Verkkolinssikaukoputki

[Lauri Kangas]

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. Tai no poistuu sillä kohina, mutta niin poistuu yksityiskohdatkin.

[awallin]

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

[tomipa]

paremman 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).

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...

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. 

[tomipa]

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.  Yhden metrin vastaanotinoptiikalla lidar-satelliitillakin voisi havaita luonnosta ja ympäristöstä kaikkea tutkimisen arvoista.

[Kaizu]

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.

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

[tomipa]

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".

Fotoni 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.

[Lauri Kangas]

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.

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.

[Kaizu]

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

[jussi_k_kojootti]

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).

[tomipa]

yhtä 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 cm² 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... ;)

[Kaizu]

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

[tomipa]

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.