse ottico.

• Solo se Solo se hh << raggio di curvatura (raggi parassiali) e << raggio di curvatura (raggi parassiali) e se gli angoli sono piccoli, la teoria gaussiana è se gli angoli sono piccoli, la teoria gaussiana è sufficiente.sufficiente.

• In generale, l'immagine conterrà aberrazioni In generale, l'immagine conterrà aberrazioni geometrichegeometriche: un punto sorgente produrrà in : un punto sorgente produrrà in prossimità del piano focale non un punto immagine prossimità del piano focale non un punto immagine ma una volume tridimensionale inviluppato da una ma una volume tridimensionale inviluppato da una superficie chiamata superficie chiamata causticacaustica..



Rapporto focale.Rapporto focale. Data la focale f di un sistema ottico Data la focale f di un sistema ottico e l’apertura D:e l’apertura D:

F# = f /D

Il confronto fra rapporti focali diversi viene qualificato Il confronto fra rapporti focali diversi viene qualificato con i termini “con i termini “lentolento” e “” e “veloce”.veloce”.

FocaleFocale:: specchiospecchio lente sottilelente sottile

rimob

211

ob fr

im 2

fimob

111

21

111

11

rrn

imob

frr

nim

1111

1

21



oc

ob

f

f

ob

imM

IngrandimentoIngrandimento

Focale effettivaFocale effettiva

I sistemi ottici hanno in genere più di un elemento ottico. I sistemi ottici hanno in genere più di un elemento ottico.

Due elementi con lunghezza focale Due elementi con lunghezza focale ff11 ed ed ff22 separati da una separati da una

distanza distanza dd hanno focale effettiva hanno focale effettiva ffeffeff : :

dff

fffeff

21

21


Invariante otticoInvariante ottico



ThroughputThroughput (potere di raccolta della luce) determina la (potere di raccolta della luce) determina la luminosità dell’immagine o il flusso di fotoni che dall’apertura luminosità dell’immagine o il flusso di fotoni che dall’apertura raggiungono il piano focale:raggiungono il piano focale:

Aff

DdST

f

D

dSBdSsenBdsenBdSF

ddSBdIdF

mm

mm

m

22

22

22

0

4

2

cos 2

cos

I = intensità [ph/s/sr]

B = brillanza [ph/s/cm2/sr]

dS

Mpc f

m

dΩ

ThroughputThroughput



Campo di vistaCampo di vista (field of view: FOV). Si ottiene in radianti (field of view: FOV). Si ottiene in radianti dal reciproco di dal reciproco di F#F#, dipende quindi da , dipende quindi da DD ed ed ff

Potere risolutivoPotere risolutivo. Il potere risolutivo ideale . Il potere risolutivo ideale di un di un telescopio è dato dal limite di diffrazione:telescopio è dato dal limite di diffrazione:

risol. angolarerisol. angolare

risol. linearerisol. lineare

In condizioni reali il potere risolutivo è limitato dal seeing In condizioni reali il potere risolutivo è limitato dal seeing e in qualche caso dalle dimensioni del pixel che non è e in qualche caso dalle dimensioni del pixel che non è piccolo abbastanza.piccolo abbastanza.

#22.122.1

22.1

FD

ffx

D

fDFFoV /#/1


Disco di AiryDisco di Airy


Aberrazioni otticheAberrazioni ottiche

Un sistema ottico di specchi o di lenti sarà dunque in generale Un sistema ottico di specchi o di lenti sarà dunque in generale affetto da vari tipi di aberrazioni geometriche, che vengono affetto da vari tipi di aberrazioni geometriche, che vengono dette: dette: aberrazione sferica, curvatura di campo, coma, aberrazione sferica, curvatura di campo, coma, astigmatismo, distorsioneastigmatismo, distorsione, e che vedremo tra breve., e che vedremo tra breve.

