Niechciane odbicia. Na każdej granicy ośrodków występuje odbicie i załamanie.

Transkrypt

1 Niechciane odbicia Na każdej granicy ośrodków występuje odbicie i załamanie. W przypadku soczewek załamanie jest pożądane, odbicie nie. Od typowej granicy powietrze-szkło odbija się 4.5% padającego światła.

2 Niechciane odbicia Jakie są straty na typowym szkle ołowiowym? 1 soczewka 2 granice p-sz: transmisja 91.2% Achromat 2 soczewki, 2 granice p-sz, 1 granica sz-sz: transmisja 91% Achromat dzielony powietrzem, 4 granice p-sz: transmisja 83.2% 3-elementowy apochromat dzielony powietrzem, 6 granic p-sz: transmisja 75.9% Lornetka - około 10 granic powietrze szkło: transmisja 63.1% Skomplikowane obiektywy fotograficzne nawet 15 granic p-sz: transmisja 50%!!! Dość spory problem. Sprawa się pograsza, dla światła padającego pod kątem.

3 Niechciane odbicia rozwiązanie Stosować bardziej skomplikowane szkła.

4 Niechciane odbicia rozwiązanie Napylić cienką warstwę nowej substancji na szkło. Grubość warstwy: t = lambda/4*nf Zachodzi wygaszanie fali odbitej od szkła i od warstwy. Do warstwy jednokrotnej stsosuje się najczęściej fluorek magnezu kolor jak denaturat.

5 Niechciane odbicia rozwiązanie Porównanie sprawności. Transmisja dla obiektywu apochromatycznego 3-elementowego dzielonego powietrzem wzrasta z 76% do 92%.

6 Niechciane odbicia rozwiązanie Porównanie sprawności.

7 Niechciane odbicia rozwiązanie Powłoki wielowarstwowe, działające skutecznie dla całego zakresu widzialnego. Najnowsze powłoki tego typu, renomowanych producentów, zmniejszają odbicie na granicy powietrze-szkło do poziomu %.

8 Niechciane odbicia rozwiązanie Powłoki wielowarstwowe, działające skutecznie dla całego zakresu widzialnego, a nawet poza nim.

9 Zwierciadła W przypadku zwierciadeł chcemy aby jak najwięcej światła się odbijało a jak najmniej było pochłaniane. W przypadku pierwszych zwierciadeł z polerowanego brązu sytuacja nie była najlepsza.

10 Zwierciadła W drugiej połowie XIX wieku zaczęto na szkło napylać srebro. Srebro świetnie odbija (98%) ale jest nietrwałe (żółknie). Po pół roku wymaga wymiany. Słabo wypada w bliskim UV.

11 Zwierciadła W 1932 roku opracowano metodę próżniowego napylania aluminum. Aluminium odbija gorzej niż srebro, ale zaczyna żółknąć dopiero po 2-3 latach.

12 Zwierciadła Na aluminium, w celu ochrony, można napylić dodatkową warstwę tlenku krzemu o grubości ½ długości fali.

13 Zwierciadła To nadal nie zadawalało wszystkich: Dwa zwierciadła ze świeżo napylonym aluminum: 0.9*0.9 = 0.81 Dwa zwierciadła z chronionym aluminium: 0.85*0.85 = 0.72 Do tego dochodzi obstrukcja związana z przysłanianiem zwierciadła głównego przez zwierciadło wtórne: poziom 20-30% Sprawności optyczne standardowych teleskopów zwierciadlanych są więc na poziomie: 60-70%

14 Zwierciadła Wzbogacone aluminium, to aluminium pokryte wielowarstwowymi powłokami dielektrycznymi. Do obserwacji w podczerwieni wzbogacona miedź i złoto!

15 Detektory promieniowania Oko Klisza fotograficzna Fotometr (fotopowielacz) Kamera CCD

16 Detektory promieniowania oko Oko

17 Detektory promieniowania oko Obraz rzucany na siatkówkę jest odwócony. Na siatkówce znajdują się czułe na kolory czopki i czułe na małe natężenia światła pręciki (100x czulsze). Pręcików jest więcej na zewnątrz. Pręciki są czulsze na światło niebieskie.

18 Detektory promieniowania oko Teoretyczna zdolność rozdzielcza oka to 20. Ograniczeniem jest jednak odległość między czopkami, co daje 12 minutę łuku. Typowo trzeba od 1 do 10 fotonów do rejetracji sygnału. Oko nie posiada możliwości kumulowania (integracji) sygnału stąd jego ograniczony zasięg.

