Кодированная апертура

Технология визуализации для источников рентгеновского или гамма-излучения

Кодированные апертуры или маски с кодированной апертурой представляют собой сетки, решетки или другие узоры из материалов, непрозрачных для различных длин волн электромагнитного излучения. Длины волн обычно представляют собой высокоэнергетическое излучение, такое как рентгеновские лучи и гамма-лучи . Кодированная «тень» отбрасывается на плоскость путем блокирования излучения по известной схеме. Затем свойства исходных источников излучения могут быть математически реконструированы из этой тени. Кодированные апертуры используются в системах визуализации рентгеновских и гамма-лучей, поскольку эти высокоэнергетические лучи нельзя сфокусировать с помощью линз или зеркал, которые работают для видимого света.

Обоснование

Визуализация обычно выполняется на оптических длинах волн с использованием линз и зеркал. Однако энергия жесткого рентгеновского излучения и γ-излучения слишком высока для отражения или преломления и просто проходит через линзы и зеркала оптических телескопов. Поэтому вместо этого часто используется модуляция изображения с помощью апертур. Камера-обскура является самой базовой формой такого модуляционного формирователя изображений, но ее недостатком является низкая пропускная способность, поскольку ее малая апертура пропускает мало излучения. Только малая часть света проходит через точечное отверстие, что приводит к низкому отношению сигнал/шум . Чтобы решить эту проблему, маска может содержать много отверстий, например, в одном из нескольких определенных шаблонов. Несколько масок на разных расстояниях от детектора добавляют гибкости этому инструменту. В частности, модуляционный коллиматор, изобретенный Минору Одой, использовался для идентификации первого космического источника рентгеновского излучения и, таким образом, для запуска новой области рентгеновской астрономии в 1965 году . С тех пор появилось много других приложений в других областях, таких как томография .

В кодированной апертуре, более сложной, чем камера-обскура , изображения из нескольких апертур будут перекрываться на детекторной решетке. Таким образом, необходимо использовать вычислительный алгоритм (который зависит от точной конфигурации апертурных решеток) для реконструкции исходного изображения. Таким образом, можно получить четкое изображение без линзы. Изображение формируется из всей решетки датчиков и, следовательно, устойчиво к сбоям в отдельных датчиках; с другой стороны, оно принимает больше фонового излучения, чем формирователь изображений с фокусирующей оптикой (например, рефракционный или отражающий телескоп ), и поэтому обычно не используется на длинах волн, где могут применяться эти методы.

Метод кодированной апертурной визуализации является одной из самых ранних форм вычислительной фотографии и имеет сильную связь с астрономической интерферометрией . Кодирование апертуры было впервые введено Эйблсом ^[1] и Дике ^[2] и позднее популяризировано другими публикациями. ^[3]

Известные типы масок

Различные шаблоны масок демонстрируют разное разрешение изображения, чувствительность и подавление фонового шума, а также вычислительную простоту и неоднозначность, помимо их относительной простоты построения.

FZP = Зонная пластина Френеля
ORA = Оптимизированный случайный шаблон
URA = Равномерно Избыточный Массив
HURA = Шестиугольный равномерно избыточный массив ^[4]
MURA = Модифицированный равномерно избыточный массив
Левин ^[5]

Космические телескопы с кодированной апертурой

Рентгеновский телескоп Spacelab-2 XRT (1985)
Рентгеновский временной исследователь Росси (RXTE) – ASM (1995–2012)
BeppoSAX – широкоугольная камера (1996–2002)
INTEGRAL – IBIS и SPI (2002–настоящее время)
Swift – BAT (2004–настоящее время)
Миссия Pathfinder сверхбыстрой вспышки (запущена в 2016 году) и UFFO-100 (ее следующее поколение) ^[6]
Astrosat – CZTI (запущен в 2015 году)
SVOM – ЭКЛЕРЫ (запуск в июне 2024 г.)
Кроме того, миссии SAS-3 и RHESSI обнаруживают излучение на основе комбинации масок и вращательной модуляции.

Смотрите также

Ссылки

^ JG Ables (1968). «Фурье-преобразование фотографии: новый метод рентгеновской астрономии». Публикации Астрономического общества Австралии . 1 (4). Cambridge University Press: 172– 173. Bibcode : 1968PASA....1..172A. doi : 10.1017/S1323358000011292 . S2CID 117093492.
^ RH Dicke (1968). "Камеры с рассеивающими отверстиями для рентгеновских и гамма-лучей". The Astrophysical Journal . 153 : L101. Bibcode : 1968ApJ...153L.101D. doi : 10.1086/180230 .
^ Эдвард Э. Фенимор и Томас М. Кэннон (1978). «Кодированная апертурная визуализация с равномерно избыточными решетками». Прикладная оптика . 17 (3). Оптическое общество Америки: 337– 347. Bibcode : 1978ApOpt..17..337F. doi : 10.1364/AO.17.000337 . PMID 20174412.
↑ Жан ин 'т Занд и Хайко Гроенвельд. «Приборы с кодированной апертурой, предназначенные для астрономических наблюдений».
^ Анат Левин; Роб Фергус; Фредо Дюран; Уильям Фримен (2007). «Изображение и глубина с обычной камеры с кодированной апертурой». ACM Transactions on Graphics . 26 (3). ACM: 70. doi :10.1145/1276377.1276464.
^ Новое поколение сверхбыстрой импульсной обсерватории (UFFO-100) для ИК/оптических наблюдений фазы нарастания гамма-всплесков

Внешние ссылки

Кодированная апертурная визуализация в высокоэнергетической астрономии
- Список приборов СА – 6 летающих. Март 2006 г.
В новостях: Система Sky-high для помощи солдатам. Август 2008 г.

[ables-1] JG Ables (1968). «Фурье-преобразование фотографии: новый метод рентгеновской астрономии». Публикации Астрономического общества Австралии . 1 (4). Cambridge University Press: 172– 173. Bibcode : 1968PASA....1..172A. doi : 10.1017/S1323358000011292 . S2CID 117093492.

[dicke-2] RH Dicke (1968). "Камеры с рассеивающими отверстиями для рентгеновских и гамма-лучей". The Astrophysical Journal . 153 : L101. Bibcode : 1968ApJ...153L.101D. doi : 10.1086/180230 .

[fenimore-3] Эдвард Э. Фенимор и Томас М. Кэннон (1978). «Кодированная апертурная визуализация с равномерно избыточными решетками». Прикладная оптика . 17 (3). Оптическое общество Америки: 337– 347. Bibcode : 1978ApOpt..17..337F. doi : 10.1364/AO.17.000337 . PMID 20174412.

[cai-inss-4] Жан ин 'т Занд и Хайко Гроенвельд. «Приборы с кодированной апертурой, предназначенные для астрономических наблюдений».

[levin-5] Анат Левин; Роб Фергус; Фредо Дюран; Уильям Фримен (2007). «Изображение и глубина с обычной камеры с кодированной апертурой». ACM Transactions on Graphics . 26 (3). ACM: 70. doi :10.1145/1276377.1276464.

[uffo-6] Новое поколение сверхбыстрой импульсной обсерватории (UFFO-100) для ИК/оптических наблюдений фазы нарастания гамма-всплесков