Le lenti hanno una aberrazione in più rispetto all'equivalente a Le lenti hanno una aberrazione in più rispetto all'equivalente a specchi, cioè il specchi, cioè il cromatismocromatismo, che però puo' essere , che però puo' essere minimizzato con una opportuna combinazione di vetri a minimizzato con una opportuna combinazione di vetri a diverso indice di rifrazione (doppietti, tripletti, etc.).diverso indice di rifrazione (doppietti, tripletti, etc.).

L'importanza delle aberrazioni cresce con il diminuire di F/# L'importanza delle aberrazioni cresce con il diminuire di F/# con F/# con F/# -3-3 per l'aberrazione sferica, F/# per l'aberrazione sferica, F/# -2-2 per il coma, F/# per il coma, F/# -1-1 per l'astigmatismo). Per tale motivo nel passato si costruivano per l'astigmatismo). Per tale motivo nel passato si costruivano telescopi lunghissimi ed è molto difficile ottenere telescopi di telescopi lunghissimi ed è molto difficile ottenere telescopi di qualità ottica buona con piccoli F/# qualità ottica buona con piccoli F/#


Se la distanza Se la distanza hh del raggio dall'asse non è piccola (tali del raggio dall'asse non è piccola (tali raggi si dicono marginali), bisogna mantenere le raggi si dicono marginali), bisogna mantenere le potenze di potenze di yy superiori alla seconda. superiori alla seconda.

Si consideri poi un generico angolo Si consideri poi un generico angolo tra l'asse ottico e tra l'asse ottico e un raggio di luce; l'espansione in serie di Taylor del un raggio di luce; l'espansione in serie di Taylor del sinsin nella legge di Snell conterrà termini in nella legge di Snell conterrà termini in , , 33, , 55,, …; …;

A seconda della potenza cui si lavora, si ha la teoria al A seconda della potenza cui si lavora, si ha la teoria al III ordine, al V ordine, e così via. Nei telescopi III ordine, al V ordine, e così via. Nei telescopi astronomici il III ordine è di solito adeguato (ma non è astronomici il III ordine è di solito adeguato (ma non è più vero per la strumentazione ausiliaria, ad es. per gli più vero per la strumentazione ausiliaria, ad es. per gli spettrografi). spettrografi).

Siccome Siccome = = ((hh,,), si avranno termini in), si avranno termini in h h33 ((aberrazioneaberrazione sfericasferica), ), hh22 ( (comacoma), ), hh 2 2

((astigmatismoastigmatismo), ), 33 ( (distorsionedistorsione, di solito poco , di solito poco importante nei telescopi).importante nei telescopi).



Aberrazione cromaticaAberrazione cromatica

Questo tipo di difetto non è presente nei telescopi riflettori e Questo tipo di difetto non è presente nei telescopi riflettori e nei telescopi catadiottrici è presente in misura irrilevante. nei telescopi catadiottrici è presente in misura irrilevante.

21

111

1

rrn

f



Aberrazione sfericaAberrazione sferica

L’aberrazione sferica, presente L’aberrazione sferica, presente in lenti e specchi, è causata in lenti e specchi, è causata dalla focalizzazione di raggi dalla focalizzazione di raggi paralleli in punti diversi lungo paralleli in punti diversi lungo l’asse ottico: punti fuori asse l’asse ottico: punti fuori asse sono focalizzati più vicino alla sono focalizzati più vicino alla lente o specchio dei parassiali.lente o specchio dei parassiali.



ComaComa Aberrazione ottica causata dal fatto che i raggi fuori asse non Aberrazione ottica causata dal fatto che i raggi fuori asse non convergono sul piano focale. Il coma è positivo quando i raggi convergono sul piano focale. Il coma è positivo quando i raggi fuori asse focalizzano più lontano dall’asse ottico e negativo fuori asse focalizzano più lontano dall’asse ottico e negativo quando focalizzano più vicinoquando focalizzano più vicino


AstigmatismoAstigmatismo

Quando un oggetto fuori asse è focalizzato da una lente sferica, Quando un oggetto fuori asse è focalizzato da una lente sferica, la naturale asimmetria dà luogo all’astigmatismo. Il sistema la naturale asimmetria dà luogo all’astigmatismo. Il sistema sembra avere due differenti lunghezze focali. L’astigmatismo è sembra avere due differenti lunghezze focali. L’astigmatismo è definito come la distanza tra i due fuochi e dipende dalla forma definito come la distanza tra i due fuochi e dipende dalla forma della lente solo se l’apertura del sistema ottico non è in contatto della lente solo se l’apertura del sistema ottico non è in contatto con la lente stessa.con la lente stessa.



