Tässä eräs kokeilematon idea vapaasti käytettäväksi. Tuli mieleen, mitä tapahtuu, jos hyönteisen silmän levittää tasoon. Asetetaan siis 1000 x 1000 positiivista f = 1000 mm, D = 100 mm, linssiä vaakamatriisiksi. Matriisin alla on vastaava valokuitumatriisi, johon linssit fokusoivat valon. Valokuitumatriisi liikkuu xy-tasossa kiskoilla, jolloin tähtivaivaan kohdetta voidaan seurata. Lisäksi kukin linssi voidaan suunnata kohteeseen omalla xy-säädöllä erikseen mikrotarkkuudella. Kuitumatriisin ulostulossa on miljoona valodiodia. Jos kuitujen halkasija on (ydin 50 um ja vaippa 50 um), niin ilmaisimen koko on 10 x 10 cm minimissään. Valodiodeilta tehdään 32 bittinen A/D muunnos ja kuva luetaan tietokoneelle, joka myös ohjaa kaikkia xy-säätöjä.
Linssit on koteiloitu mustaan hunajakennoon, koska kuidun numeerinen apertuuri on yleensä 0,22. Lisäksi kunkin postiivisen linssin päällä on pietsoilla etäisyyssäädettävä negatiivinen linssinmatriisi. Tällä on tarkoituksena muuttaa näkökenttää fokuksesta kollimoinnin kautta laajakulmaan.
Voisiko tämä toimia? Halpa ja valovoimainen. Myös ehkä turbulenssin vaikutus 10 cm pisteoptiikassa olisi mitätön tai se keskiarvottuisi pois?
Eikö tuossa mene aika iso osa kunkin linssin keräämästä valosta harakoille, jos kustakin kerätään talteen vain yksi piste (vain yhdestä suunnasta tullut valo). Minusta kuulostaisi kätevämmältä pistää yhden f = 1000 mm D = 100 mm linssin taakse 1000x1000 pikselin CCD-kenno.
Silloin jokainen pikseli tekee saman asian kuin tuon härvelin valokuidut (kerää kaiken linssin alueelle osuneen, tietystä suunnasta tulevan valon itseensä), mutta selvittiin yhdellä linssillä. Näin voidaan tehdä koska moneen suuntaan viuhuvat fotonit voivat sulassa sovussa liikkua lasin läpi törmäämättä toisiinsa. Tämä on ominaisuus joka mahdollistaa kuvantavan optiikan.
Kun paketti koteloidaan metalliputkeen, ollaan keksitty ns. kaukoputki. Halutessaan voidaan myös tehdä tuo negatiivinen linssi etäisyyssäätöineen, jolloin ollaan keksitty ns. zoom-objektiivi. Kustannukset kameroineen suuruusluokassa tuhat euroa, joka on vähemmän kuin miljardi euroa. Halpaa ja valovoimaista.
Niin idea kuullostaa aluksi järjettömältä, mutta tarkoitus olikin keskustella. Tarkoitinkin etäisten pistemäisten kohteiden mittaamista. Kunkin linssin keräämä valo osuu kokonaisuudessaan kuidun ytimeen, ainoastaan pinnoista heijastunut valo menee harakoille. Jos linssit "fokusoidaan" tai kollimoidaan samaan taivaan kohteeseen, systeemi kerää koko linssipinta-alaltaan fotoneita (100 m x 100 m). Valotusaika voi olla pitkähkö, koska kohdetta seurataan xy-skannerilla. Heikkojen kohteiden mittaus riippuu käsittääkseni optiiikan koosta ja valotusajasta (fotonien lukumäärästä ja S/N-suhteesta). Kuvaahan tällöin ei saa muodostettua, mutta tarvitaanko kuva joka mittaukseen? Kuva voidaan kyllä tehdä siten, että seuraavana yönä tehdään uusi valotus viereiseen taivaan pisteeseen ja tällä tavoin taivasta "skannataan" viivakameran tavoin. Sarjatuotantolinssin hinta lienee joitakin euroja, kuitu maksaa 0,1 euroa metri ja fotodiodi sarjana noin 1 eur elektroniikan kanssa. Ilmaisin maksaa siis miljoonan ja optiikka muutaman miljoonan säätöineen ja kuidut tuhansia. Ei siis joka pojan laite näin suurena. Voisin kokeilla itse 4 x 4 matriisina manuaalisäädöin.
Toki ajatuksen voi tyrmätä muullakin tavalla. Poistan kuvan tarvittaesssa.
Tuli vielä mieleen, että miljoonaa valoilmaisinta ei edes tarvita. Kuitukimpun ulostulo voidaan fokusoida yhteen ilmaisimeen. Siis kustannukset tulevat pelkästä optiikasta.
Tuli ketjun aiheesta mieleen, että telkkarissa tuli joskus ohjelma jostain laajasta galaksitutkimuksesta. Siinä mitattiin kirkkauksia suurella teleskoopilla (peilin halkaisija useita metrejä) siten, että ensin jokin taivaan alue valokuvattiin, ja sitten työstettiin kuvan perusteella teräslevy, johon porattiin reikä jokaisen galaksin kohdalle. Levy asetettiin putken fokukseen, reikiin laitettiin valokuidut ja kuitujen toiset päät vietiin tarkoille fotoilmaisimille. Putki suunnattiin alkuperäiseen taivaankohtaan ja alettiin mitata kirkkauksia.
Noniin, jos tarkoitus on tehdä pistemäisen kohteen fotometriaa, niin konsepti ei kuulosta enää ihan täysin älyttömältä.
