Institut für Astronomie und Astrophysik Abteilung Astronomie Sand 1, D-72076 Tübingen, Germany
Hinweis: Einige Seiten auf astro.uni-tuebingen.de können veraltet sein und werden nicht mehr aktualisiert. Note: Some webpages at astro.uni-tuebingen.de may be outdated and will no longer be updated.

Dissertation Hans J. Einighammer

Optische Integrationsmethoden zur Reduzierung des Rauschens Photographischer Bilder und eine Röngenastronomiesche Anwendung

Summary.
Die Steigerung der Lichtstärke eines optischen Instruments zur Erhöhung der auf ein Bildelement entfallenden Energie (Punktbildarbeit) und zur Reduzierung des Rauschens ist - unter Beibehaltung von Bildweite und räumlicher Auflösung - solange unproblematisch, soweit es gelingt, das Öffnungsverhältnis des Objektivs zu vergrößern. Das kann nur durch möglichst geeignete Ausnutzung der Brechung, Reflexion oder Beugung geschehen.
a) Die Blende einer teleskopischen Lochkamera ist ein Objektiv, bei dem diese drei Möglichkeiten nicht bestehen, wenn man von der geringen fokussierenden Wirkung eines optimalen Lochs, also der Zonenplatte mit nur einer Zone, absieht. Die Vergrößerung von D/f ist hier stets mit einer Auflösungsverschlechterung verbunden.
b) Bei fokussierenden Objektiven ist die Forderung nach größerer Punktbildarbeit bis zu einer bestimmten Grenze durch die Vergrößerung des Öffnungsverhältnisses erfüllbar. Diese ist häufig durch die Möglichkeiten der Fehlerkorrektur (Brechungsindizes verfügbarer Materialien) und schließlich prinzipiell durch die endliche bildseitige Apertur gegeben. Das ÖffnungsVerhältnis der Zonenplatte D/f = lambda/s_n ist technologisch dadurch begrenzt, daß die Breite s_n des äußeren offenen Rings nicht beliebig klein gemacht werden kann (z. Zt. 0,3 bis 0,5 µm). Hier bestimmt also außer dem Objekt nur die Wellenlänge die Energieflußdichte in der Bildebene. D/f beträgt für weiche Röntgenstrahlen (lambda ~ 50 Å) etwa 1/100.
c) Eine zu geringe Punktbildarbeit macht sich durch optisches Rauschen bemerkbar. Um in einem verrauschten Bild eine Intensitätsmessung mit bestimmter Genauigkeit zu machen, d. h. eine Photonen- oder Kornzählung mit einem genügend kleinen statistischen Fehler durchführen zu können, muß eine hinreichend große z.B. runde oder quadratische Meßfläche verwendet werden. Der Abstand delta_st zweier unabhängiger eng benachbarter Meß-"Punkte" in einem beispielsweise gleichmäßig belichteten Feld kann daher nicht kleiner sein als der Durchmesser dieser Blende. delta_st hat die Bedeutung einer statistisch definierten lateralen Auflösungsgrenze, die unabhängig von der optischen Auflösungsgrenze delta_opt ist. Eine Kamera sollte so dimensioniert werden, daß delta_st <~ delta_opt wird.
d) Zur optischen Überlagerung der Bilder der Matrix-Kamera können erstens Linsen in Form einer Linsen-Matrix verwendet werden. Eine Schwierigkeit besteht bei dieser Methode in der Herstellung gleicher Elementverteilung bei der Löcher- bzw. Zonenplatten-Matrix und der Linsen-Matrix (Anpassung).
Es wurden folgende Experimente zur Bildintegration durchgeführt:
1. Zur Demonstration der Verminderung des Rauschens wurde eine Bilder-Matrix mit 85 Bildern, die unter der statistischen Schwelle liegen, mit einer Linsen-Matrix aufsummiert. Hierbei wurde die Bilder-Matrix im Sichtbaren auch mit der gleichen Linsen-Matrix aufgenommen.
2. Die Grenzauflösung eines als Linsen-Matrix geeigneten "Fliegenaugen"-Objektivs der Fa. Photosystems Corp, mit 2000 Elementen konnte zu etwa 7 um bestimmt werden, eine Auflösung, die auch in Summationsanordnung etwa erreicht wird. Die Lage der Elemente bezüglich des quadratischen Verteilungsmusters ist - gemessen an der hauptsächlich durch Beugung gegebenen Auflösungsgrenze - jedoch merklich ungenau.
3. Durch Abbildung eines gleichmäßig belichteten Röntgenfilms mit dem FA-Objektiv in Summationsanordnung wurde unter Variation der Anzahl N der Kanäle in 8 Schritten zwischen l und 1,5x10³ die Rauschverteilung im Summenbild photographisch aufgenommen. Nach photometrischer Auswertung konnte die mittlere quadratische Schwankung in Abhängigkeit von N ermittelt werden. Das statistische Gesetz der Abnahme der relativen mittleren Schwankung sigma(I)/I mit Wurzel(N) für die Intensitätsverteilungen wurde verifiziert. Ferner wurden die Autokorrelationsfunktionen des Films und des Summenbildes miteinander verglichen.
4. Das holographische Integrationsverfahren wurde im Sichtbaren erprobt: Nach Abbildung einer Glühwendel mittels einer Loch-Matrix-Kamera (N = 100) wurden die Einzelbilder der dabei erhaltenen Bilder-Matrix mit Hilfe des Hologramms der Loch-Matrix optisch überlagert. Hierbei dienten die zu den einzelnen Löchern gehörenden Komponenten des Hologramms als abbildende Elemente.
5. Bei einem von der ESRO durchgeführten Raketenexperiment des Astronomischen Instituts (Rl70, Kampangne CN 16, Sardinien, 1971) wurde eine Abbildung der Sonne im Lichte weicher Röntgenstrahlung mit einer Loch-Matrix-Kamera (N = 96) im Weltraum durchgeführt. Die dabei erhaltene Bilder-Matrix konnte nach beiden Verfahren im Labor ausgewertet werden. Die Anpassung der Matrizen im Falle der Linsenmethode wurde durch Justieren der Linsenelemente von Hand und unter optischer Kontrolle erreicht. Die beiden gut übereinstimmenden Summenbilder konnten mit Zonenplattenbildern verglichen werden, die bei dem gleichen Experiment gewonnen wurden. Der Intensitätsgewinn durch Verwendung der Matrix entsprach der Erwartung.
 

Dissertation (94,67 Mb PDF file including figures)

[Home Page] [PhD theses / Dissertationen] [Quick Reference] [Feedback]

| Impressum Last modified 15 Jul 2011