Tipi di TelescopioTipi di Telescopio


Telescopio rifrattore: DiottricoTelescopio rifrattore: Diottrico

Aberrazione cromaticaAberrazione cromatica sistemi acromaticisistemi acromatici


ComaComa


Distorsione di campo Distorsione di campo

Modifica della curvatura della lenteModifica della curvatura della lente

Piccoli FOVPiccoli FOV

Limitato per grandi aperture dal peso della lente obiettivoLimitato per grandi aperture dal peso della lente obiettivo


AfocaliAfocali

Due tipi fondamentali di telescopi a due lenti o a due specchi. Due tipi fondamentali di telescopi a due lenti o a due specchi.

Questi disegni si riferiscono a telescopi afocali, la focalizzazione Questi disegni si riferiscono a telescopi afocali, la focalizzazione sarà effettuata dall'occhio. sarà effettuata dall'occhio.


Telescopio a riflessione: Telescopio a riflessione: CatottricoCatottrico

Telescopi basati su specchi o combinazioni di specchi e lenti Telescopi basati su specchi o combinazioni di specchi e lenti (catadiottrici). I principali riflettori sono (catadiottrici). I principali riflettori sono

NewtonianoNewtoniano Gregoriano Gregoriano famiglia dei Cassegrainfamiglia dei Cassegrain

I catadiottrici più usati sono I catadiottrici più usati sono

Schmidt-Cassegrain Schmidt-Cassegrain Maksutov-CassegrainMaksutov-Cassegrain

La famiglia dei Cassegrain ha 3 opzioni principali: La famiglia dei Cassegrain ha 3 opzioni principali:

classicoclassico Dall-KirkhamDall-Kirkham Ritchey-ChretienRitchey-Chretien


Un solo specchio, primo fuocoUn solo specchio, primo fuoco

Da uno specchio parabolico, la luce va al primo fuoco I'1 a cui Da uno specchio parabolico, la luce va al primo fuoco I'1 a cui come Newton si può aggiungere uno specchio a 45°, che non come Newton si può aggiungere uno specchio a 45°, che non introduce aberrazione. Herschel invece preferì una soluzione introduce aberrazione. Herschel invece preferì una soluzione fuori-asse (che non ha ostruzione centrale). fuori-asse (che non ha ostruzione centrale).


Tipo NewtonTipo Newton

Piccolo campoPiccolo campo

NewtonianoNewtoniano primario primario paraboloideparaboloide secondario secondario pianopiano

Aberrazione sferica Aberrazione sferica solo con primario sfericosolo con primario sferico

Astigmatismo Astigmatismo presente a largo campopresente a largo campo

ComaComa aberrazione dominante non eliminabileaberrazione dominante non eliminabile

Inutilizzabile per progetti spaziali poiché richiedono un piano focale in Inutilizzabile per progetti spaziali poiché richiedono un piano focale in asse con il telescopioasse con il telescopio

Parabolic primary mirror Parabolic primary mirror Flat secondary mirror Flat secondary mirror

Incoming Incoming light light


Tipo CassegrainTipo Cassegrain

Cassegrain classicoCassegrain classico raramente usato per strumenti moderniraramente usato per strumenti moderni

primario primario paraboloideparaboloide e secondario e secondario iperboloideiperboloide

