Спектрограф интегрального поля - Integral field spectrograph - Wikipedia

An спектрограф интегрального поля, или спектрограф оснащен интегральный полевой блок (ЕСЛИ ТЫ), представляет собой оптический прибор, сочетающий спектрографические возможности и возможности визуализации, используемый для получения пространственно разрешенных спектры в астрономия и другие области исследований, такие как биомедицина и наблюдение Земли (или же дистанционное зондирование ).

Обоснование

Спектроскопия интегрального поля (IFS) стала важной отраслью астрономии с распространением телескопов с большой апертурой и высоким разрешением, где необходимо изучать спектры протяженных объектов в зависимости от положения или скоплений множества дискретных звезд или точечных источников в небольшом поле. Такой спектроскопический исследования ранее проводились с спектрографы с длинной щелью в котором спектр рассредоточен перпендикулярно щели, а пространственное разрешение получается в измерении вдоль щели. Затем, изменяя положение щели, можно получить спектр точек в изображаемом поле, но процесс сравнительно медленный и расточительный из-за потенциально ограниченного времени телескопа. Спектрографы интегрального поля используются для ускорения таких наблюдений за счет одновременного получения спектров в двумерном поле. Поскольку пространственное разрешение телескопов в космосе (а также наземных инструментов, использующих адаптивную оптику) быстро улучшилось в последние годы, потребность в таких мультиплексированных инструментах становится все более и более насущной.

Методы

Анимация, показывающая галактику NGC 7421 с МУЗА данные. На анимации показаны последующие срезы линии азота, испускаемые области звездообразования. Анимация начинается с изображения с более синей длиной волны и продолжается с более красной длиной волны. Из-за вращение Галактики эмиссионные линии меньше красное смещение с левой стороны.

Слайсер изображений

В этом подходе изображение нарезается[1] (используя, например, слайсер изображений Bowen[2][3]) в плоскости изображения и перекомпонован так, что все разные части изображения попадают на щель и рассеивающий элемент, так что спектр получается для большей интересующей области. Другой способ думать об этом заключается в том, что щель оптически разрезается на более мелкие части и повторно отображается на плоскости изображения в нескольких местах.

Инструмент, использующий эту технику, например, UVES.[4][5] на Очень большой телескоп.

Массив линз

В этом типе IFU матрица линз размещается в плоскости входных щелей спектрографа, по существу действуя как пространственные пиксели или спаксели. Все лучи, генерируемые массивом линз, затем проходят через рассеивающий элемент и отображаются камерой, в результате чего получается спектр для каждой отдельной линзы.

Такие инструменты, как SAURON[6] на Телескоп Уильяма Гершеля и СФЕРА IFS[7] подсистема на VLT используйте эту технику.

Волокна

Здесь свет интересующих целей улавливается массивом волокон, образующих плоскость входных щелей спектрографа. Другой конец волокон расположен вдоль одной щели, так что можно получить спектр для каждого волокна.

Этот метод используется инструментами многих телескопов (например, INTEGRAL[8] на Телескоп Уильяма Гершеля ), и особенно в продолжающихся в настоящее время крупных обзорах галактик, таких как КАЛИФА[9] на Обсерватория Калар-Альто, САМИ[10] на Австралийская астрономическая обсерватория, и MaNGA[11] который является одним из опросов, составляющих следующий этап Sloan Digital Sky Survey.

Спектроскопия разнообразного поля

Недавняя разработка разнообразная полевая спектроскопия который сочетает в себе преимущества IFS с многообъектная спектроскопия (MOS). МОП используется для сбора света от множества дискретных объектов в широком поле. Это не регистрирует пространственную информацию - только спектр общего света, собираемого в каждой апертуре отбора проб (обычно сердцевина позиционируемого оптического волокна или прорезь в маске в фокусе телескопа).

Напротив, IFS обеспечивает полное покрытие с пространственным разрешением на небольшом поле. Цели MOS обычно представляют собой слабые объекты на пределе обнаружения, такие как первобытные галактики. По мере того, как телескопы становятся больше, становится очевидным, что они на самом деле имеют пятнистую и запутанную структуру, которая требует от наблюдателя тщательно выбирать, какие части поля будут проходить через спектрографы, поскольку невозможно покрыть все поле одним огромным IFU. .