Näkisin kuitenkin ettei tuollaisella ratkaisulla olisi ihan kauhean suuria etuja nykyaikaisiin menetelmiin nähden. Tai ainakin minulle jää vähän epäselväksi, mihin ongelmaan kallis ja monimutkainen systeemi tarjoaa ratkaisun kalliiseen ja yksinkertaiseen verrattuna.
Kuvatasolla ilmaisinta liikuttamalla tehtävä seuranta kuulostaa vähän tarpeettoman monimutkaiselta, kun seuranta-aika on rajattu ja linssin tuottama kuva tummenee reunaa kohden eikä liike taida edes olla lineaarista (vaikka pitkällä polttovälillä linssin akselin läheisyydessä melkein olisikin). Koko paketin niputtaminen yhteen ja sen kiertäminen tähtitaivaan mukana poistaa em. ongelmat - näinhän seurantajalustat normaalistikin toimivat.
Lisäksi apertuuri on ylivoimaa ja tuollainen kuudenkintoista 10 cm linssin ryhmä olisi tuossa tapauksessa helpompaa korvata 40 cm peilillä, joka kerää saman verran fotoneita ja on helpompi kohdistaa ja käsitellä.
CCD-kenno olisi fotometrisenä ilmaisimena huomattavasti joustavampi ja mahdollistaa suhteellisen fotometrian ja useiden kohteiden tutkimisen kerralla. Maailmalla on jonkin verran useammasta linssistä koostuvia fotometrisia härveleitä mutta niissäkin on nimenomaan kameran kennoja perässä. Monen linssin idea näissä on että linssit katsovat vierekkäisiä kuvakulmia ja mahdollistavat ison alueen haravoinnin vaikkapa eksoplaneettajahdissa (SuperWASP vai mikä sen nimi oli?)
Jos kirkkauden sijaan halutaankin mitata vaikkapa pistemäisten kohteiden spektrejä niin silloinhan olisi oivallinen idea työntää valo kuituun. Teron mainitsema tyyli useammista kuidunpäistä yhden ison obiskan kuvatasolla taitaa liittyä juuri tähän. Allarilla lienee lähietäisyyden kokemusta noista systeemeistä pallon toiselta puolelta.
Jep, jätän idean muhimaan ensi vuoteen. Itselläni ei ole varaa ostaa 40 cm peiliä, mutta ehkä linsseihin ja kuidunpätkiin olisi... Enkä ole testannut tuota "Zoomia" eli plussa-miinuslinssiä Zemacsilla. Voi olla, että näkökenttää ei voi "fokusoida" vaan se määräytyy F-luvun perusteella eli kuidun ytimen halkaisijan ja polttovälin perusteella. Tulee vain ajateltua pyhinä yksikertaisia asioita muun tekemisen puutteessa. Enkä tosiaan tiedä mihin tähtitieteessä tarvittaisiin 2^32 harmaasävytasoa (ellei etäisyyden mittaamiseen 1/R^2 lain mukaisesti). Saati hyödyttääkö galaksin kokonaisspektri ketään?
SuperWASP (http://www.superwasp.org/): Systeemi koostuu kahdeksasta 200mm f/1.8 kameraoptiikasta (n. 11cm objektiivit), jossa kussakin on 7.8° neliömäisen kentän antava CCD perässä. Optiikat tosiaan osoittavat eri suuntiin taivaalla niin, että niiden kentät menevät vierekkäin. Ratkaisun tarkoituksena on siis vain tuottaa hyvin laaja kuvakenttä.
Monikohdespektroskopia kuvatasolle asetettavilla valokuiduilla on testattu ja varsinkin galaksipuolella suosittu havaintotekniikka. Allar on tosiaan puuhannut näiden parissa. Tuoreimpia tätä tekniikkaa käyttäviä teleskooppeja on kiinalaisten jokseenkin eksoottisen näköinen LAMOST (http://www.lamost.org/public/?locale=en). Tätä teleskooppia on tarkoitus käyttää niin galaksien kuin Linnunradan tähtien spektroskopiseen kartoitukseen.
Alkuperäiseen ideaan palatakseni kommentoisin suurempien objektiivien käyttämisen etuja. Ensin tulevat mieleen pienten akkojen tuottamat suuret diffraktiokiekot. 10cm aukolla saa diffraktiokiekon puristettua n. yhteen kaarisekuntiin. Käytännössä kuitenkin niillä paikoilla, joihin observatorioita kannattaa rakentaa, puhutaan hyvästä seeingistä vasta, kun seeingin aiheuttama tähtien leveneminen on alle yhden kaarisekunnin. 10cm optiikoiden hilalla hyvä seeing jäisi siis aina optiikan diffraktio-ominaisuuksien peittoon eikä systeemillä pystyisi koskaan hyödyntämään rauhallisen ilmakehän etuja. Fotometriassa tällä ei yleensä ole väliä, mutta se estäisi systeemin käytön kaikkein ruuhkaisimpien tähtikenttien mittaamiseen (tähtijoukkojen tiiviit ytimet).
Systeemin toinen pulma liittyy siihen, että se käytännössä pilkkoo yhden valotuksen suurella optiikalla moneksi alivalotukseksi pienillä optiikoilla. Vaikka valonkeräyspintaa olisi muuten roimasti, kerää jokainen käyttämistäsi diodeista valoa vain pieneltä pinta-alalta. Himmeät kohteet peittyvät lukuelektroniikan kohinaan siis samalla skaalalla kuin yksittäisiä pieniä optiikoita käytettäessä vaikka valoa keräävä kokonaispinta-ala olisi satoja neliömetrejä. Ongelmasta pääsee kätevästi keräämällä samasta kohteesta tuleva valo kaikista alaoptiikoista samalle pikselille eli käyttämällä yksittäistä isoa optiikkaa.
