Интегральные полевые спектрографы (IFS) объединяют спектрографические и визуализирующие возможности в оптических или инфракрасных областях длин волн (0,32 мкм – 24 мкм) для получения из одной экспозиции пространственно разрешенных спектров в двумерной области. Название происходит от того факта, что измерения являются результатом интегрирования света в нескольких подобластях поля . Разработанный изначально для изучения астрономических объектов, этот метод теперь также используется во многих других областях, таких как биомедицинская наука и дистанционное зондирование Земли . Интегральная полевая спектрография является частью более широкой категории методов моментальной гиперспектральной визуализации , которая сама является частью гиперспектральной визуализации .
За исключением отдельных звезд, большинство астрономических объектов пространственно разрешаются большими телескопами . Для спектроскопических исследований оптимальным было бы получить спектр для каждого пространственного пикселя в поле зрения инструмента , получая полную информацию о каждой цели. Это свободно называется кубом данных из-за его двух пространственных и одного спектрального измерения. Поскольку как видимые приборы с зарядовой связью (ПЗС), так и инфракрасные детекторные матрицы ( матричные матрицы ), используемые для астрономических инструментов, являются только двумерными, разработка спектрографических систем, способных выдавать трехмерные кубы данных с выходных данных двухмерных детекторов, является нетривиальной задачей. Такие инструменты обычно называют трехмерными спектрографами в астрономической области и гиперспектральными формирователями изображений в неастрономической.
Гиперспектральные формирователи изображений можно в целом разделить на две группы: сканирующие и несканирующие. Первая группа содержит инструменты, которые создают куб данных путем объединения нескольких экспозиций, сканирования вдоль пространственной оси, оси длины волны или по диагонали через нее. Примерами являются системы сканирования push broom , сканирующие спектрометры Фабри-Перо и преобразования Фурье . Вторая группа включает методы, которые получают весь куб данных за один снимок, спектрометры моментальных изображений . Методы интегральной полевой спектрографии (IFS) были первыми разработанными методами моментальных гиперспектральных изображений. С тех пор были разработаны другие методы моментальных гиперспектральных изображений, основанные, например, на томографической реконструкции [1] или сжатом считывании с использованием кодированной апертуры [ 2] . [3]
Одним из основных преимуществ подхода моментального снимка для наземных телескопических наблюдений является то, что он автоматически обеспечивает однородные наборы данных, несмотря на неизбежную изменчивость атмосферного пропускания Земли , спектрального излучения и размытия изображения во время экспозиций. Это не относится к сканируемым системам, для которых кубы данных строятся с помощью набора последовательных экспозиций. IFS, как наземные, так и космические, также имеют огромное преимущество в обнаружении гораздо более слабых объектов в заданной экспозиции, чем сканирующие системы, хотя и за счет гораздо меньшей площади поля зрения на небе.
После медленного старта в конце 1980-х годов интегральная полевая спектроскопия стала основным астрофизическим инструментом в оптическом и среднем инфракрасном диапазонах, охватывающим весь спектр астрономических источников, по сути, любой небольшой отдельный объект — от астероидов Солнечной системы до чрезвычайно далеких галактик .
Интегральные полевые спектрографы используют так называемые интегральные полевые единицы (IFU) для переформатирования небольшого квадратного поля зрения в более подходящую форму, которая затем спектрально рассеивается решетчатым спектрографом и регистрируется детекторной матрицей. В настоящее время существует три различных разновидности IFU, использующих соответственно линзовую матрицу, волоконную матрицу или зеркальную матрицу. [3]
Увеличенное изображение неба подается на мини-линзовый массив, обычно состоящий из нескольких тысяч идентичных линз, каждая диаметром около 1 мм. Выходной сигнал линзового массива представляет собой регулярную сетку из множества небольших зеркальных изображений телескопа, которая служит входом для многощелевого спектрографа [4], который выдает кубы данных. Этот подход был предложен [5] в начале 1980-х годов, с первыми наблюдениями IFS [6] [7] в 1987 году с использованием оптического TIGER на основе линз [9] .
