A Point-Spread Function for the Extreme Ultraviolet High-Resolution Imager on board Solar Orbiter

Technische Samenvatting: Een puntverspreidingsfunctie voor de High-Resolution Imager in het extreme ultraviolette op Solar Orbiter

Probleemstelling
De Extreme Ultraviolet High-Resolution Imager (HRIEUV) aan boord van Solar Orbiter observeert de Zon op 174 Å. Net als veel instrumenten die op deze golflengten werken, lijdt HRIEUV onder significante instrumentale lichtverdeling veroorzaakt door diffractie en verstrooiing. Deze verdeling verslechtert de beeldresolutie en het dynamisch contrast, verduistert zwakke structuren en vermindert de fotometrische nauwkeurigheid. De lichtverdeling ontstaat uit twee primaire bronnen: (1) diffractie veroorzaakt door de mechanische bevestigingen en gaasroosters die de ingangs- en filterwielfilters ondersteunen, en (2) diffuse verstrooiing als gevolg van de micro-ruwheid van de telescops spiegels. Zonder een nauwkeurige karakterisering van de puntverspreidingsfunctie (PSF) kunnen deze instrumentele effecten niet worden gecorrigeerd, wat de wetenschappelijke bruikbaarheid van de waarnemingen beperkt.

Methodologie
De auteurs leiden de HRIEUV-PSF af door theoretische modellering van diffractie te combineren met empirische kalibratie van diffuse verstrooiing, gebruikmakend van waarnemingen van de Mercuriusdoorgang van 3 januari 2023.

1. Diffractiemodellering: Het diffractiecomponent werd afgeleid uit de technische tekeningen van het instrument. Vanwege computergrenzen die volledige tweedimensionale Fresnel-propagatie verhinderden (wat ongeveer 12 TB geheugen zou vereisen), hanteerden de auteurs een "vereenvoudigd-gecombineerde" aanpak. Deze methode modelleert diffractie van het ingangsfilters met behulp van Fraunhofer-propagatie van de ingangspupil naar de detector en berekent diffractie van het filterwielgaas met een analytische ver-veldoplossing. Deze individuele patronen worden geconvolueerd om de totale diffractie-PSF te vormen. Eendimensionale Fresnel-modellering werd gebruikt om te valideren dat deze vereenvoudiging resultaten oplevert die consistent zijn met volledige nabij-veldpropagatie binnen de resolutie van de detectorpixels.
2. Kalibratie van diffuse verstrooiing: Het component van diffuse verstrooiing werd gekalibreerd met behulp van 126 beelden van de Mercuriusdoorgang. De methodologie maakt gebruik van een semi-blind inversie-algoritme (gebaseerd op Hofmeister et al. 2022) dat het ruimtelijke profiel van verstrooid licht reconstrueert. Door de intensiteiten binnen de verduisterde pixels van Mercurius te analyseren – waar de ware zonne-intensiteit nul is maar verstrooid licht van de omringende schijf aanwezig is – hebben de auteurs de PSF-coëfficiënten opgelost.
   • De inversie incorporateerde de bekende diffractie-PSF als een vast component.
   • Het component van diffuse verstrooiing werd ruimtelijk gediskretiseerd in concentrische schillen.
   • Er werd een iteratief proces gebruikt: beelden deconvolueren met de huidige PSF-schatting, verduisterde pixels op nul zetten om het ware beeld te benaderen, en de PSF-coëfficiënten opnieuw aanpassen.
   • Om overfitting te voorkomen en robuustheid te waarborgen, werd de diffuse PSF geparametriseerd met een "verzacht machtsverval" ($f_{psfS}(\Delta r) = a / (b + \Delta r)^c$).
   • Onzekerheid werd beoordeeld via cross-validatie en bootstrapping, en robuustheid werd getest tegen potentiële anisotropieën en kalibratiefouten van de donkerstroom.

Belangrijkste bijdragen en resultaten

• Kwantificering van lichtverdeling: De studie bepaalt dat 56,6% van het invallende licht over de detector wordt ververdeeld. Specifiek wordt ongeveer 26,4% gediffracteerd (voornamelijk door het gaas van het ingangsfilters en de bevestiging), en 41,1% wordt diffus verstrooid (waarschijnlijk door micro-ruwheid van de spiegels).
• Karakterisering van de PSF:
  • Diffractie: Het diffractiepatroon wordt gedomineerd door het gaas van het ingangsfilters, wat richtingsgebonden pieken creëert met een onderlinge afstand van 5,74 pixels. De bevestiging van het ingangsfilters draagt bij aan de PSF-kern, terwijl het gaas van het filterwiel voornamelijk bijdraagt aan diffractie op korte afstand.
  • Diffuse verstrooiing: Het diffuse component wordt goed beschreven door een verzacht machtsverval. Het verstrooit 41% van het licht over de detector, waarbij de intensiteit steil afneemt met de afstand.
• Validatie: De afgeleide PSF werd gevalideerd tegen waarnemingen van zonnevlammen en de Mercuriusdoorgang. Simulaties met de gecombineerde PSF slaagden erin de waargenomen intensiteitsverdelingen langs diffractiearmen en binnen de schaduw van Mercurius te reproduceren, met fouten die over het algemeen binnen ±4% lagen (oplopend tot 13% op specifieke detectorposities).
• Beeldcorrectie: Het toepassen van deconvolutie (met het Richardson-Lucy-algoritme) met de afgeleide PSF verbetert de beeldkwaliteit aanzienlijk. De auteurs melden dat het corrigeren voor deze effecten de intensiteit van heldere structuren met tot 40% verhoogt en de intensiteit van donkere structuren met tot 85% verlaagt, waardoor het dynamisch bereik en het contrast worden versterkt.

Betekenis en claims
Het artikel beweert dat de afgeleide PSF een kwantitatieve beschrijving biedt van de instrumentele effecten die HRIEUV beïnvloeden, waardoor correctie van beelden voor verstrooid en gediffracteerd licht mogelijk wordt. De auteurs benadrukken dat deze correctie het dynamisch bereik en het contrast van waarnemingen aanzienlijk verbetert, wat nauwkeurigere wetenschappelijke analyse mogelijk maakt.

De studie biedt ook inzichten in instrumentontwerp, waarbij wordt opgemerkt dat hoewel het gaas van het filterwiel zich in het nabije veld van de detector bevindt, de analytische ver-veldoplossing een voldoende benadering biedt voor het resulterende diffractiepatroon, gezien de pixelgrootte van de detector. Bovendien toont de vergelijking met de Atmospheric Imaging Assembly (AIA) aan dat, hoewel HRIEUV een groter deel van het licht verstrooit dan AIA, dit over kortere hoekafstanden gebeurt, wat gunstig kan zijn voor waarnemingen buiten de limb. De auteurs concluderen dat de afgeleide PSF moet worden beschouwd als een detector-gemiddelde representatie, aangezien kleine ruimtelijke variaties in de PSF of resterende intensiteitsgradiënten niet definitief van de data konden worden onderscheiden. De PSF en de bijbehorende deconvolutietools worden beschikbaar gesteld aan de gemeenschap om de fotometrische nauwkeurigheid en scherpte van HRIEUV-gegevens te verbeteren.