ארז ריבקדו"ח סגל מחקר

2012 במרץ 27

מכוכבי לכת ועד ראיה – עוצמת הפוטונים

From planets to vision –the power of photons

הפרדה גבוהה: אסטרונומיהיישומים 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 לכתהשיטות 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 כוכבהשיטה השניה: אופטיקה מסתגלת•

הצלחה מעל למשוער• מטר ומעלה 4 מופעלת בכל הטלסקופים בקוטר•

אופטיקה בהפרדה גבוהה

אסטרונומיה דימות בעין

מיקרוסקופיה

ליזר ככוכב נחייה

ניתוח הרשתית

מדידת חזית הגלהטבלה אופטית

טומוגרפיה קוהרנטית, סריקת ליזר במוקד

אופטיקה מסתגלת

דוגמות להצלחת אופטיקה מסתגלת

Gemini North Keckזיהוי כוכב חלש מאוד ליד כוכב חזק באינפרה אדום

15Sge and 15Sge Bk Band, Liu

פלוטו וכארון

Gemini north, 0.08” resolution

כוכבי לכת

לידת כוכבים

Glassman and LarkinKeck NIRC2

גלכסיה בפגאסוסהסחה לאדום 0.37

אחרי הפעלת האופטיקה המסתגלת

צילום רגיל

עקרון האופטיקה המסתגלת 0, yx

atmos

dzzyxyx ,,,

0, yx

מראה מתעוותת

טורבולנציה אטמוספרית

חזית גל מעצם מרוחק מאוד

חזית גל מעוותת

חזית גל מתוקנת

yx,

האטמוספרה מקלקלת את התמרת פוריה של העצם

בהתמרה ההפוכה האות מתפרש על שטח גדול,

ויורד מתחת לרמת הרעש

חשיפה קצרה: כוכב מופרד / לא מופרד

מילישניות5כוכב בודד, חשיפה

קפלה )כוכב כפול( על מטר3.8טלסקופ

כושר הפרדה מילישניות קשת42

תוצאות העיבוד

גבול העקיפה האטמוספרית

גבול העקיפה 5של טלסקופ

מטר

seeing ראותהפרעות אטמוספריות גדלות ומצטברות עד לקוטר הטלסקופ• האפקט הוא פראקטאלי ולכן מאפשר ניבוי )עם חיים שוורץ וגדעון באום(• מתקלקלת הראותσΦ>1 radכאשר עיוותי המופע בעלי סטית תקן בשיעור •σΦ=1 עבור r0(, או רוחב הקוהרנטיות הוא Friedגודל תא הראות של פריד )••r0 -ו τ0 גדלים לפיλ6/5

)דצימטרים ואלפיות שניה בתחום הנראה(

r0

σΦ=1 radאו אלכסוני במבט אנכיr0≈20cm @ visr0≈70cm @ ir

במבט אפקי הערכים קטנים פי 20

מערכת אופטיקה מסתגלת בסיסית

חוג משוב

מפצל קרן

צופהגלאי חזית-גל

מקור

שימוש באופטיקה מסתגלת לתיקון הפאזה של חזית הגל:

מדידת הפאזה המעוותת•חישוב הפקודות למראה הגמישה•הפעלת מתחים•

תווך מעוותמראה גמישה

אופטיקה מסתגלת

תוצאותזמן אמתשיפור כושר ההפרדה

$2,000,000 תג מחיר

כוכבים כפולים ושלישיות

חור שחור במרכז שביל החלבגירעון בשמש וצינורות שטף מגנטי עם וללא אופטיקה מסתגלת

גלאי חזית גל(: דגימת חזית הגל Hartmann-Shackגלאי הרטמן-שאק )

באמצעות חורים או עדשיות ומדידת ההזזה הרוחבית של המוקדים

גרדיינטים מדודים של חזית הגל:

yx

FF ,S

F

Si

מדידהחישוב

פיתוח שיטות שונות: יובל כרמון, שחף זומר, עמוס תלמי, כרמן קנובס

תבנית הארטמן-שאק

אחת ממראות טלסקופ קק

מראות ממברנה בימורפיותהומצאה בפקולטה לפיסיקה בטכניון בשנת •

1977המשטח הקדמי מראה – פיסת סיליקון•המשטח האחורי – חומר פייזואלקטרי•התכווצות או התפשטות החומר •

הפייזואלקטרי לעומת הסיליקון האינרטי יוצרת עקמומיות מקומית

,CFHTשימוש בכמה טלסקופים כגון •Subaru

עם חיים שוורץ, פרופ' סטיב ליפסון

SiPZT

מראת ממברנה תוצרת בית

שיתוף עם מיקרואלקטרוניקה בטכניון ועם רפא"ל. רכיבים על גב המראה.100עד

שחזור חזית הגלבהינתן שיפועים של חזית הגל או העקמומיות שלה, וידע •

מוקדם על הסטטיסטיקה של האטמוספרהובהינתן 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: בקרהמדידות תגובת חזית הגל כתגובה להפעלת מתח על כל אחד •

רכיבי המראהMמתוך מרכזי נקודות בגלאי הרטמן או רכיבי N נרשמת כ-חזית הגל •

עקמומיות, מסודרים כווקטור Mנותנת את M×N בגודל A במטריצה הכפלת חזית הגל •

למראה,Sהפקודות, מסודרות כוקטור S = A

מייצר את התגובות לרכיבי B)פסאודו(היפוך המטריצה •המראה כערכים עצמיים, באמצעות שימוש בפרוק ערך

(SVDסינגולרי ) = 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 108הבעיה: יחס עוצמות הכוכב המרכזי )השמש( וכוכב הלכת לידו – בין •

1012ו

הפתרון: שימוש באופטיקה מסתגלת מדויקת במיוחד•ניצול קורונגרפיה לחסימת השמש•

חסימת האור•פיזור באמצעות מערבולת אופטית•התאבכות הורסת במרכז•

f f f f f

planet

Star (on axis)

telescope pupil 1st focus pupil image final focusapodizer Lyot stop /

adaptive optics

מפתח הטלסקופתמונת העקיפה של הכוכב היא התמרת פוריה •

של מפתח הטלסקופעבור טלסקופ רבועי או משושה העוצמה יורדת •

sin r / r(4(מהר יותר לאורך האלכסון לפי

1909 בשנת Sirius Bכך נתגלה הכוכב •חסרון: בזבזני באור•

עוצמה ספקטרלית

מפתח פונקצית פריסת הנקודה)סקלה לוגריתמית(

ניסוי במעבדהניתן להסתיר רק חלק קטן מן המפתח ובכל זאת לגלות את כוכב הלכת •

ליד השמשבכך מסירים את הניוון הזוויתי•

צילום הכוכב

מסכהשמעון גלדיש, רות מקי, ארז

ריבק

זיהוי כוכב הלכתכוכב 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 הסיבובבהסתרות שונות הטבעות נעות פנימה והחוצה•הסרה של ניוון נוסף•יותר טווח לגילוי כוכב לכת•

( ממוצע 31%( החלש ביותר )31%-11%החלש ביותר )התמונה )חשיפה ארוכה(

חיפוש כוכבי לכת עם חיים:ספקטרוסקופיית פורייה

יצירת התאבכות בין שתי קרניים בהפרש מסלולים משתנה• כאשר 2/k יוצר תנודות בתדר אופייני dk ורוחב k=2/ λקו ספקטרלי במספר גל •

dk/1 הפרש המסלולים הוא

0.5 1 coskI k dk

Ι expkI ik d

Ι

F.T.

F.T.

איל שוורץ, סטיב ליפסון, ארז ריבק

הפרדה בין קווים ספקטרלייםאם 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

MoleculeSpectral line peak

cm-1 )µm(

Spectral line widthcm-1 )µm(

H20512 )19.51(2.66 )0.1(

N2O1285 )7.78(2.2 )0.013(

CH41280 )7.8(2.86 )0.017(

O31040 )9.6(3.89 )0.036(

Chlorophyll a –C55H72MgN4O5

1478 )6.76(3.5 )0.016(

ניסוי מעבדהLEDהשוואת מנורת הלוגן ו-•ירוק: הספקטרום הכולל•כחול: הספקטרום הצר•שיפור של פי ארבע בניגוד•