Aberrazione sfericaAberrazione sferica assenteassente

ComaComa


Curvatura di campoCurvatura di campo concava elevataconcava elevata

Presente anche a piccoli campiPresente anche a piccoli campi


Gregoriano Gregoriano ottimale per l’uso degli oculariottimale per l’uso degli oculari

primario primario paraboloide paraboloide secondario secondario ellissoideellissoide convessoconvesso


ComaComa possibile correggerlo con la curvatura degli specchipossibile correggerlo con la curvatura degli specchi

AstigmatismoAstigmatismo eliminabile solo con l’uso di ocularieliminabile solo con l’uso di oculari

Curvatura di campoCurvatura di campo convessaconvessa

Tipo GregorianoTipo Gregoriano


Esempio di CassegrainEsempio di Cassegrain

67


Tipo Ritchey-ChretienTipo Ritchey-Chretien

Ritchey-ChretienRitchey-Chretien adatto per grandi FOV, ma difficile fare rapporti focali più lenti di f/8adatto per grandi FOV, ma difficile fare rapporti focali più lenti di f/8

primario e secondario primario e secondario iperboloidiiperboloidi


ComaComa assenteassente

AstigmatismoAstigmatismo presente e limitante ad aperture angolari > 0.7°presente e limitante ad aperture angolari > 0.7°

Curvatura di campoCurvatura di campo concava, la più elevata della famigliaconcava, la più elevata della famiglia


Cassegrain e gregorianoCassegrain e gregoriano

Gregoriano Gregoriano ottimale per l’uso degli oculariottimale per l’uso degli oculariprimario primario paraboloideparaboloide secondario secondario ellissoideellissoide convessoconvesso

Aberrazione sfericaAberrazione sferica assenteassenteComaComa possibile correggerlo con la curvatura degli possibile correggerlo con la curvatura degli

specchispecchiAstigmatismoAstigmatismo eliminabile solo con l’uso di ocularieliminabile solo con l’uso di oculariCurvatura di campoCurvatura di campo convessaconvessa

Cassegrain classicoCassegrain classico raramente usato per strumenti moderniraramente usato per strumenti moderniprimario primario paraboloideparaboloide e secondario e secondario iperboloideiperboloide

Aberrazione sfericaAberrazione sferica assenteassenteComaComaAstigmatismoAstigmatismoCurvatura di campoCurvatura di campo concava elevataconcava elevata

Dall-KirkhamDall-Kirkham adatto per piccoli FOVadatto per piccoli FOVprimario primario ellissoideellissoide e secondario e secondario sfericosferico

Aberrazione sfericaAberrazione sferica assenteassenteComaComa presente anche a piccoli campipresente anche a piccoli campiAstigmatismoAstigmatismo presentepresenteCurvatura di campoCurvatura di campo concavaconcava

Ritchey-ChretienRitchey-Chretien adatto per grandi FOV, ma difficile fare rapporti focali più lenti di f/8adatto per grandi FOV, ma difficile fare rapporti focali più lenti di f/8primario e secondario primario e secondario iperboloidiiperboloidi

Aberrazione sfericaAberrazione sferica assenteassenteComaComa assenteassenteAstigmatismoAstigmatismo presente e limitante ad aperture angolari > presente e limitante ad aperture angolari >

0.7°0.7°Curvatura di campoCurvatura di campo concava, la più elevata della famigliaconcava, la più elevata della famiglia

Presente anche a piccoli campiPresente anche a piccoli campi


Il telescopio SchmidtIl telescopio Schmidt

SchmidtSchmidt adatto per grandi FOV, raggiunge 6° ( adatto per grandi FOV, raggiunge 6° ( ≈ 0≈ 0.1 radiante).1 radiante)

primario primario sferico, sferico, lente correttrice con superficie di 4 gradolente correttrice con superficie di 4 grado


ComaComa assenteassente

AstigmatismoAstigmatismo assenteassente

Superficie focale convessa verso il primarioSuperficie focale convessa verso il primario


Riflettori-rifrattori: CatadiottriciRiflettori-rifrattori: Catadiottrici

Schmidt-CassegrainSchmidt-Cassegrain

Maksutov-CassegrainMaksutov-Cassegrain


CatadiottriciCatadiottrici

Schmidt-CassegrainSchmidt-Cassegrain primario sferico secondario sferico o asfericoprimario sferico secondario sferico o asfericomenisco di Schmidt per correggere l’aberrazione menisco di Schmidt per correggere l’aberrazione

sfericasfericaAberrazione sferica Aberrazione sferica assenteassente

Coma Coma


Curvatura di campo Curvatura di campo molto elevatamolto elevata

Maksutov-CassegrainMaksutov-Cassegrain primario sferico secondario sferico convessoprimario sferico secondario sferico convessomenisco di Maksutov per correggere l’aberrazione menisco di Maksutov per correggere l’aberrazione

sfericasferica

Molti disegni ottici che giocano sui ‘Molti disegni ottici che giocano sui ‘gradi di libertàgradi di libertà’ per correggere coma, ’ per correggere coma, astigmatismo, aberrazione cromaticaastigmatismo, aberrazione cromatica

presente, ma eliminabile con secondario asferico presente, ma eliminabile con secondario asferico o allontanando la lente di Schmidt dal secondarioo allontanando la lente di Schmidt dal secondario


Specchi per il visibileSpecchi per il visibile

Materiali ‘Zero Expansion’ Materiali ‘Zero Expansion’ – Materiali come Astro-– Materiali come Astro-Sitall, Zerodur, o ULE vengono utilizzati come substrato Sitall, Zerodur, o ULE vengono utilizzati come substrato per specchi poiché non hanno espansione termica per specchi poiché non hanno espansione termica rilevante alle temperature a cui opera un telescopio rilevante alle temperature a cui opera un telescopio normalmente. normalmente.

Lavorazione – Lavorazione – Si utilizza il ‘polishing’ ovvero la Si utilizza il ‘polishing’ ovvero la levigazione mediante polveri di diamante di dimensioni levigazione mediante polveri di diamante di dimensioni sempre più piccole (fino ad alcuni micron) diluite in sempre più piccole (fino ad alcuni micron) diluite in acqua. La tecnica moderna è computerizzata. Gli errori acqua. La tecnica moderna è computerizzata. Gli errori sulla forma delle ottiche sono dell’ordine di sulla forma delle ottiche sono dell’ordine di λλ/20 o /20 o λλ/25. /25.

Misura dell’erroreMisura dell’errore – La misura dell’errore di forma si fa – La misura dell’errore di forma si fa con il metodo interferometrico, analizzando le frange con il metodo interferometrico, analizzando le frange prodotte per confronto con una superficie campione e prodotte per confronto con una superficie campione e illuminando con lampade al sodio (illuminando con lampade al sodio (λλ=586 nm).=586 nm).


Telescopio spazialeTelescopio spaziale


Telescopio ottico spaziale: HSTTelescopio ottico spaziale: HST


HSTHST

•2,4 m di diametro in configurazione Ritchey-Chretien 2,4 m di diametro in configurazione Ritchey-Chretien

•Le osservazioni dall'ultravioletto all'infrarosso (115 nm – 1 mm)Le osservazioni dall'ultravioletto all'infrarosso (115 nm – 1 mm)


HST: aberrazione sferica HST: aberrazione sferica


1993 Missione spaziale Shuttle Endeavour:1993 Missione spaziale Shuttle Endeavour:

Correzione: COSTARCorrezione: COSTARNuova camera: WFC2Nuova camera: WFC2


HST: mission 2HST: mission 2

1993 Servicing Mission 11993 Servicing Mission 1

WFPC2 - WFPC2 - WideWide FieldField PlanetaryPlanetary Camera 2 Camera 2 - Second- - Second-generation imaging camera. WFPC2 is an upgraded generation imaging camera. WFPC2 is an upgraded version of WF/PC (1) which includes corrective version of WF/PC (1) which includes corrective optics and improved detectors. optics and improved detectors.