Vastauksina viimeisiin kysymyksiin, 32-bittisyys on oikein hyvä asia tähtitieteessä. Digitoidun datan koon tuplaaminen ei paljoa maksa, mutta datan diskretoinnista seuraavan epävarmuuden pitäisi aina olla muita kohinalähteitä pienempi. Muuten tarkkojen mittausten saaminen kyseenalaistuu aika lailla. Tähtien etäisyyttä ei tosin voi mitata pelkän kirkkauden perusteella. Silloin pitäisi tietää lähtökohdaksi tähtien absoluuttinen kirkkaus, joka tyypillisesti saadaan laskettua nimenomaan etäisyyden perusteella.
Galaksien spektrit ovat hyvinkin hyödyllisiä. Punasiirtymän lisäksi niistä voi tutkia galaksien koostumusta eli esim. tähtipopulaatioita ja niiden syntyhistoriaa ja galaksin tähtien tyypillistä kemiallista koostumusta. Spektreistä saadaan tietoa myös tähtien nopeuksista galaksien sisällä, millä voidaan tutkia massan jakaumaa niissä (pimeä aine, ytimen musta aukko).
Ehdin vielä kommentoimaan paria seikkaa viimeisestä. Jos kuitukimpun ulostulo on 100 mm x 100 mm, niin se voidaan myös "levittää" puolipallolle siten, että kunkin kuidun päässä on fokusointilinssi, joka kohdistaa kuidun valon yhdelle ja samalle valoilmaisimelle (fotometriselle tai spektrometriselle). Näin kaikkien linssien valo summautuu optisesti yhteen ja fotometriaa voitaisiin tehdä ehkä meren pinnan tasolla selkeällä säällä (vähentää matkavuorokausia).
Tähtien etäisyyden voisi periaatteessa mitata etäisyyden käänteisneliön avulla maan radan eri osista. Kun eri vuodenaikkaan suoritetuista mittauksista tehdään hieman calculusta, havaitaan, että etäisyyden mittaustarkkuus riippuun havaintopisteiden keskinäisestä välimatkasta. Esim jos siirrät putkea metrin verran taaksepäin, voit mitata pistelähteen absoluuttisen etäisyyden muutaman kilometrin matkalta 16-bittisellä ilmaisimella. Kaavan johto vie muutaman rivin paperia.
Lainaus käyttäjältä: tomipa - 26.12.2012, 18:59:01
Tähtien etäisyyden voisi periaatteessa mitata etäisyyden käänteisneliön avulla maan radan eri osista. Kun eri vuodenaikkaan suoritetuista mittauksista tehdään hieman calculusta, havaitaan, että etäisyyden mittaustarkkuus riippuun havaintopisteiden keskinäisestä välimatkasta. Esim jos siirrät putkea metrin verran taaksepäin, voit mitata pistelähteen absoluuttisen etäisyyden muutaman kilometrin matkalta 16-bittisellä ilmaisimella. Kaavan johto vie muutaman rivin paperia.
Voisi toimia vain Maan ratatasossa oleviin kohteisiin. Lähimpiin tähtiin tuo suhde olisi 1m/130km. Muut vaihtelut hukuttaisivat tuon kirkkausmuutoksen. Parallaksi mittauksella päästään vaivattomammin paljon pidemmälle.
Kaizu
Vielä yksi kommentti. Tuo etäisyysmittaus menee hieman sivuun aiheesta, ja tosiaan parallaksimenetelmä on parempi. Tuli vain vielä mieleen, että digitointitasoja saadaan N-määrä, kun valotetaan esim. 10 digitointitasoa vakiokohteesta ja mitataan aika yhden valotustason täyttymiseen. 11. tason osa, kun valotus lopetetaan, on täyttyneiden tasojen harmaasävyn numero plus täyttymättömän tason mittaamiseen kulunut aika verrannollisena täyttymisnopeuteen.
Lainaus käyttäjältä: tomipa - 26.12.2012, 20:14:15
Tuli vain vielä mieleen, että digitointitasoja saadaan N-määrä, kun valotetaan esim. 10 digitointitasoa vakiokohteesta ja mitataan aika yhden valotustason täyttymiseen. 11. tason osa, kun valotus lopetetaan, on täyttyneiden tasojen harmaasävyn numero plus täyttymättömän tason mittaamiseen kulunut aika verrannollisena täyttymisnopeuteen.