DFS - это инструментальная парадигма, которая позволяет наблюдателю выбирать произвольные комбинации смежных и изолированных областей неба, чтобы максимизировать эффективность наблюдений и научную отдачу. Разрабатываются различные технологии, в том числе роботизированные переключатели и фотонно-оптические переключатели.

Другие подходы

Другие методы могут достичь тех же результатов на разных длинах волн. ACIS Усовершенствованный ПЗС-спектрометр на НАСА Рентгеновская обсерватория Чандра это пример получения спектральной информации путем прямого измерения энергии каждого фотона. Этот подход намного сложнее на более длинных волнах, потому что фотоны менее энергичны. Однако прогресс был достигнут даже в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн с использованием пиксельных детекторов, таких как сверхпроводящие туннельные переходы. На радиоволнах одновременная спектральная информация может быть получена с помощью гетеродинных приемников.

Гиперспектральная визуализация

В более общем смысле, интегральная полевая спектроскопия - это подмножество методов построения трехмерных изображений (также известных как гиперспектральное изображение и 3D-спектроскопия). Другие методы основаны на создании разности хода между мешающими лучами с использованием методов электромеханического сканирования. Примеры включают Спектроскопия с преобразованием Фурье используя Интерферометр Майкельсона макет и Интерферометрия Фабри – Перо. Хотя в первом порядке приближения все такие методы эквивалентны в том смысле, что они генерируют одинаковое количество элементов разрешения в куб данных (с осями, помеченными двумя пространственными координатами плюс длина волны) в то же время, они не эквивалентны, когда рассматриваются источники шума. Например, сканирующие инструменты, хотя и требуют меньшего количества дорогостоящих детекторных элементов, неэффективны при изменении фона, потому что, в отличие от IFS, экспонирование сигнала и фона не производится одновременно. Для биомедицинской науки, in vivo исследования также требуют одновременного сбора данных.

Рекомендации

  1. ^ "Image Slicer". Получено 30 ноября 2012.
  2. ^ "Срез изображения". Британская энциклопедия. Encyclopdia Britannica, Inc. Получено 30 ноября 2012.
  3. ^ "КАФЕ, среда CAssegrain волокна". Веб-руководство для Gecko. Телескоп Канада-Франция-Гавайи. Получено 10 октября 2019.
  4. ^ "UVES - ультрафиолетовый и визуальный эшелле спектрограф". Веб-сайт ESO. ESO. Получено 30 ноября 2012.
  5. ^ Деккер, Ханс; Д'Одорико, Сандро; Кауфер, Андреас; Делабре, Бернар; Коцловский, Хайнц (август 2000 г.). Ай, Масанори; Мурвуд, Алан Ф. М. (ред.). «Дизайн, конструкция и рабочие характеристики UVES, эшелле-спектрографа для телескопа UT2 Kueyen в обсерватории ESO Паранал». Труды SPIE. Приборы и детекторы для оптических и инфракрасных телескопов. 4008: 534–545. Bibcode:2000SPIE.4008..534D. Дои:10.1117/12.395512. S2CID  124137896. Получено 30 ноября 2012.
  6. ^ «САУРОН - Ареальный спектрографический прибор для исследования оптических туманностей». Получено 30 ноября 2012.
  7. ^ Claudi, R.U .; Turatto, M .; Gratton, R.G .; Antichi, J .; Bonavita, M .; Bruno, P .; Cascone, E .; De Caprio, V .; Desidera, S .; Giro, E .; Мне грустно.; Scuderi, S .; Dohlen, K .; Beuzit, J. L .; Пьюджет, П. (2008). Маклин, Ян С; Casali, Mark M (ред.). «Наземные и бортовые приборы для астрономии II». 7014: 70143E. Bibcode:2008SPIE.7014E..3EC. Дои:10.1117/12.788366. S2CID  56213827. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь); | chapter = игнорируется (помощь)
  8. ^ «INTEGRAL: простой и удобный интегральный полевой модуль, доступный на WHT». Группа телескопов Исаака Ньютона. Получено 30 ноября 2012.
  9. ^ «КАЛИФА: исследование интегрированной области месторождения Калар-Альто». CALIFA Survey. Получено 10 октября 2014.
  10. ^ "SAMI: Обзор исследования SAMI". SAMI Survey. Получено 5 марта 2014.
  11. ^ «Манга: SDSS-III». Sloan Digital Sky Survey. Получено 5 марта 2014.

Примечания

внешняя ссылка