COSTAR - COSTAR - CorrectiveCorrective Optics Space Optics Space TelescopeTelescope AxialAxial ReplacementReplacement - Second-generation corrective optics. - Second-generation corrective optics. COSTAR is not an actual instrument. It consists of COSTAR is not an actual instrument. It consists of mirrors which refocus the abbreviated light from mirrors which refocus the abbreviated light from Hubble's optical system for first-generation Hubble's optical system for first-generation instruments. Only FOC utilizes its services today.instruments. Only FOC utilizes its services today.

http://hubble.nasa.gov/technology/instruments.phphttp://hubble.nasa.gov/technology/instruments.php


L'HST lavora solo in configurazione RC, a due specchi. Tuttavia lo L'HST lavora solo in configurazione RC, a due specchi. Tuttavia lo specchio primario era affetto da severa aberrazione sferica. specchio primario era affetto da severa aberrazione sferica. Quando lo si scoprì, venne piazzato un correttore (COSTAR) dopo Quando lo si scoprì, venne piazzato un correttore (COSTAR) dopo il fuoco RC, grazie alla accessibilità dell'orbita bassa. Gli strumenti il fuoco RC, grazie alla accessibilità dell'orbita bassa. Gli strumenti di seconda e terza generazione hanno la correzione al loro di seconda e terza generazione hanno la correzione al loro interno. interno.

HST - L'aberrazione sferica del primarioHST - L'aberrazione sferica del primario


15% dell’encircled energy era in 0.2”, l’85% era in 1.4”15% dell’encircled energy era in 0.2”, l’85% era in 1.4” Aberrazione sferica: differenza di 38 mm nella messa a Aberrazione sferica: differenza di 38 mm nella messa a

fuoco delle regioni centrali rispetto alle esternefuoco delle regioni centrali rispetto alle esterne Problema dovuto alla lavorazione dell’ottica che aveva Problema dovuto alla lavorazione dell’ottica che aveva

modificato la curvatura modificato la curvatura La NASA non aveva MAI (!) fatto test ottici sulle due La NASA non aveva MAI (!) fatto test ottici sulle due

ottiche, primaria e secondaria, insiemeottiche, primaria e secondaria, insieme Soluzione: COSTAR (Corrective Optics STAR)Soluzione: COSTAR (Corrective Optics STAR) STAR (Space Telescope Axial Replacement) era uno STAR (Space Telescope Axial Replacement) era uno

strumento “dummy” usato durante i test a terrastrumento “dummy” usato durante i test a terra COSTAR veniva introdotto prima degli strumenti di COSTAR veniva introdotto prima degli strumenti di

piano focale per correggere gli effetti dovuti piano focale per correggere gli effetti dovuti all’aberrazione sfericaall’aberrazione sferica

HST - L'aberrazione sferica del primarioHST - L'aberrazione sferica del primario


WSO instrumentWSO instrument

The WSO/UV S/CThe WSO/UV S/C


WSO instrumentWSO instrument

Summary of the Spectrum-UV/WSO-UV Space complex and its components

Optical Bench

Guiding Sensor

Primary Mirror Unit

Optical Bench Mounting Unit

Imager Unit


WSO telescopeWSO telescope

• 400 mm

Primary mirror1700 mm

Secondary mirror Effective Focal

planeX 30’

148 mm

Optical SystemOptical System Ritchey-Chretien aplanatic ( no sherical and coma aberration)Ritchey-Chretien aplanatic ( no sherical and coma aberration)

Aperture diameterAperture diameter 1700 mm1700 mm

Telescope f-numberTelescope f-number 10.010.0

FOVFOV 30’ (150 mm in diameter)30’ (150 mm in diameter)

Wavelength rangeWavelength range 100-310 nm (+visible)100-310 nm (+visible)

Primary WavelengthPrimary Wavelength 200 nm200 nm

Optical qualityOptical quality Diffraction optics at the FOV centerDiffraction optics at the FOV center

MassMass 1570 kg (1600 with adapter truss)1570 kg (1600 with adapter truss)