Että mitä? Saisiko tästä selkokielisen esityksen jossa kerrotaan mihin pyritään ja miten siihen päästään? Tai mielummin vaikka kuvan. Nyt en ymmärtänyt edes mihin asia oikein liittyy. :embarrassed:
Niin, tästä minulla on vain yksi pdf-dokumentti kotopuolessa. Ja tämäkin osadigitointi on vain idea, eikä siihen ole vielä olemassa teknologiaa. Yritän hieman avata lisää. Jos meillä on käytössä 8-bittinen kamera eli 256 harmaasävyä ja tähteä valotetaan sopivasti, sanotaan 100 harmaasäyvä, niin emme tiedä, onko seuraaava harmaasävytaso osittain täyttynyt. Digitaalikamerassa on ilmeisesti komparaattori, joka kertoo, kun varausvarasto on täyttynyt ja ottaa käyttöön seuraavan varausvaraston (kondensaattoriko?). No koska luultavasti järjestysnumeroltaan 101. varausvarasto on ehkä osittain täyttynyt, ehdotan, että mittaamaan ajan kellolla edellisten komparaattorioperaatioiden kestolle. Nyt mitattu aika jaetaan sadalla, jolloin saadaan keskimääräinen varausvaraston täyttymisaika. Kun valotuksen loppuaika (sulkimen sulkeutuminen) mitataan myös tarkasti fotoilmaisimella, niin tiedätään montako mikrosekuntia 101. varausvarasto on kerännyt valoa. Oikeasti emme pysty mittaamaan elektronien lukumäärää, koska komparaattori ei ole lauennut. Voimme kuitenkin laskennallisesti lisätä 100. harmaasävyyn termin, joka on yhtä suuri kuin varausvaraston täyttymisen ja suljinajan erotus kertaa täyttymisnopeus (100 varaston keskiarvo).
Voi olla, että tällainen digikameran ylikellottaminen ei toimi. Ja joka tapauksessa se toimii vain lineaarisessa tapauksessa - ei sykkivälle tähdelle. En ole testannut tätä, kyseessä on vain idea.
Lainaus käyttäjältä: tomipa - 27.12.2012, 08:46:17
Digitaalikamerassa on ilmeisesti komparaattori, joka kertoo, kun varausvarasto on täyttynyt ja ottaa käyttöön seuraavan varausvaraston (kondensaattoriko?).
Ei ole, vaan jokainen pikseli on kaivo johon kertyy elektroneita sen verran kuin kertyy, ilman mitään erillisiä hyllyjä. Kertyneiden elektroneiden varaus saa aikaan jännitteen, joka luetaan analogisena ja digitoidaan kuvan lukemisen yhteydessä (elikkäs kyseessä on AD-muunnos).
Tästä syystä ei yhden digitointitason täyttymiseen kuluvaa aikaa voi mitata, kun koko tasojen käsite syntyy vasta ihan loppuvaiheessa kuvan lukemisessa.
Lainaus käyttäjältä: tomipa - 27.12.2012, 08:46:17
Voi olla, että tällainen digikameran ylikellottaminen ei toimi. Ja joka tapauksessa se toimii vain lineaarisessa tapauksessa - ei sykkivälle tähdelle. En ole testannut tätä, kyseessä on vain idea.
Noin nopeasti sykkiviä tähtiäkin taitaa olla, mutta se on aika marginaalinen tapaus tämän sovelluksen kannalta. Paljon pahempi ongelma on se, että kohteista ei tule minkäänlaista tasaista lineaarista fotonivuota, vaan havaittujen fotonien lukumäärä tietyn pituisen valotuksen aikana noudattaa Poisson-jakaumaa, ts. niitä tulee ihan mihin tahtiin sattuu, mutta kirkkaammista kohteista keskimäärin enemmän. Lisätietoa: http://en.wikipedia.org/wiki/Shot_noise
Lainaus käyttäjältä: Lauri Kangas - 27.12.2012, 13:10:51
Ei ole, vaan jokainen pikseli on kaivo johon kertyy elektroneita sen verran kuin kertyy, ilman mitään erillisiä hyllyjä. Kertyneiden elektroneiden varaus saa aikaan jännitteen, joka luetaan analogisena ja digitoidaan kuvan lukemisen yhteydessä (elikkäs kyseessä on AD-muunnos).
Lisäksi oikeissa CCD:ssä digitointitasot ovat melkoisen lähellä toisiaan. Tyypillisesti kennon lukuelektroniikka suunnitellaan niin, että jokaista digitointitasoa vastaa 0,5-2 pikselille kertynyttä elektronia. Parhaimmillaan yksi digitoitu yksikkö kuvaa siis pienempää varausta kuin vapaan varauksen kvantti. Pointtihan tässä on se, että näin mittauksen diskretoinnista seuraavat virheet saadaan todella puristettua fysiikasta seuraavien epävarmuuksien alle.
Hyviä huomioita edelliset. Tämä idea ei siis toimi, jos muutoinkin havaitaan yksittäisiä elektroneja. Olen muutenkin mukavuusalueeni ulkopuolelle eli elektroniikassa. Ennen kommenttien lukemista piirsin vielä oheisen kuvan, jossa ajattelin, että yksittäisiä fotonin aikaansaamia elektroneja voitaisiin lukea analogisesti nopean komparaattorin avulla. Analoginen binääärilogiikka olisi asetettu viiden sigman verran valkoisen kohinatason yläpuolelle, josta halutaan ilmaista pistekohinaa tai fotonin indusoimia elektroneja. Jokainen ilmaisu tuottaa loogisen ykkösen ja analogia palautuu odottamaan uutta ilmaisua. Ehkä signaali voitaisiin vielä digitoida tämän jälkeen käsiteltäväksi. No, tämä ajatuspolku on taidettu jo kaluta läpi.
Sen sijaan digitoidusta signaalivektorista voidaan ylipäästösuodattaa valkoista kohinaa seuraavasti. Kopioidaan datavektori ja summataan se yhden digitointiaskeleen verran alkuperäisen datavektorin jälkeen. Jaetaan kahdella, jolloin kohina pienenee signaalin pysyessä muuttumattomana. Otetaan jälleen kopio ja summataan yhden digitoinitaskeleen verran edellistä summaa ennen ja taas keskiarvotetaan. Jatketaan luuppia niin kauan kunnes saadaan haluttu S/N-suhde. Kaksiulotteisille kuvamatriiseille digitointiaskeleen suuruista summaliikuttelua voidaan tehdä kahdeksaan suuntaan. Tämä tosin lienee jo olemassa jonakin digitaalisuotimena, jonka nimeä en tiedä?