Преимуществами являются 100% пространственное заполнение неба при использовании квадратной или шестиугольной формы линзы, высокая пропускная способность, точная фотометрия и простота построения IFU. Существенным недостатком является неоптимальное использование драгоценных пикселей детектора (потери ~ 50% по крайней мере) для того, чтобы избежать загрязнения между соседними спектрами. В 2009 году была предложена решетка линз BIGRE [10] для правильного подхода к случаю пространственных и спектральных выборок выше скорости Найквиста в сценах с ограниченной дифракцией, как требуется для высококонтрастной спектроскопии изображений. Эта оптическая концепция значительно улучшает использование пикселей детектора благодаря результирующей функции распределения линий спектрографа, минимизируя эффекты перекрестных помех между спектрами.
Такие инструменты, как спектрографический площадной блок для исследования оптических туманностей (SAURON) [11] на телескопе Уильяма Гершеля и подсистема спектрополяриметрического высококонтрастного исследования экзопланет (SPHERE) IFS [12] на Очень большом телескопе (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO) , используют эту технологию в версиях TIGER и BIGRE соответственно.
Изображение неба, полученное с телескопа, попадает на волоконный резак изображения. Обычно он состоит из нескольких тысяч волокон диаметром около 0,1 мм, с квадратным или круглым входным полем, переформатированным в узкий прямоугольный (в виде длинной щели) выход. Затем выход резак изображения соединяется с классическим длиннощелевым спектрографом , который выдает кубы данных. Демонстратор неба успешно провел первое IFS-наблюдение на основе волокон [13] в 1990 году. За ним последовал полноценный оптический инструмент SILFID [14] примерно 5 лет спустя. Соединение круглых волокон с квадратной или шестиугольной линзовой решеткой привело к лучшей инжекции света в волокно и почти 100%-ному коэффициенту заполнения небесного света.
Плюсы — 100%-ное пространственное заполнение неба, эффективное использование пикселей детектора и коммерчески доступные волоконные слайсеры изображений. Минусы — значительные потери света в волокнах (~ 25%), их относительно низкая фотометрическая точность и невозможность работы в криогенной среде. Последнее ограничивает покрытие длин волн менее 1,6 мкм.
Эта техника используется инструментами во многих телескопах (например, INTEGRAL [15] на телескопе Уильяма Гершеля ), и особенно в текущих крупных обзорах галактик, таких как Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey (CALIFA) [16] в обсерватории Калар-Альто , Sydney-AAO Multi-object Integral-field Spectrograph (SAMI) [17] в Австралийской астрономической обсерватории и Mapping Nearby Galaxies at APO (MaNGA) [18] , который является одним из обзоров, составляющих следующую фазу Sloan Digital Sky Survey .
Изображение неба, полученное с телескопа, попадает на зеркальный слайсер, обычно состоящий из примерно 30 прямоугольных зеркал шириной от 0,1 до 0,2 мм, с квадратным входным полем, переформатированным в узкий прямоугольный (в виде длинной щели) выход. Затем слайсер соединяется с классическим длиннощелевым спектрографом, который выдает кубы данных. Первый зеркальный слайсер ближнего инфракрасного диапазона IFS, Спектрометр для инфракрасной визуализации слабого поля [19] (SPIFFI) [20] получил свой первый научный результат [21] в 2003 году. Ключевая система зеркального слайсера была быстро существенно улучшена под кодовым названием Advanced Imaging Slicer [22] .
Плюсы — высокая пропускная способность, 100% заполнение пространства на небе, оптимальное использование пикселей детектора и возможность работы при криогенных температурах. С другой стороны, его сложно и дорого производить и выравнивать, особенно при работе в оптической области, учитывая более строгие спецификации оптических поверхностей.