SizeSize 5.67x2.30 m (transport)5.67x2.30 m (transport)8.43x2.3 m (operational)8.43x2.3 m (operational)


Esempio: HERSCHELEsempio: HERSCHEL

Missione solare HElium Resonant Scattering from Missione solare HElium Resonant Scattering from HELiosphereHELiosphere

Immagini del sole nell’EUVImmagini del sole nell’EUV

Coronografo nel VIS/EUVCoronografo nel VIS/EUV

Volo previsto per il 2009 da White SandsVolo previsto per il 2009 da White Sands

Obiettivo principale della missione:Obiettivo principale della missione:

Osservare il Sole alla riga di emissione dell’He Osservare il Sole alla riga di emissione dell’He ionizzato (30.4 nm), in particolare nella corona fino a 2 ionizzato (30.4 nm), in particolare nella corona fino a 2 raggi solariraggi solari


UVC – HERSCHEL UVC – HERSCHEL


Disegno ottico di UVC - HERSCHELDisegno ottico di UVC - HERSCHEL

GregorianoGregoriano


Riflettività nei raggi XRiflettività nei raggi X


Telescopi a raggi XTelescopi a raggi X

Wolter dimostrò il funzionamento Wolter dimostrò il funzionamento di questi specchi nel 1951 per di questi specchi nel 1951 per applicazioni alla microscopiaapplicazioni alla microscopia


Telescopi a raggi XTelescopi a raggi X

I primi ad usarli per l’astronomia furono Giacconi e Rossi nel 1960I primi ad usarli per l’astronomia furono Giacconi e Rossi nel 1960


XMMXMM


Telescopio per raggi XTelescopio per raggi X

XMM – Newton XMM – Newton

Specchi Wolter I coassiali


Specchi per raggi XSpecchi per raggi X

a) Mandrino superpulito In Al rivestito di 0.1 mm Ni, depositato sull’alluminio attraverso un processo chimico (Kanigen©). Il mandrino così preparato viene sagomato fino a ottenere il profilo parabolico-iperbolico desiderato. Quindi è sottoposto a un processo di superpulitura per raggiungere una rugosità superficiale < 0,5 nm.

b) Deposizione dell’oro. Il mandrino viene inserito in un crogiuolo dove viene depositato l’oro da evaporare. L’oro viene evaporato per bombardamento di elettroni, fino a formare uno strato di circa 100 nm.


Specchi per raggi XSpecchi per raggi X

c) Il rivestimento di nichel. Lo strato di oro è rivestito di un ulteriore strato di nichel attraverso un bagno elettrolitico fino al raggiungimento dello spessore desiderato (0,1 – 1,0 mm).

d) Lo specchio sul mandrino. È lo strato d’oro rinforzato da quello di nickel che costituisce lo specchio. La superficie d’oro ha la funzione di riflettere i raggi X. Il rivestimento di nichel depositato attraverso il bagno elettrolitico serve a dare consistenza meccanica al sottile strato di metallo prezioso.

e) La separazione dello specchio. La separazione è ottenuta raffreddando quest’ultimo: infatti il coefficiente di espansione termica dell’alluminio è circa il doppio di quello del nickel e con il raffreddamento si crea una piccola intercapedine che permette la separazione dello specchio. Le superfici così ottenute hanno una curvatura perfetta, con micro-rugosità < 0,5 nm. Ciò permette di ottenere immagini X con risoluzione simile a quelle ottiche.


RiferimentiRiferimenti

Lisa GambicortiLisa Gambicorti

CNR-Istituto Nazionale di Ottica ApplicataCNR-Istituto Nazionale di Ottica Applicata

e-mail:e-mail: [email protected]@inoa.it

tel:tel: 05523082650552308265

Dip.di Astronomia e Scienza dello SpazioDip.di Astronomia e Scienza dello Spazio

e-mail:e-mail: [email protected]@arcetri.astro.it

tel:tel: 05523076160552307616

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