Vissiin "Blur". Yksityiskohtia poistuu vain yhden askeleen verran, koska siirto tehdään vuoron perään edestakaisin. Siis alla täytyy olla vähintään kolmen pikselin pituinen jatkuva signaali.
Lainaus käyttäjältä: tomipa - 27.12.2012, 18:02:47
Kaksiulotteisille kuvamatriiseille digitointiaskeleen suuruista summaliikuttelua voidaan tehdä kahdeksaan suuntaan. Tämä tosin lienee jo olemassa jonakin digitaalisuotimena, jonka nimeä en tiedä?
Nimeltään "blur", löytyy kaikista kuvankäsittelyohjelmista, mutta on valitettavasti aika huono työkalu kohinan suodattamiseen. :smiley: Tai no poistuu sillä kohina, mutta niin poistuu yksityiskohdatkin.
valokuvan tuottamiseen perinteisempi yksi linssi/peili + ccd-kenno lienee parempi.
Kuitukytkettyä detektoria käytetään yleensä kameraa paremman aikaresoluution, ja/tai kvanttitehokkuuden, saamiseksi.
Avalanche fotodiodi, tai perinteisempi valomonistinputki, saa kerättyä huomattavan määrän siihen osivusta fotoneista ( yli 50%) - nykyään vain kalliit EM-CCD:t pääsevät lähelle tuota.
Piste-detektorilla päästään helposti "aikaleimaamaan" sisääntulevat fotonit esim 1ns tarkkuudella. Nopea EM-CCD kamera pääsee ehkä 1ms valotusaikaan, luultavasti huonommalla kvanttitehokkuudella.
Erilaisiin interferometria-kokeisiin, "synthetic aperture radar", jne. juttuihin tuollainen läjä pistedetektoreita voi olla hyödyllynen.
Radioastronomian puolella tämä on keksitty jo 1950-luvulla, googleen "Hanbury Brown Twiss" ja lukemaan...
Anders
Lainaaparemman aikaresoluution, ja/tai kvanttitehokkuuden, saamiseksi...
Kvanttitehokkuudesta puheenollen, optisten pintojen lukumäärä kannattaa minimoida, jos mitataan pientä valoa. Jos halutaan toimia kuidun koko transmittanssialueella 350 - 2500 nm, niin heijastuksenestopinnoitteita ei voi käyttää. Niinpä kuvaamani miinuslinssi on jätettävä pois. Näkökenttää voidaan säätää liikuttamalla kuitumatriisia lähemmäksi ja kauemmaksi linssistä (xyz-mikrosäätö). Airy-ympyrän minimien halkaisijalla laskettuna kuidun on oltava melko suuriytimistä, 30 um. f = 1000 mm ja D = 100 mm optiikalla miniminäkökentäksi nähdään 30 urad, en osaa suoraan sanoa tätä kaarisekunteina. Maksiminäkökenttä on varmaan tarpeeksi suuri. Toisessa kuidun päässä tarvitaan uutta tekniikkaa: erillistä fokusointilinssiä ei ole syytä käyttää, vaan kuidun pää olisi hiottava siten, että se itsefokusoituu esim. 200 mm etäisyydellä olevaan puolijohde- tai valomonistinputkidetektoriin. Tällainen mikrohionta voi olla vaativaa tai sitten ei (muottia vasten).
LainaaErilaisiin interferometria-kokeisiin, "synthetic aperture radar", jne. juttuihin tuollainen läjä pistedetektoreita voi olla hyödyllynen.
Radioastronomian puolella tämä on keksitty jo 1950-luvulla, googleen "Hanbury Brown Twiss" ja lukemaan...
Mielenkiintoinen idea. Ilmeisesti koherenssiominaisuuksien tai vaihtoehtoisesti interferometristen mittausten tekemisessä optinen matka pitäisi olla sama jokaiselta linssiltä ilmaisimelle. No, matkasta tulee sama, kun kuitujen pituudet ovat samat. Jos sen sijaan halutaan mitata fotonivuon aikakehitystä esim. sitä saapuuko sama fotoni yhtäaikaa kaikille ilmaisimille, niin tehdään esim. 100 kpl kuiduista 0,2 metriä erimittaisia. Valo viivästyy tässä mitassa 1 ns:n verran, jonka nopea ilmaisin voi havaita. Yhdestä fotonista pitäisi tulla siis 100 erillistä havaintoa. Jos joku puuttuu, kyseessä voi olla uusi fysiikka tai ilmakehän häiriöt. Kuinka kaukana x-suunnassa fotoni on kvantittunut itsestään? Optisesta SAR:sta en tiedä. Eikös SAR-kuvaan tarvita hiukkasvuon ja aallon lisäksi vaiheinformaatio? Tietääkseni näin pitkiä polarisaation säilyttäviä optisia kuituja on hankala löytää...
Vielä tuli mieleen, että nopeaa spekroskopiaakin voidaan tehdä? Asetetaan kuidun alkupäätä ennen lasilevy hyvin lähelle kuitua (toinen z-mikrosäätö nyt lasilevylle), jolloin saadaan aikaiseksi Fabry-Perot suodin. Nähdäkseni 1000 mm polttovälin päässä linssin kokoamat valonsäteet ovat tarpeeksi yhdensuuntaisia interferenssiin.