19 Detektory promieniowania oko Oko dość sprawnie radzi sobie z porównywaniem jasności gwiazd. Metoda Argelandera Metoda Pickeringa

20 Detektory promieniowania oko Doświadczony obserwator wizualny jest w stanie zejść z dokładnością ocen do poziomu poniżej 0.1 mag. Do dzisiaj obserwacje wizualne są wykorzystywane w obserwacjach gwiazd długookresowych (Miry, SRV), kataklizmicznych, minimów gwiazd zaćmieniowych.

21 Detektory promieniowania oko Aby promieniowanie dotarło do oka w postaci równoległej wiązki trzeba użyć okularu, który dodatkowo powiekszy obraz uzyskiwany przez obiektyw. W najprostszym przypadku mogą to być soczewki skupiające lub rozpraszające. Powiększenie instrumentu to stosunek ogniskowych obiektywu i okularu. Pole widzenia instrumentu to pole widzenia okularu podzielone przez powiększenie.

22 Detektory promieniowania oko Parametry okularów: Typ (konstrukcja) Ogniskowa Własne pole widzenia (AFOV) Odstęp źrenicy (eye relief)

23 Detektory promieniowania oko Średnica wiązki światła wytwarzanej za okularem to źrenica wyjściowa.

24 Detektory promieniowania oko Szybko zauważono, że układy dwóch soczewek sprawują się lepiej niż pojedyncze soczewki. Okulary takie zapewniają użyteczne ola widzenia na poziomie 3035 stopni. Wady, głównie aberracja chromatyczna, są jednak duże.

25 Detektory promieniowania oko Jedną z soczewek można więc zastąpić achromatem. Okular Kellnera ma pole na poziomie nawet 50 stopni. Okular RKE nawet do 60 stopni. Oba walczą skutecznie z chromatyczmem i dystorsją. RKE ma rozsądne wartości odstępu źrenicy.

26 Detektory promieniowania oko Można też połączyć dwa achromaty i dodać im soczewkę wypłaszczającą obraz. Okulary tego typu mają pola na poziomie 50 stopni. Są całkowicie achromatyczne. W przypadku Super Plossla pole jest bardzo ostre do brzegu.

27 Detektory promieniowania oko Najbardziej skomplikowane produkowane współcześnie okulary to 6-9 elementowe konstrukcje. Okulary tego typu mają pola widzenia na poziomie stopni, bardzo ostre, z małą komą i astygmatyzmem lecz z widoczną dystorsją. Mają też komfortowy odstęp źrenicy. Często do ich produkcji stosuje się lantanowe szkło niskodyspersyjne.

28 Detektory promieniowania oko Ile zobaczymy przykładając oko do okularu? Musimy zdefiniować skalę wielkości gwiazdowych.

29 Detektory promieniowania oko Musimy zdefiniować skalę wielkości gwiazdowych.

30 Detektory promieniowania oko Ile zobaczymy przykładając oko do okularu?

31 Detektory promieniowania oko Ile zobaczymy przykładając oko do okularu? - Zasięg teleskopu.

32 Detektory promieniowania oko Rozdzielczość teleskopu dyfrakcja na otworze kołowym. Rozkład natężenia w zależności od kąta do osi optycznej: Zera występują dla: co daje kąty Theta: i sławny wzór na rodzielczość:

33 Detektory promieniowania oko Rozdzielczość teleskopu dyfrakcja na otworze kołowym. Zakładając największą czułość ludzkiego oka na 510 nm otrzymujemy: R = 0.128/D gdzie D to średnica obiektywu w metrach, a R rozdzielczość w sekundach łuku.

34 Detektory promieniowania klisza fotograficzna Klisza fotograficzna została zastosowana w astronomii w drugiej połowie XIX wieku i była popularna do lat 80tych XX wieku. Emulsja to zawiesina z soli srebra (głównie AgBr i AgJ) w żelatyniew postaci kryształków (ziaren) o rozmiarach 5-10 mikormetrów. Zapis informacji na kliszy: Naświetlanie światło rozkłada sól Wywołanie rozłożenie jednorodne emulsji (neutralizacja srebra) Utrwalenie wypłukanie resztek soli, by pozostało tylko srebro

35 Detektory promieniowania klisza fotograficzna Własności kliszy: Integracja światła Wartość dokumentalna Wydajność kwantowa (czyli liczba fotonów potrzebna do wytworzenia śladu na detektorze): na poziomie 1% Zdolność rozdzielcza zależy od seeingu, dyfrakcji, rozmiarów ziaren i ogniskowej teleskopu

36 Detektory promieniowania klisza fotograficzna Czułość kliszy zależy od rozmiarów ziaren im większy rozmiar tym większa czułość. DIN ASA -> ISO: 15 DIN = 25 ASA 18 DIN = 50 ASA 21 DIN = 100 ASA 24 DIN = 200 ASA 27 DIN = 400 ASA 30 DIN = 800 ASA 33 DIN = 1600 ASA 36 DIN = 3200 ASA

37 Detektory promieniowania klisza fotograficzna Zwykła klisza czuła jest na światło niebieskie ( 430 nm) Wg. klasyfikacji Kodaka dzielimy klisze na: Normalne nm Ortochromatyczne typy: J ( nm), G ( nm), D ( ) Panchromatyczne - typy F ( ), N ( ), Z ( nm)

38 Detektory promieniowania klisza fotograficzna Pomiar jasności na kliszy. Zaczernienie: D = log (Fo/F) Wiemy, że: D = f(et) gdzie E oświetlenie t czas naświetlania Tak naprawdę zależność od t nie jest liniona jest tam potęga p<1

39 Detektory promieniowania klisza fotograficzna Charakterystyka natężeniowa kliszy D = A + gamma * log (Et) gamma = tg (theta)

40 Detektory promieniowania Jak zmieniają się poziomy energetyczne? 2 atomy wiele atomów

41 Detektory promieniowania Poziomy energetyczne w ciele stałym.

42 Detektory promieniowania Aby ciało stałe przewodziło prąd, elektrony muszą się poruszać. Mogą to robić w pasmach walencyjnym i przewodnictwa. Jeśli pasmo walencyjne jest wypełnione mamy do czynienia z izolatorem. Jeśli pasmo walencyjne ma wolne poziomy energetyczne elektrony mają miejsce by się przemieszczać i mamy do czynienia z przewodnikiem. Jeśli wypełnione pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa znajdują się blisko siebie, elektrony wzbudzone termicznie mogą przeskakiwac do wyższego pasma i mamy do czynienia z półprzewodnikiem.

43 Detektory promieniowania fotokomórka Fotokomórka jako pierwsza umoliwiła pomiar natężenia promieniowania w postaci natężenia prądu. Działa ona na zasadzie efekty fotoelektrycznego zewnętrznego (Einstein 1905). Padający na metal foton wybija słabo związany elektron, który ma prędkość v. hv = ½ * mv^2 + W gdzie W jest pracą wyjścia charakerystyczną dla danego materiału, co oznacza, że dla hv < W efekt nie zachodzi. Przykładowo: Cs W= 1.8 ev lambda_max = 690 nm K W= 2.3 ev lambda_max = 540 nm Li W= 2.5 ev lambda_max = 490 nm Ni W= 5.2 ev lambda_max = 240 nm

44 Detektory promieniowania fotokomórka Pierwsze pomiary astronomiczne wykonano fotokomórką już w roku Zalety fotokomórki: Liniowa reakcja na strumień promieniowania Duża wydajność kwantowa (np. Dla GaAs sięga ona ok. 20% czyli jest on 20x czulszy od kliszy!) Odczytanie natężenia prądu wymagało zastosowania odpowiedniego wzmacniacza, bo generowane natężenia są rzędu 10^(-14) A

45 Detektory promieniowania fotopowielacz W połowie XX wieku wprowadzono fotopowielacz. Promieniowanie pada na katodę wybijając elektron. Dynody pokryte są warstwą, z której łatwo wybija się elektrony. Do dynod przyłączane jest coraz to wyższe napięcie. Typowo na jeden elektron padający przypada 3-10 wybitych. Wzmocnienie sygnału przy około 10 dynodach jest na poziomie , co daje mierzony prąd o natężeniu około 0.01 A.

46 Detektory promieniowania fotopowielacz Najpopularniej stosowane fotokatody to: Antymonowo-cezowa (CsSb) nm Bialkaiczna (K2CsSb) 670 nm Trialkaiczna (CsKNaSb) 850 nm Glowo-arsenowa z domieszką cezu (GaAsCs) 1000 nm Powierzchnię dynod pokrywa się tlenkiem berylu z domieszką cezu.

