스펙클 이미징

Speckle imaging
  • Typical short-exposure image of a binary star (ζ Boötis) as seen through atmospheric turbulence. Each star should appear as a single point, but the atmosphere causes the images of the two stars to break up into two patterns of speckles. The speckles move around rapidly, so that each star appears as a single fuzzy blob in long exposure images.

    대기 난류를 통해 보이는 쌍성(δ Boötis)의 전형적인 짧은 노출 이미지.각각의 별은 하나의 점으로 나타나야 하지만, 대기에 의해 두 별의 이미지가 두 개의 반점 패턴으로 나뉘게 됩니다.반점은 빠르게 움직이기 때문에 각 별은 긴 노출 이미지에서 하나의 흐릿한 방울로 나타납니다.

  • Slow-motion speckle imaging movie, showing how a high-magnification (negative) image of a star breaks up into multiple blobs (speckles), entirely an atmospheric effect.

    별의 고배율(음성) 이미지가 어떻게 여러 개의 방울(스펙클)로 분해되는지를 보여주는 느린 움직임의 스펙클 이미징 무비, 완전히 대기 효과입니다.

스펙클 이미징은 대기 난류의 변화를 동결시키는 다수의 짧은 노출 분석을 기반으로 한 고해상도 천체 이미징 기술을 말한다.시프트 앤 애드("이미지 스태킹") 방식과 스펙클 간섭 측정 방식으로 나눌 수 있습니다.이러한 기술은 지상 망원경의 분해능을 극적으로 높일 수 있지만, 밝은 표적에 국한된다.

설명.

모든 기술의 원리는 천문학적인 목표물의 매우 짧은 노출 영상을 찍고, 그리고 그것들을 천문학적인 시각의 영향을 없애도록 처리하는 것이다.이러한 기술들의 사용은 비슷한 크기의 망원경으로 일하는 시각적인 관찰자들에게 하나의 별처럼 보일 수 있는 수천 개의 쌍성들과 다른 별들의 태양 흑점 같은 현상의 첫 이미지를 포함한 많은 발견으로 이어졌다.오늘날에는 특히 비교적 밝은 대상을 촬영할 때 많은 기술이 널리 사용되고 있습니다.

망원경의 분해능은 프라운호퍼 회절의 영향으로 주경 크기에 의해 제한됩니다.그 결과 멀리 있는 물체의 이미지가 에어리 디스크라고 불리는 작은 점으로 퍼져나갑니다.이미지가 이 제한보다 더 가까운 개체 그룹이 단일 개체로 나타납니다.따라서 더 큰 망원경은 더 많은 빛을 모으기 때문에 더 어두운 물체를 촬영할 수 있을 뿐만 아니라 더 가까이 있는 물체도 분석할 수 있습니다.

이러한 해상도 향상은 대기에 의해 부과되는 실질적인 한계 때문에 분해됩니다. 이 때문에 에어리 디스크의 단일 지점이 훨씬 더 넓은 영역에 흩어져 있는 유사한 크기의 점 패턴으로 교란됩니다(바이너리 이미지 참조).전형적으로 볼 때, 실제 분해능 한계는 거울 크기에 대한 기계적 한계보다 훨씬 작습니다. 즉, 양호한 조건 하에서 가시광선이 있는 관측의 경우 직경 약 20cm인 천문학적 시각 매개변수0 r과 동일한 거울 직경입니다.수년간 망원경 성능은 이 효과에 의해 제한되었고, 스펙클 간섭 측정과 적응 광학 기술이 도입되어 이러한 한계를 제거할 수 있는 수단을 제공하게 되었다.

스펙클 이미징은 이미지 처리 기술을 통해 원본 이미지를 재현합니다.미국 천문학자 데이비드 L.에 의해 발견된 기술의 열쇠. 1966년에 튀긴 이 제품은 매우 빠른 영상을 찍기 위한 것이었는데, 이 경우 분위기는 효과적으로 "[1]동결"되어 있다.적외선 파장에서는 코히렌스 시간 θ는0 약 100밀리초이지만 가시영역의 경우 10밀리초 이하로 떨어집니다.노광시간이 ,보다0 짧을 경우 대기의 움직임이 너무 느려 영향을 미치지 않으며, 화상에 기록된 반점은 그 순간 대기의 모습을 스냅한 것입니다.r은 파장의 함수이기 때문에0 일관성 시간 θ = r0/v는0 파장의 함수이다.

물론 단점도 있다: 이 짧은 시간에 이미지를 촬영하는 것은 어렵고, 물체가 너무 어두우면 분석을 할 수 있는 충분한 빛이 포착되지 않는다.1970년대 초반에는 사진기법을 이용해 제한적으로 사용했지만, 사진 필름은 들어오는 빛의 약 7%만 포착하기 때문에 가장 밝은 물체만 볼 수 있었다.빛의 70% 이상을 포착하는 CCD의 천문학 도입으로 실제 응용에 대한 막대가 몇 배나 낮아졌고, 오늘날 이 기술은 밝은 천체(별과 별계 등)에 널리 사용되고 있다.

간단한 스펙클 이미징 방법 중 많은 것들이 여러 개의 이름을 가지고 있는데, 주로 아마추어 천문학자들이 기존의 스펙클 이미징 기술을 재발명하고 새로운 이름을 붙여주었기 때문이다.

최근에는 산업용 응용을 위해 이 기술의 또 다른 용도가 개발되었습니다.레이저를 표면에 비추면(원거리 별로부터의 빛을 매우 잘 시뮬레이트 하는 것) 그 결과 얻은 스펙클 패턴을 가공하여 재료의 결함의 상세한 화상을 얻을 수 있다.{{}}}[2]

종류들

시프트 앤 애드 방식

이 섹션에서는 이미징 방법에 대해 설명합니다.곱셈 알고리즘은 곱셈 알고리즘 § Shift and add를 참조하십시오.
Gemini North Infrared View of Jupiter.jpg
비교적 긴 309밀리초의 노출 시간을 가진 각각의 제미니 천문대 프레임 스택을 사용하여 5µm에 있는 목성의 행운의 이미징 이미지는 파장에 따라 간섭 시간0 θ가 증가하는 원리를 보여준다.[3] [4]

Shift-and-Add 방식(더 최근에는 "이미지 스택" 방식)은 이미지 이동이 [5][6]다양한 여러 짧은 노출에서 고품질 이미지를 얻는 데 일반적으로 사용되는 스펙클 이미징의 한 형태입니다.수십 년 동안 천문학에서 사용되었으며 일부 카메라의 이미지 안정화 기능의 기초가 됩니다.짧은 노출 이미지는 가장 밝은 스펙클을 사용하여 정렬되고 평균화되어 단일 출력 [7]이미지를 제공합니다.

이 방법에는 영상의 차등 이동 계산이 포함됩니다.이것은 별과 일직선이 될 수 있기 때문에 천문학적인 이미지에서 쉽게 달성할 수 있습니다.영상이 정렬되면 함께 평균이 산출됩니다.표본의 변동은 개별 값을 함께 평균화하여 줄일 수 있다는 것이 통계의 기본 원리입니다.실제로 평균을 사용할 경우 신호 대 잡음비는 이미지 수의 제곱근 배수로 증가해야 합니다.IRAF, RegiStax, Autostakkert, Keiths Image Stacker, Hugin, Iris 등 이를 수행하기 위한 소프트웨어 패키지가 다수 존재합니다.

Lucky imaging 접근법에서는 평균화에 가장 적합한 짧은 노출만 선택됩니다.초기 이동 및 추가 기술은 이미지 중심에 따라 영상을 정렬하여 전체 Strehl 비율을 낮춥니다.

스펙클 간섭계

1970년 프랑스 천문학자 앙투안 라베이리는 푸리에 분석(스펙클 간섭계)이 스펙클 [8]패턴의 통계적 특성으로부터 물체의 고해상도 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다는 것을 보여주었다.1980년대에 개발된 방법을 통해 이 전력 스펙트럼 정보로부터 간단한 이미지를 재구성할 수 있었다.

스펙클 마스킹이라고 불리는 또 다른 유형의 스펙클 간섭 측정법은 각각의 [9]짧은 노출에서 비스펙트럼 또는 폐쇄 단계를 계산하는 것입니다.그런 다음 "평균 비스펙트럼"을 계산한 다음 반전하여 이미지를 얻을 수 있습니다.조리개 마스크를 사용하면 특히 효과가 좋습니다.이 배열에서는 빛이 통과할 수 있는 몇 개의 구멍을 제외하고 망원경 개구부가 차단되어 망원경보다 더 나은 분해능을 가진 작은 광학 간섭계가 생성됩니다.이 조리개 마스킹 기술은 Cavendish 천체물리학 [10][11]그룹에 의해 개척되었습니다.

이 기술의 한 가지 한 가지 한 가지 제한은 이 기술이 처음 개발되었을 때 얻기 어려웠던 광범위한 이미지 컴퓨터 처리를 필요로 한다는 것입니다.이러한 제한은 컴퓨팅 능력이 향상됨에 따라 수년간 사라졌으며, 오늘날 데스크톱 컴퓨터는 이러한 처리를 사소한 작업으로 만들기에 충분한 처리 능력을 갖추고 있습니다.

생물학

생물학에서 스펙클 이미징은 연속적이고 균일한 구조 대신 이산적인 스펙클 집합으로 보이도록 주기적인 세포 구성 요소(필라멘트 및 섬유)의 언더라벨링을[clarification needed] 말합니다.이는 라벨이 부착되지 않은 컴포넌트 내에서 라벨이 부착된 컴포넌트의 통계적 분포에 기인합니다.동적 스펙클이라고도 하는 이 기술은 동적 시스템 및 비디오 이미지 분석을 실시간으로 모니터링하여 생물학적 과정을 이해할 수 있도록 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

이미지 예시

이 모든 것은 적외선 AO 또는 적외선 간섭계(스펙클 이미징 아님)를 사용하여 얻었으며 허블 우주 망원경으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 분해능을 가지고 있습니다.스펙클 이미징은 이들보다 4배 높은 해상도로 이미지를 생성할 수 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ Fried, David L. (1966). "Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures". Journal of the Optical Society of America. 56 (10): 1372. Bibcode:1966JOSA...56.1372F. doi:10.1364/JOSA.56.001372.
  2. ^ Jacquot, P:Specle interferometry: 실험 역학에 사용되는 주요 방법의 리뷰.변형률 44, 57~69 (2008)
  3. ^ 제미니, 운 좋게 목성의 구름 속으로 깊이 잠수하다, NOIRLab 보도자료, 2020-05-08.
  4. ^ Wong, M.H., A.A. Simon, J.W. Tollefson, I. de Patter, M.N. Barnett, A.I.Hsu, A.W. Stephens, G.S. 또는 W. 플레밍, C. Goula, W.아드리아니, 그리고 엘엔.Fletcher(2020) 2016-2019년 목성의 고해상도 UV/광학/IR 영상.천체물리학 저널 보충 시리즈.247: 58 (25 페이지)
  5. ^ Baba, N.; Isobe, S.; Norimoto, Y.; Shift-and-Add 방법에 의한 노구치, M. Stellar Specle 이미지 재구성, Applied Optics (ISSN 0003-6935), vol. 24, 1985년 5월 15일, 페이지 1403-1405.
  6. ^ Christou, J. C., 영상 품질, 팁 틸트 보정 및 시프트 앤 애드 적외선 영상, 태평양천문학회 간행물, vol. 103, 1991년 9월, 페이지 1040-1048
  7. ^ Baba, N; Isobe, Syuzo; Norimoto, Youji; Noguchi, Motokazu (May 1985). "Stellar speckle image reconstruction by the shift-and-add method". Applied Optics. 24 (10): 1403–5. Bibcode:1985ApOpt..24.1403B. doi:10.1364/AO.24.001403. PMID 20440355.
  8. ^ Labeyrie, Antoine (May 1970). "Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier Analysing Speckle Patterns in Star Images". Astronomy and Astrophysics. 6: 85L. Bibcode:1970A&A.....6...85L.
  9. ^ Weigelt, Gerd (April 1977). "Modified astronomical speckle interferometry 'speckle masking'". Optics Communications. 21 (1): 55–59. Bibcode:1977OptCo..21...55W. doi:10.1016/0030-4018(77)90077-3.
  10. ^ Baldwin, John; Haniff, C. A.; MacKay, C. D.; Warner, P. J. (April 1986). "Closure phase in high-resolution optical imaging". Nature. 320 (6063): 595. Bibcode:1986Natur.320..595B. doi:10.1038/320595a0. S2CID 4338037.
  11. ^ Baldwin, John; MacKay, C. D.; Titterington, D. J.; Sivia, D.; Baldwin, J. E.; Warner, P. J. (August 1987). "The First Images from Optical Aperture Synthesis". Nature. 328 (6132): 694. Bibcode:1987Natur.328..694B. doi:10.1038/328694a0. S2CID 4281897.

외부 링크

  • Hugin - 시프트 앤 애드 "이미지 스택" 기능을 갖춘 오픈 소스 이미지 소프트웨어
  • Iris - 프리웨어 천체 이미지 처리 소프트웨어
  • 자동스태커트 - 이미지 시퀀스의 정렬 및 스태킹으로 대기 왜곡의 영향을 최소화합니다.