Luin googlesta "http://www.sandia.gov/RADAR/whatis.html" SAR:sta, josta tulikin mieleen uusi idea. Jos otetaan pienempi matriisi tai optinen grid, sanotaan 99 x 99 kpl, f = 100 mm, D = 10 mm, niin saataisiinko laserkeilaimella entistä tarkempia kuvia? Jos keskimmäisellä linssillä lähetetään moodilukittu pulssijono, niin voidaanko kohteesta heijastunut pulssisarja havaita 9800:lla vastaanotinlinssillä? Nopealla detektorilla voitaneen mitata kohteesta heijastunut ja detektorille summautunut pulssi nanosekunnin osissa. Nyt metrin mittaisia polarisaation säilyttäviä kuituja lienee olemassa. Pulssit tosin saapuvat ilmaisimeen hieman eri aikaan, koska 1000 mm linssimatriiisin reunoilta kohteeseen on pidempi matka kuin keskeltä. Tällöin ilmaisimessa tapahtunee kaikenlaista mielenkiintoisia interferenssi-ilmöitä, jos koherenssipituus on riittävä. Ehkä päästään tarkempaan etäisyysresuluutioon kuin pelkässä time-of-light mittauksessa? Ehkä myös väliaineen tai kohteen liike näkyisi mittauksessa? Jos keilainta lennätetään eteenpäin, saataneen kuvakin aikaiseksi.
No tämäkin vaatisi laskemista ja huomattavaa pähkäilyä. Teen sen myöhemmin; kunhan heitin raakaideana. :tongue: Yhden metrin vastaanotinoptiikalla lidar-satelliitillakin voisi havaita luonnosta ja ympäristöstä kaikkea tutkimisen arvoista.
Lainaus käyttäjältä: tomipa - 29.12.2012, 04:50:42
Toisessa kuidun päässä tarvitaan uutta tekniikkaa: erillistä fokusointilinssiä ei ole syytä käyttää, vaan kuidun pää olisi hiottava siten, että se itsefokusoituu esim. 200 mm etäisyydellä olevaan puolijohde- tai valomonistinputkidetektoriin. Tällainen mikrohionta voi olla vaativaa tai sitten ei (muottia vasten).
Mielenkiintoinen idea. Ilmeisesti koherenssiominaisuuksien tai vaihtoehtoisesti interferometristen mittausten tekemisessä optinen matka pitäisi olla sama jokaiselta linssiltä ilmaisimelle. No, matkasta tulee sama, kun kuitujen pituudet ovat samat.
Valo kulkee kuidussa kokonaisheijastumalla kuidun sisäosan seinämistä. Kuidun päästä se lähtee ulos viimeisen heijastuman ja kuidun pään ja ilman rajapinnan määräämässä suunnassa. Käytännössä kuidun päästä valo lähtee taitekertoimien määrittämään kartioon. Valo voidaan koota optiikalla ilmaisimelle. Ilmaisimen pinnassa näkyy optiikan muodostama kuidun pään kuva.
Kuidun päästä eri suuntiin lähteneiden fotonien matka ilmaisimelle on eri mittainen. Valon kulkema matka kuidun sisällä riippuu valun tulosuunnasta kuidun alkupäähän sekä kuidun muodosta, mutkista jne. Kuituun eri suunnista tulevien välonsäteiden kulkema matka ei ole yhtä pitkä.
Lainaa
Jos sen sijaan halutaan mitata fotonivuon aikakehitystä esim. sitä saapuuko sama fotoni yhtäaikaa kaikille ilmaisimille, niin tehdään esim. 100 kpl kuiduista 0,2 metriä erimittaisia. Valo viivästyy tässä mitassa 1 ns:n verran, jonka nopea ilmaisin voi havaita. Yhdestä fotonista pitäisi tulla siis 100 erillistä havaintoa. Jos joku puuttuu, kyseessä voi olla uusi fysiikka tai ilmakehän häiriöt. Kuinka kaukana x-suunnassa fotoni on kvantittunut itsestään? Optisesta SAR:sta en tiedä. Eikös SAR-kuvaan tarvita hiukkasvuon ja aallon lisäksi vaiheinformaatio? Tietääkseni näin pitkiä polarisaation säilyttäviä optisia kuituja on hankala löytää...
Fotoni on kvantti. Yhdestä fotonista tulee yksi havainto, jos sitäkään.
Kaizu
Kiitos Kaizulle hyvästä keskustelusta ja peruskuituoptiikan muistinvirkistyksestä. Taisi olla unihiekkaa vielä silmässä. Kuidun sisäisesti kokonaisheijastunut fotoni tosiaan voi tulla isommassa kulmassa (NA:n määrämänä) ulos kuin sisäänmennessään, jos kuidussa on jyrkkiä mutkia matkalla. Tämä tuottaa tilanpuutteen ilmaisimen päässä. Jokainen kuitu tarvinnee oman kuvauslinssin, joita puolipallolle mahtunee kymmeniä ei tuhansia.
Siis linsseillä ei saa aikaan miljoonaa summasignaalia. Vai keksiikö joku toisen tavan kuvata kuidun päät ilmaisimelle? Kuituja voidaan yhdistääkin vain kymmeniä samaan ulostulokuituun. Ehkä ilmaisimesta voitaisiin tehdä niin iso, että suurempi kuitunippu voidaan tuoda päästään kiinni ilmaisimeen? Tietysti iso ilmaisin on hidas. Voisiko aurinkokennoa jotenkin herkistää?