В настоящее время IFS в той или иной форме развернуты на многих крупных наземных телескопах, в видимом [23] [24] или ближнем инфракрасном [25] [26] диапазонах, а также на некоторых космических телескопах , в частности на космическом телескопе Джеймса Уэбба (JWST) в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах. [27] Поскольку пространственное разрешение телескопов в космосе (а также наземных телескопов с помощью адаптивной оптики, основанной на коррекции турбулентности воздуха) значительно улучшилось за последние десятилетия, потребность в объектах IFS становится все более и более насущной. Спектральное разрешение обычно составляет несколько тысяч, а покрытие длин волн около одной октавы (т.е. фактор 2 в длине волны). Обратите внимание, что для каждого IFS требуется тонко настроенный программный пакет для преобразования необработанных данных подсчетов в физические единицы (интенсивность света по сравнению с длиной волны в точных местоположениях на небе)
При распределении каждого пространственного пикселя, скажем, на 4096 спектральных пикселях на современном детекторе 4096 x 4096 пикселей, поля зрения IFS сильно ограничены, ~10 угловых секунд в поперечнике при подаче с телескопа класса 8–10 м. Это, в свою очередь, в основном ограничивает астрофизическую науку, основанную на IFS, отдельными небольшими целями. Для охвата сотен очень далеких галактик за одну, хотя и очень длительную (до 100 часов) экспозицию, требуется гораздо большее поле зрения, 1 угловая минута в поперечнике, или область неба в 36 раз больше. Это, в свою очередь, требует разработки систем IFS, имеющих не менее полумиллиарда пикселей детектора.
Подход грубой силы заключался бы в создании огромных спектрографов, питающих гигантские детекторные массивы. Вместо этого два панорамных IFS, которые будут работать к 2022 году, Multi-unit spectroscopic explorer (MUSE) и Visible Integral-field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS), [28] сделаны из соответственно 24 и 120 серийно выпускаемых оптических IFS. Это приводит к существенно меньшим и более дешевым инструментам. Инструмент MUSE на основе зеркального слайсера начал работать на VLT в 2014 году, а инструмент VIRUS на основе волоконного слайсера на телескопе Хобби-Эберли в 2021 году.
Концептуально просто объединить возможности интегральной полевой спектроскопии и многообъектной спектроскопии в одном приборе. Это делается путем развертывания нескольких небольших IFU в большом поле патрулирования неба, возможно, в градус или больше в поперечнике. Таким образом, можно получить довольно подробную информацию, например, о нескольких выбранных галактиках за один раз. Конечно, существует компромисс между пространственным покрытием каждой цели и общим количеством доступных целей. Многоэлементный спектрограф с оптоволоконной большой решеткой (FLAMES), [29] первый прибор с такой возможностью, впервые засветился в этом режиме на VLT в 2002 году. Несколько таких установок сейчас работают в видимом [30] [31] [32] и ближнем инфракрасном диапазонах. [33] [34]
Еще большая широта в выборе покрытия патрульного поля была предложена под названием Diverse Field Spectroscopy [35] (DFS), которая позволит наблюдателю выбирать произвольные комбинации областей неба для максимизации эффективности наблюдения и научной отдачи. Это требует технологических разработок, в частности, универсальных роботизированных целеуловителей [36] и фотонных коммутаторов. [37]
Другие методы могут достигать тех же целей на разных длинах волн. В частности, на радиоволнах одновременная спектральная информация получается с помощью гетеродинных приемников [38] , характеризующихся большим частотным покрытием и огромным спектральным разрешением.
В рентгеновской области, из-за высокой энергии отдельных фотонов , метко названные 3D детекторы подсчета фотонов не только измеряют на лету 2D положение входящих фотонов, но и их энергию, следовательно, их длину волны. Тем не менее, следует отметить, что спектральная информация очень грубая, со спектральным разрешением всего ~10. Одним из примеров является Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) на рентгеновской обсерватории Chandra NASA .
В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах этот подход намного сложнее с гораздо менее энергичными фотонами. Тем не менее, были разработаны и успешно использовались сверхпроводящие детекторы малого формата с ограниченным спектральным разрешением ~ 30 и охлаждением ниже 0,1 К, например, камера Array Camera 32x32 пикселей для оптической и ближней инфракрасной спектрофотометрии [39] (ARCONS) на телескопе Hale 200”. Напротив, «классические» IFS обычно имеют спектральное разрешение в несколько тысяч.
{{cite journal}}
: CS1 maint: дата и год ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )