Спекл-изображение
Спекл-изображение включает в себя ряд методов астрономической визуализации с высоким разрешением , основанных на анализе большого количества коротких экспозиций , которые фиксируют изменение атмосферной турбулентности . Их можно разделить на метод сдвига и сложения (« наложение изображений ») и методы спекл-интерферометрии . Эти методы могут значительно повысить разрешение наземных телескопов , но они ограничены яркими целями.
Объяснение
[ редактировать ]Принцип всех методов заключается в получении изображений астрономических целей с очень короткой выдержкой, а затем их обработке для устранения эффектов астрономического наблюдения . Использование этих методов привело к ряду открытий, в том числе к тысячам двойных звезд , которые в противном случае для визуального наблюдателя, работающего с телескопом аналогичного размера, выглядели бы как одна звезда, а также к первым изображениям явлений, подобных солнечным пятнам, на других звездах. Многие из этих методов широко используются и сегодня, особенно при визуализации относительно ярких целей.
Разрешение телескопа ограничено размером главного зеркала из-за эффектов дифракции Фраунгофера . В результате изображения удаленных объектов распределяются в небольшое пятно, известное как диск Эйри . Группа объектов, изображения которых расположены ближе друг к другу, чем этот предел, отображается как один объект. Таким образом, более крупные телескопы могут отображать не только более тусклые объекты (поскольку они собирают больше света), но и объекты, расположенные ближе друг к другу.
Это улучшение разрешения нарушается из-за практических ограничений, налагаемых атмосферой , случайная природа которой превращает единственное пятно диска Эйри в узор из пятен одинакового размера, разбросанных по гораздо большей площади (см. соседнее изображение двойной системы). . Для типичного наблюдения практические пределы разрешения находятся при размерах зеркал, намного меньших, чем механические пределы размеров зеркал, а именно при диаметре зеркала, равном зрения астрономическому параметру r 0 – около 20 см в диаметре для наблюдений в видимом свете при хорошем освещении. условия. В течение многих лет производительность телескопов была ограничена этим эффектом, пока внедрение спекл-интерферометрии и адаптивной оптики не позволило устранить это ограничение.
Визуализация спеклов воссоздает исходное изображение с помощью методов обработки изображений . Ключ к этому методу, найденный американским астрономом Дэвидом Л. Фридом в 1966 году, заключался в получении очень быстрых изображений, и в этом случае атмосфера фактически «замораживалась» на месте. [ 1 ] В инфракрасных длинах волн времена когерентности τ 0 составляют порядка 100 мс, но для видимой области они падают до всего лишь 10 мс. Когда время воздействия короче τ 0 , движение атмосферы слишком медленное, чтобы оказать влияние; Пятнышки, записанные на изображении, представляют собой снимок атмосферы, видимой в этот момент. Время когерентности τ 0 = r 0 / v является функцией длины волны, поскольку r 0 является функцией длины волны.
Обратной стороной метода является то, что делать снимки с такой короткой выдержкой сложно, а если объект слишком тусклый, света будет недостаточно для проведения анализа. Раннее использование этой техники в начале 1970-х годов осуществлялось в ограниченном масштабе с использованием фотографических технологий, но, поскольку фотопленка улавливает только около 7% падающего света, таким образом можно было рассмотреть только самые яркие объекты. Внедрение в астрономию ПЗС-матрицы , улавливающей более 70% света, снизило планку практического применения на порядок, и сегодня этот метод широко используется на ярких астрономических объектах (например, звездах и звездных системах).
Многие из более простых методов изображения спеклов имеют несколько названий, в основном от астрономов-любителей, которые заново изобретают существующие методы изображения спеклов и дают им новые названия.