Pikaisesti laskien 100 mm ilmaväli vaatii ainakin 18 mm kuvauslinssin. Vastaavan puolipallon kehälle niitä mahtuu riviin n. 8. Joku voisi laskea, miten monta linssiä puolipallolle voidaan optimaalisesti asetella, kun kuidun numeerinen apertuuri tiedetään. Jos valo tulisi kuidusta yhtä pienessä kulmassa ulos kuin mennessää sisään, linssiä voisi ehkä pienentää millillä. Toinen vaihtoehto on käyttää ensin kollimointilinssiä ja sitten hyvin pitkäpolttovälistä "fokusointilinssiä".
LainaaFotoni on kvantti. Yhdestä fotonista tulee yksi havainto, jos sitäkään.
Juuri näin.
Tuli vielä kerran mieleen kääntää ajatus ympäri:
GRID Peiliteleskooppi
- - - - - - - - - - - - - - -
Jos kuidun paksuus on vaikka 100 um, niin neliösenttiin mahtuu kimpussa 100 x 100 = 10 000 kuitua. Tämä voidaan kuvata linssillä yksi yhteen neliösentin valoilmaisimelle kuten APD:lle tai valomonistinputkelle. Nyt kuitenkin alkuperäisestä valovoimasta pitää tinkiä tai joudumme kasvattamaan valonkeräysyksikön pinta-alaa. Linssitoteutuksella jo D = 200 mm linssi alkaa jo painaa, joten ehkä viisainta olisi käyttää peiliä. Käännetään vain kuitumatriisi alaspäin ohuen kennorimotuksen varaan. Laitetaan kunkin kuidun alle parabolinen f = 1000 mm peili. Jos peilin halkaisija on vaikka 0,5 metriä, saadaan jo tällä mitoituksella 50 m x 50 m grid-peiliteleskooppi. Ehkä peilin ei tarvitse olla aivan huippulaatuinen, jos kuidun ydin säilytetään 30 um:ssä. Tosin tämä kokoinen hyvänlaatuinen peili tuottaisi jo sen verran pienen diffraktion, että kuidun ydin voitaisiin tiputtaa 10 um:n alle. Pienempiä kuituja voitaisiin kuvata toisessa päässä useampia kappaleita ilmaisimelle. En tiedä kuinka kalliita puolen metrin peilit ovat. Huonolaatuisina (hiomittomina) ne olisivat varmaan halvempia ja voitaisiin varmaankin taivuttaa muotin päälle tasolasista sekä metalloida.
Lainaus käyttäjältä: Kaizu - 29.12.2012, 10:37:25
Valo kulkee kuidussa kokonaisheijastumalla kuidun sisäosan seinämistä. Kuidun päästä se lähtee ulos viimeisen heijastuman ja kuidun pään ja ilman rajapinnan määräämässä suunnassa. Käytännössä kuidun päästä valo lähtee taitekertoimien määrittämään kartioon. Valo voidaan koota optiikalla ilmaisimelle. Ilmaisimen pinnassa näkyy optiikan muodostama kuidun pään kuva.
Kuidun päästä eri suuntiin lähteneiden fotonien matka ilmaisimelle on eri mittainen. Valon kulkema matka kuidun sisällä riippuu valun tulosuunnasta kuidun alkupäähän sekä kuidun muodosta, mutkista jne. Kuituun eri suunnista tulevien välonsäteiden kulkema matka ei ole yhtä pitkä.
Kun kuitu on riittävän ohut (single mode), tulee sinne menevällä valolla niin ahdasta ettei nuo geometriseen optiikkaan perustuvat järkeilyt enää oikein toimi. Valo etenee kuidussa sellaisena mystisenä aaltomössönä ja tulee ulos hyvin siistinä kuviona riippumatta siitä minkä muotoisena se on kuidun alkupäähän yritetty tunkea.
Myös kuitusysteemeillä voidaan rakentaa ihan toimivia interferometrejä kuten tämän tyylinen Mach-Zender: http://www3.ntu.edu.sg/mae/research/programmes/sensors/sensors/fos/Image36.gif
Itse olen tosin käyttänyt kuituja interferometreissä lähinnä valonlähteenä, ja kuidusta ulostulon jälkeen säteet ovat perinteistä ilmassa lilluvaa, peilien kautta poukkoilevaa mallia.
Lainaus käyttäjältä: Kaizu - 29.12.2012, 10:37:25
Fotoni on kvantti. Yhdestä fotonista tulee yksi havainto, jos sitäkään.
Eikös elektronikin ole vain yksi kvantti. Thomas Young sai sellaisen menemään yhtä aikaa kahden raon läpi.
Lainaus käyttäjältä: Lauri Kangas - 29.12.2012, 19:11:43
Eikös elektronikin ole vain yksi kvantti. Thomas Young sai sellaisen menemään yhtä aikaa kahden raon läpi.
Eikö Thomas saanut nimenomaan valonsäteen kulkemaan kahden raon läpi yhtaikaa ja osoitti että Newtonin hiukkaspohjainen selitys oli satua.
Jälkeenpäin on kokeellisesti todettu että interferenssikuvio häviää jos yksittäiset fotonit havaitaan jomman kumman raon kohdalla.
Kaizu
Totta Kaizu turisee, Laurilla (ja minullakin irkissä) meni Thomas Young ja George Thomson sekaisin. Thomson osoitti kyllä elektronin aaltoluonteen, mutta sitäkään ei tehty kaksoisrakokokeella, jonka ensimmäisenä elektroneille näyttää tehneen vasta 1961 herra nimeltä Clauss Jönsson. Lähteet wikipediassa.
