Встроенный полевой спектрограф или спектрограф, оснащенный встроенным полевым блоком ( IFU ), представляет собой оптический прибор, сочетающий спектрографические возможности и возможности визуализации, используемый для получения пространственно разрешенных спектров в астрономии и других областях исследований, таких как биомедицина и наблюдение Земли. (или 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 объектов. звезды или точечные источники в небольшом поле. Подобные спектроскопические исследования ранее проводились с помощью спектрографов с длинной щелью, в которых спектр диспергирован перпендикулярно щели, а пространственное разрешение получено в измерении вдоль щели. Затем, изменяя положение щели, можно получить спектр точек в изображаемом поле, но этот процесс будет сравнительно медленным и расточительным 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
Слайсер изображений
В этом подходе изображение нарезается [1] (с использованием, например, слайсера Боуэна [2] [3] ) в плоскости изображения и переупорядочивается таким образом, что все разные части изображения попадают на щель, а рассеивающийся 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, - это, например, UVES [4] [5] на очень большом телескопе (VLT).
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 телескопе Уильяма Гершеля и подсистема SPHERE IFS [7] на VLT, используют эту технику.
Волокна
Здесь свет интересующих целей улавливается массивом волокон, образующих плоскость входных щелей спектрографа. Другой конец волокон расположен вдоль единственной прорези, так что можно получить спектр для каждого волокна.
Этот метод используется инструментами во многих телескопах (например, INTEGRAL [8] на телескопе Уильяма Гершеля ) и, в частности, в проводимых в настоящее время крупных обзорах галактик, таких как CALIFA [9] в обсерватории Калар-Альто , SAMI [10] на австралийская астрономическая обсерватория и Manga [11] , который является одним из обследований, составляющие следующего этап обзора неба Sloan Digital .
Спектроскопия разнообразного поля
Недавняя разработка - это разнообразная полевая спектроскопия (DFS), которая сочетает в себе преимущества IFS с многообъектной спектроскопией (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 небольшого поля с пространственным разрешением. Цели MOS обычно являются слабыми объектами на пределе обнаружения, такими 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, включая роботизированные переключатели и фотонно-оптические переключатели.
Другие подходы
Другие методы могут достичь тех же результатов на разных длинах волн. Спектрометр ACIS Advanced CCD Imaging Spectrometer на рентгеновской обсерватории NASA Chandra является примером, который получает спектральную информацию 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 гиперспектральная визуализация и трехмерная спектроскопия). Другие методы основаны на создании разности хода между мешающими лучами с использованием методов электромеханического сканирования. Примеры включают спектроскопию с преобразованием Фурье с использованием схемы интерферометра Майкельсона и интерферометрию Фабри – Перо . Хотя в первом порядке приближения все такие методы эквивалентны в том смысле, что они генерируют одинаковое количество элементов разрешения в кубе данных (с осями, помеченными двумя пространственными координатами плюс длина волны) в одно и то же время, они не эквивалентны, когда рассмотрены 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. В биомедицине исследования in vivo также требуют одновременного сбора данных.
Рекомендации
- ^ "Image Slicer" . Проверено 30 ноября 2012 года .
- ^ «Слайсер изображений» . Британская энциклопедия . Большой энциклопедический словарь Inc. Проверено 30 Ноябрь 2012 .
- ^ "КАФЕ, среда CAssegrain волокна" . Веб-руководство для Gecko . Телескоп Канада-Франция-Гавайи . Проверено 10 октября 2019 .
- ^ "UVES - ультрафиолетовый и визуальный эшелле спектрограф" . Сайт ESO . ESO . Проверено 30 ноября 2012 года .
- ^ Деккер, Ханс; Д'Одорико, Сандро; Кауфер, Андреас; Делабре, Бернар; Коцловски, Хайнц (август 2000 г.). Ай, Масанори; Мурвуд, Алан Ф. М. (ред.). «Дизайн, конструкция и эксплуатационные характеристики UVES, эшелле-спектрографа для телескопа UT2 Kueyen Telescope в обсерватории ESO Паранал» . Труды SPIE . Аппаратура и детекторы оптических и инфракрасных телескопов. 4008 : 534–545. Bibcode : 2000SPIE.4008..534D . DOI : 10.1117 / 12.395512 . S2CID 124137896 . Проверено 30 ноября 2012 года .
- ^ "САУРОН - спектрографическая ареальная установка для исследования оптических туманностей" . Проверено 30 ноября 2012 года .
- ^ Claudi, RU; Turatto, M .; Gratton, RG; Antichi, J .; Bonavita, M .; Bruno, P .; Cascone, E .; De Caprio, V .; Desidera, S .; Giro, E .; Мне грустно.; Scuderi, S .; Dohlen, K .; Beuzit, JL; Пьюджет, П. (2008). «SPHERE IFS: спектро-дифференциальный формирователь изображений VLT для поиска экзопланет». В McLean, Ian S; Casali, Mark M (ред.). Наземные и бортовые приборы для астрономии II . 7014 . п. 70143E. Bibcode : 2008SPIE.7014E..3EC . DOI : 10.1117 / 12.788366 . S2CID 56213827 .
- ^ «INTEGRAL: простой и удобный интегральный полевой модуль, доступный на WHT» . Группа телескопов Исаака Ньютона . Проверено 30 ноября 2012 года .
- ^ «КАЛИФА: Обследование интегрированной области месторождения Калар-Альто» . CALIFA Survey . Проверено 10 октября 2014 года .
- ^ «САМИ: Обзор обзора САМИ» . SAMI Survey . Проверено 5 марта 2014 .
- ^ «Манга: SDSS-III» . Sloan Digital Sky Survey . Проверено 5 марта 2014 .
Заметки
- Поглич, А .; и другие. (16 июля 2010 г.). "Фотоприемная матрица и спектрометр (PACS) на космической обсерватории". Астрономия и астрофизика . 518 : 12. arXiv : 1005.1487 . Бибкод : 2010A & A ... 518L ... 2P . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201014535 . S2CID 73655544 .
Внешние ссылки
- Вики по спектроскопии интегрального поля
- Спектроскопия интегрального поля - краткое введение Джереми Аллингтона-Смита из Durham Astronomical Instrumentation Group
- Для 5-метрового телескопа Caltech Palomar. Спектрограф интегрального поля Паломара
- Спектрометр NIRSPEC для JWST