ניסוי במצפה כוכביםשימוש 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 אסטרונומייםבגלל סיבוכיות ויוקר הרכיבים, עד כה היישום היחיד היה הישום המקורי: •

אסטרונומיהבשנים האחרונות הוחל שימוש באופטיקה מסתגלת ביישומים לא אסטרונומיים•בתחום הרפואי והמחקרי: תיקון עיוותי הקרנית לתצפית באיכות טובה לתוך •

העיןבתחום 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 לעיןשתי מערכות אופטיות חופפות חלקית•מדידת עוותי חזית הגל משמשת גם •

LASIK למדידת הקרנית, כמו בניתוחי 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

Erez left eye (with contact lens)

גלאי חזית גל, כיום לניתוחי קרנית

A. Roorda, Texas

תוצאה: מפת חזית הגל

תוצאה: פונקצית פריסת הנקודה

Point Spread Function

white light

variable beam splitter

deformable mirror

mirror

Hartmann-Shack and camera

laser

עין הארנבת

תיקון עיוותי הקרנית

שיפור כושר ההפרדה בערך פי •עשר

ומעלה20,000$תג מחיר •(1995-2010מערכות מעבדתיות )•מכשיר מסחרי ראשון היה צפוי •

2011ב-

מבנה העיןכניסת אור מהאישון

רשתית אנושית

)צבועה(

רשתית העין שקופה אך מפזרתמדוע עובר האור שכבות מפזרות לפני הגיעו לתאי •

החישה?צפופים יותר, חודרים את כל תאי מילר )גליה(•

הרשתיתהאם הם מוליכי אור?•

רשתית האדם

תאי מילר

שכבת סיבי עצבים פנימית

שכבת סיבי עצבים חיצונית

גרעיני תאי מילר

קנים ומדוכים

אופטיקה ברשתיתמה 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

Technion 25/11/2010Franze et al. 2007

שתי תוכניות מחשב לקידום חזית גל דרך תווך לא אחיד:

בתוכנית הראשונה יצרנו דגם תלת 1.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 2.מימדי של הרשתית, והעברנו דרכו אלומות

בזויות שונות ואורכי גל שונים.

תוצאות

central cell neighbour cell

photopic

scotopicphotopic

scotopic red

bluered

blue

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•

דגם מרובה-תאיםהכנסנו פילוג גאוסי לכמה תאים•בדקנו התקדמות, פילוג אור בתאי הגילוי•

9

rods

cones

התקדמות האורθ=60; λ=580nm

ניסויי מעבדהמכרסם: קביה

ציוד: מיקרוסקופ

סורק

קוטר תאי מילר

rodcell transmission

צילומי רשתיתתאי 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•

ניצן מיטב, ארז ריבק

pupil camera

retinal camera

lens #2

lens #1

BS #1

BS #2

LED&

lens

head

pupil monitor = fixation

target

צילומי רשתית

47 ניצן מיטב, ארז ריבק

סרט וידיאו של הרשתית: העצמה נמוכה, התמונה זזה, הרעש רב, ההפרדה גרועה

הזזה וחיבור התמונות

1.3×0.8 mm2

1.92×1 mm2

תמונות240

תמונה אחת

מיצוע על דופק הלב

קטע מוגבל

one frame25 µm barλ=520nm

240 frames<20 µm filter

240 frames shifted-and-

added

תאי רשתית צפופים מסודרים במבנה משולש ולכן התמרת

פוריה שלהם היא משושה

גודל המשושה במרחב פוריה מתאים בערך לארבעה

מיקרון

תמונה אחת

תמונות240

האמנם תאי רשתית?

צילום במיקרוסקופ

זיהוי משושים

10%

40%

תמונה ממוצעת

סינון לזיהוי משושים

סינון לזיהוי מדוכים

יחס משושים למדוכים

צילום כל הרשתיתמרכז

הרשתית

העלמת העיוותים

LED

lens

lens

lens

lens

camera

goggle

beam splitter

שיפור בחדות התמונהDirect image )240 frames(

Immersion image )240 frames(

25 µm barPower spectra

direct

immersion

One frame