Другое применение метода – в промышленности. Направляя лазер (гладкий волновой фронт которого является превосходной имитацией света далекой звезды) на поверхность, полученный спекл-паттерн можно обработать и получить подробные изображения дефектов материала. [ 2 ]
Типы
[ редактировать ]Метод сдвига и сложения
[ редактировать ]
Метод сдвига и сложения (в последнее время метод « наложения изображений ») представляет собой форму спекл-изображений, обычно используемую для получения высококачественных изображений из ряда коротких экспозиций с различными сдвигами изображения. [ 5 ] [ 6 ] Он используется в астрономии уже несколько десятилетий и является основой функции стабилизации изображения в некоторых камерах. Изображения с короткой выдержкой выравниваются с использованием самых ярких пятен и усредняются для получения единого выходного изображения. [ 7 ]
Метод предполагает расчет дифференциальных сдвигов изображений. Это легко сделать на астрономических изображениях, поскольку их можно совместить со звездами. После выравнивания изображений они усредняются. Основной принцип статистики заключается в том, что вариации в выборке можно уменьшить путем усреднения отдельных значений. Фактически, при использовании среднего значения отношение сигнал/шум должно быть увеличено в квадратный корень из количества изображений. Для этого существует ряд программных пакетов, включая IRAF , RegiStax , Autostakkert, Keiths Image Stacker, Hugin и Iris .
В подходе удачной визуализации для усреднения выбираются только лучшие короткие экспозиции. Ранние методы сдвига и сложения выравнивали изображения в соответствии с центроидом изображения , что давало более низкий общий коэффициент Штреля .
Спекл-интерферометрия
[ редактировать ]В 1970 году французский астроном Антуан Лабейри показал, что анализ Фурье ( спекл-интерферометрия ) позволяет получить информацию о структуре объекта с высоким разрешением на основе статистических свойств спекл-структур. [ 8 ] Этот метод был впервые реализован в 1971 году в Паломарской обсерватории (200-дюймовый телескоп) Дэниелом Ю. Гезари, Антуаном Лабери и Робертом В. Стачником. [ 9 ] Методы, разработанные в 1980-х годах, позволили восстановить простые изображения на основе этой информации о спектре мощности.
Еще один новый тип спекл-интерферометрии, называемый спекл-маскированием, включает в себя расчет биспектра или фаз закрытия для каждой короткой экспозиции. [ 10 ] Затем можно вычислить «средний биспектр», а затем инвертировать его для получения изображения. Особенно хорошо это работает с использованием апертурных масок . В такой конструкции апертура телескопа заблокирована, за исключением нескольких отверстий, пропускающих свет, создавая небольшой оптический интерферометр с лучшей разрешающей способностью, чем в противном случае имел бы телескоп. Этот метод маскировки апертуры был впервые разработан Кавендишской астрофизической группой . [ 11 ] [ 12 ]
Одним из ограничений метода является то, что он требует обширной компьютерной обработки изображения, что было трудно сделать, когда метод был впервые разработан. Это ограничение исчезло с годами по мере увеличения вычислительной мощности, и сегодня настольные компьютеры имеют более чем достаточную мощность, чтобы сделать такую обработку тривиальной задачей.
Биология
[ редактировать ]Спекл-визуализация в биологии относится к нижней маркировке. [ нужны разъяснения ] периодических клеточных компонентов (таких как нити и волокна), так что вместо непрерывной и однородной структуры она выглядит как дискретный набор пятен. Это связано со статистическим распределением меченого компонента среди немеченых компонентов. Этот метод, также известный как динамический спекл , позволяет отслеживать динамические системы в реальном времени и анализировать видеоизображения для понимания биологических процессов.
См. также
[ редактировать ]- Интерферометрия с маскировкой апертуры
- Синтез апертуры
- Астрономический интерферометр
- Биспектральный анализ
- Дифракционно-ограниченная система
- Электронная интерферометрия спекл-паттернов
- Фокус-стекинг
- Голографическая интерферометрия
- Удачное изображение
- Оптическая интерферометрия
- Супер-разрешение
Примеры изображений
[ редактировать ]Все они были получены с помощью инфракрасной АО или ИК-интерферометрии (а не спекл-изображений) и имеют более высокое разрешение, чем можно получить, например, с помощью космического телескопа Хаббл . Спекл-визуализация может создавать изображения с разрешением в четыре раза лучшим, чем это.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фрид, Дэвид Л. (1966). «Оптическое разрешение в случайно-неоднородной среде при очень длинных и очень коротких экспозициях». Журнал Оптического общества Америки . 56 (10): 1372. Бибкод : 1966JOSA...56.1372F . дои : 10.1364/JOSA.56.001372 .
- ^ Жако, П.: Спекл-интерферометрия: обзор основных методов, используемых в экспериментальных механических приложениях. Штамм 44, 57–69 (2008 г.)
- ^ Близнецам повезло, и они совершили глубокое погружение в облака Юпитера , пресс-релиз NOIRLab, 8 мая 2020 г.
- ^ Вонг, М.Х., А.А. Саймон, Дж.В. Толлефсон, И. де Патер, М.Н. Барнетт, А.И. Сюй, А.В. Стивенс, Г.С. Ортон, С.В. Флеминг, К. Гулло, В. Янушевски, А. Роман, Г.Л. Бьоракер, С.К. Атрея, А. Адриани и Л.Н. Флетчер (2020) УФ/оптические/ИК-изображения Юпитера в высоком разрешении. 2016–2019 . Серия дополнений к астрофизическому журналу . 247 : 58 (25 стр.).
- ^ Баба, Н.; Исобе, С.; Норимото, Ю.; Ногучи, М. Реконструкция звездных спекл-изображений методом сдвига и сложения , Прикладная оптика (ISSN 0003-6935), том. 24, 15 мая 1985 г., с. 1403-1
- ^ Кристу, Дж. К., Качество изображения, коррекция наклона наконечника и инфракрасное изображение со сдвигом и добавлением , Публикации Тихоокеанского астрономического общества, том. 103, сентябрь 1991 г., с. 1040-1048
- ^ Баба, Н; Исобе, Сюдзо; Норимото, Ёдзи; Ногути, Мотокадзу (май 1985 г.). «Реконструкция звездных спекл-изображений методом сдвига и сложения». Прикладная оптика . 24 (10): 1403–5. Бибкод : 1985ApOpt..24.1403B . дои : 10.1364/AO.24.001403 . ПМИД 20440355 .
- ^ Лабейри , Антуан (май 1970 г.). «Достижение дифракционного ограниченного разрешения в больших телескопах путем анализа Фурье структуры спеклов на изображениях звезд». Астрономия и астрофизика . 6 : 85л. Бибкод : 1970A&A.....6...85L .
- ^ «Спекл-интерферометрия: дифракционные измерения девяти звезд с помощью 200-дюймового телескопа», Дэниел Ю. Гезари, Антуан Лабери и Роберт В. Стачник, 1972, Астрофизический журнал , том. 173, Л1
- ^ Вайгельт, Герд (апрель 1977 г.). «Модифицированная астрономическая спекл-интерферометрия« спекл-маскировка » ». Оптические коммуникации . 21 (1): 55–59. Бибкод : 1977OptCo..21...55W . дои : 10.1016/0030-4018(77)90077-3 .
- ^ Болдуин, Джон; Ханифф, Калифорния; Маккей, CD; Уорнер, П.Дж. (апрель 1986 г.). «Фаза закрытия оптических изображений высокого разрешения». Природа . 320 (6063): 595. Бибкод : 1986Natur.320..595B . дои : 10.1038/320595a0 . S2CID 4338037 .
- ^ Болдуин, Джон; Маккей, CD; Титтерингтон, диджей; Сивия, Д.; Болдуин, Дж. Э.; Уорнер, П.Дж. (август 1987 г.). «Первые изображения синтеза оптической апертуры». Природа . 328 (6132): 694. Бибкод : 1987Natur.328..694B . дои : 10.1038/328694a0 . S2CID 4281897 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Hugin - программное обеспечение для работы с изображениями с открытым исходным кодом и возможностью сдвига и добавления «складывания изображений».
- Iris — бесплатная программа для обработки астрономических изображений.
- Autostakkert — выравнивание и совмещение последовательностей изображений, минимизация влияния атмосферных искажений