Tämän ketjun kannalta tärkeää on kuitenkin Kaizunkin huomauttama: yhtä fotonia ei koskaan mitata moneen kertaan. Edes kaksoisrakokokeessa (jossa mitataan yhden fotonin (tai elektronin) interferenssi itsensä kanssa).
Lainaayhtä fotonia ei koskaan mitata moneen kertaan.
Ei ehkä pitäisi kaverin irkkumusiikkikeikan fiiliksissä kommentoida tiedettä, mutta olkoon menneeksi. Tein virheen muistellessani kaksoisrakokokeen kuvaa: siinähän interferenssikuva muodostui
tilastollisesti yksittäisistä fotoneista, kun ne olivat läpäisseet kaksoisraon. Mustaan kuolokohtaan ei kuitenkaan yksikään fotoni osunut. Siis yksi fotoni saa aikaan yhden "valotusjäljen" havaintolevyllä. Jos fotonit tulevat eri aikaan eri aukkoja pitkin, niin siitä huolimatta ilmaisimelle pitäisi muodostua interferenssikuvio? Miten tämä toimii matemaattisesti kuvattuna? Pitääköhän tämä paikkansa myös tähtifotonien ja erillisten kuituoptiikoiden kanssa. Ehkä sen saisi selville jos viestiketjun 1 cm
2 ilmaisimen korvaisikin riviilmaisimella tai CMOS-kennolla? Vaan on rakojen välimatkakin 1 -50 m alkupäässä, 100 um - 10 mm loppupäässä ja fotonien matka on 1 AU - 12 mrd valovuotta... Ei mahda toimia.
Vaan onko tuossa tähdestä tuleva valo koherenttia ja polarisoitua? Periaatteessahan meillä pitäisi olla kaksoisrako, koska käytössä on kuidun kaksi päätä. Polarisaatio voidaan aikaansaada suotimella, jos se on välttämätön ehto kaksoisrakokokeelle. Mutta missä vaiheessa fotonin aaltofunktio romahtaa? Jos tiedämme kuitujen järjestyksen, romuttaako se jo kokeen? Vai kuitujen kasvava välimatka... Tämä koe voidaan toistaa tarvittessa vaakatasossa vastaavalla kuituilmaisinsysteemillä ja esim. jatkuvalla HeNe-laserilla. Voidaanko aaltofunktion kantama mitata, vai olisiko se ääretön.
Jep mutta ehkä ei kannata tehdä uutta fysiikkaa aamuyöstä ennen kuin tiedätään, toimisiko uusi havaintolaite lainkaan. Olen mielissäni, jos joku osoittaa maalaisjärjellä ajateltuna tai laskemalla, että kuvaamallani teleskoopilla ei ole mahdollista laajentaa nykyistä mittauskapasiteettia...
Oma kommentti vielä: yksimuotokuidut lienevät vaippansa takia liian kaukana toisistaan kaksoisrakokoetta varten, jotta interferenssin voisi erottaa varjostimella? Ja jos yksittäisiä fotoneja yritetään siepata valolevylle ulostulon jälkeen, niin mistä tiedetään, mihinkä kuidun avauskulman suunnista fotoni hyppää kuidusta ulos. Eikä taida olla ihan palloaalto, koska avauskulmaa rajoittaa NA. Toisaalta ilmaisimen etäisyyttä kuidun päästä voidaan säätää. No tätä dialogia voi käydä itsensä kanssa loputtomiin, jos asiaa ei pääse kokeilemaan... ;)
Suosittelen Feynmanin kirjaa QED. Siinä käsitellään fotonien käyttäytymistä kaksoisrakokokeessa sekä muissa erikoisissa tilanteissa, mm osittaisheijastuksessa. Samassa yhteydessä ilmenee että maalaisjärki ei ole kvanttimekaniikan työkalu.
Kaizu
Palaan tällä erää viimeisen kerran otsikon aiheeseen eli laitetekniikkaan.
Tuumin aiemmin, että voisiko 10 000:lla 0,5 metrin huonolaatuisella (= halvalla parabolisella tasolasi-) peilillä fokusoida valoa suuriytimisiin (30 - 60 um) valokuituihin. Kuorimalla vaipat näkyville kuidut voidaan toisesta päästään niputtaa tiiviisti noin 100 x 100 kuitukimpuksi, jonka pinta-ala on noin 1,25 x 1,25 cm. Kimppu voidaan tuoda suoraan kiinni APD- tai matriisi-ilmaisimen pintaan, jolloin kukin kuitu valottaisi yhdestä kymmeniin ilmaisimen pikseliä.
Jos kukin halvasta keräyspeilistä käännetään hieman poispäin toisistaan xy-mikrosäädöillä (vaatinee hienostunutta tietokoneohjausta), en näe mitaan syytä, miksi taivaasta ei voitaisi kerralla valottaa valovoimaista 10 000 pikselin kuvaa. Toki resoluutio on heikko, mutta kuvia voidaan ehkä ottaa vierekkäin eri valotuksilla, jolloin saadaan isompia kuvia koostettua.
Siis yhteenvetona: verkkolinsssikaukoputkea tai grid-peiliteleskooppia voitaisiin mahdollisesti käyttää fotometriaan, spektroskopiaan ja tähtikuvaukseen. Tietysti joku tekninen asia, kuten kuitujen absorptio tai dispersio, kohteen seuranta tai komponenttien hinta voivat tehdä ajatuksen mahdottomaksi. Kiitoksia kuitenkin kaikille keskustelusta tällä erää.