47 Detektory promieniowania fotometr Do obserwacji astronomicznych budowano fotometry fotoelektryczne.

48 Detektory promieniowania fotometr W przypadku fotometru jednokanałowego rejestrowano: n1 = ngwiazdy + ntła + npc Co pewien czas przeskakiwano do pole bez gwiazdy: n2 = ntła + npc więc: ngwiazdy = n1 - <n2> A potem na pole z gwiazdą porównania. Aby zminimalizować prąd ciemny chłodzono detektory termoelektrycznie (do -40 stopni) lub suchym lodem (do nawet -100 stopni). Potem wprowadzono fotometry dwu i trzykanałowe, które pozwalały rejestrować jednocześnie światło gwiazdy zmiennej, gwiazdy porównania i tła.

49 Detektory promieniowania fotometr Rozkład fotoelektronów wybiegających z fotokatody jest rozkładem Poissona, więc dyspersja to pierwiastek z liczby elektronów. Ponieważ: m = -2.5 log n + const Daje to błąd na poziomie m = 1.086/ Dla typowych wartości <n> kilku tysięcy, dostajemy błedy na poziomie mag.

50 Detektory promieniowania kamera CCD Detektor CCD to układ uporządkowanych elementów.

51 Detektory promieniowania kamera CCD Naświetlanie detektora.

52 Detektory promieniowania kamera CCD Czytanie detektora.

53 Detektory promieniowania kamera CCD Własności kamer CCD: Bardzo wysoka wydajność kwantowa Znakomita liniowość Zakres tonalny rzędu Cyfrowa postać sygnału Długie czasy czytania Mały rozmiar Wysoka cena Blooming

54 Detektory promieniowania kamera CCD CCD grube (światło przenika przez napylone elektrody) wydajność kwantowa do 50% CCD cienkie (światło pada po stronie półprzewodnikowej) wydajność kwantowa nawet ponad 90%, większa czułość na barwe niebieską

55 Detektory promieniowania kamera CCD Parametry kamer: Rozmiar detektora: 512x512, 2048x2048, mozaiki Rozmiar piksela: kilka-kilkanaście mikrometrów GAIN mówi o tym ile elektronów odpowiada za jedno zliczenie (ADU Analog Digital Unit). Np. 2.5 e/adu oznacza, że za każde zliczenie (lub poziom szarości) odpowiada 2.5 elektronu. W studni potencjału mieści się około tysięcy elektronów. Dzieląc to przez GAIN mamy liczbę zliczeń. READOUT NOISE szum odczytu: 2-10 e. Minimalizacja szumy wymaga wolniejszego odczytu. Typowy czas odczytu to tys. pikseli/sek.

56 Detektory promieniowania kamera CCD Dobór kamery CCD powinien być kierowany parametrami teleskopu (ogniskowa, średnica zwierciadła, pole widzenia wolne od wad) oraz seeingiem.

57 Detektory promieniowania kamera CCD Obserwacje kamerą CCD wymagają znajmości jej charakterystyki. Wykonuje się dodatkowe obrazy, które określają efekty instrumentalne. BIAS informują o efektach powodowanych przez elektronikę. Pomimo czasu naświetlania 0 sekund rejestrujemy sygnał wytwarzany we wzmacniaczu oraz elektrony, które przetunelowały podczas poprzedniego czytania kametry. BIASy wykonuje się kilka razy na noc w seriach po 5-20 zdjęć. DARK ujawnia wielkość prądu ciemnego generowanego przez elektrony termiczne. Chłodzenie ciekłym azotem do -100 stopni praktycznie likwiduje ten efekt. Chłodzenie termoelektryczne do -30 stopni nie wystarcza do pominięcia tego efektu. Wykonujemy 1-5 zdjęć rano i wieczorem. FLAT FIELD dzielimy na DOME FLAT (ekran pod kopułą) i SKY FLAT (na czystym jednorodnym niebie). Determinuje charakterystykę czułości poszczególnych pikseli.

58 Detektory promieniowania kamera CCD DARK

59 Detektory promieniowania kamera CCD Obróbka obrazków kalibracyjnych.

60 Redukcja danych z kamery CCD

61 Redukcja danych z kamery CCD

62

63

64