Immagini fortunate - Lucky imaging

Immagine fortunata del nucleo M15

L'imaging fortunato (chiamato anche esposizioni fortunate ) è una forma di immagine speckle utilizzata per l' astrofotografia . Le tecniche di imaging delle macchie utilizzano una telecamera ad alta velocità con tempi di esposizione sufficientemente brevi (100 ms o meno) in modo che i cambiamenti nell'atmosfera terrestre durante l'esposizione siano minimi.

Con l'imaging fortunato, quelle esposizioni ottimali meno influenzate dall'atmosfera (tipicamente intorno al 10%) vengono scelte e combinate in una singola immagine spostando e aggiungendo le brevi esposizioni, ottenendo una risoluzione angolare molto più elevata di quanto sarebbe possibile con una singola esposizione più lunga , che include tutti i frame.

Spiegazione

Le immagini scattate con i telescopi terrestri sono soggette all'effetto di sfocatura della turbolenza atmosferica (vista ad occhio nudo mentre le stelle scintillano ). Molti programmi di imaging astronomico richiedono una risoluzione maggiore di quella possibile senza una certa correzione delle immagini. L'imaging fortunato è uno dei diversi metodi utilizzati per rimuovere la sfocatura atmosferica. Utilizzato con una selezione dell'1% o meno, l'imaging fortunato può raggiungere il limite di diffrazione anche di telescopi con apertura di 2,5 m, un fattore di miglioramento della risoluzione di almeno cinque rispetto ai sistemi di imaging standard.

Dimostrazione del principio

La sequenza di immagini sotto mostra come funziona l'imaging fortunato. Da una serie di 50.000 immagini scattate a una velocità di quasi 40 immagini al secondo, sono state create cinque diverse immagini a lunga esposizione. Inoltre, una singola esposizione con una qualità dell'immagine molto bassa e un'altra singola esposizione con una qualità dell'immagine molto alta vengono mostrate all'inizio della sequenza demo. Il target astronomico mostrato ha l' ID 2MASS J03323578 + 2843554. Il Nord è in alto e l'Est a sinistra.

LuckySingleExposureStrehl 3.5Percent Esposizione singola con bassa qualità dell'immagine, non selezionata per immagini fortunate. Lucky Single Exposure Strehl 16Percent Esposizione singola con qualità dell'immagine molto elevata, selezionata per immagini fortunate.
LuckyImagingDemonstration1.png Questa immagine mostra la media di tutte le 50.000 immagini, che è quasi la stessa della lunga esposizione di 21 minuti (50.000 / 40 secondi) vedendo un'immagine limitata. Sembra una tipica immagine stellare, leggermente allungata. La larghezza a metà altezza (FWHM) del vedere disco è circa 0,9 secondi d'arco. LuckyImagingDemonstration2.png Questa immagine mostra la media di tutte le 50.000 immagini singole ma qui con il centro di gravità (centroide) di ciascuna immagine spostato nella stessa posizione di riferimento. Questa è l' immagine a lunga esposizione corretta con inclinazione in punta o stabilizzata. Essa mostra già Maggiori informazioni - due oggetti - che il vedendo immagine -limited.
LuckyImagingDemonstration3.png Questa immagine mostra la media delle 25.000 immagini migliori (50% di selezione), dopo che il pixel più luminoso di ciascuna immagine è stato spostato nella stessa posizione di riferimento. In questa immagine possiamo quasi vedere tre oggetti. LuckyImagingDemonstration4.png Questa immagine mostra la media delle 5.000 immagini migliori (selezione del 10%), dopo che il pixel più luminoso di ciascuna immagine è stato spostato nella stessa posizione di riferimento. Intorno vedendo halo è ulteriormente ridotta, un anello di Airy intorno all'oggetto luminoso diventa chiaramente visibile.
LuckyImagingDemonstration5.png Questa immagine mostra la media delle 500 immagini migliori (selezione dell'1%), dopo che il pixel più luminoso di ciascuna immagine è stato spostato nella stessa posizione di riferimento. Il vedendo alone è ulteriormente ridotto. Il rapporto segnale / rumore dell'oggetto più luminoso è il più alto in questa immagine.

La differenza tra l' immagine con visibilità limitata (terza immagine dall'alto) e il miglior risultato di immagini selezionate all'1% è piuttosto notevole: è stato rilevato un sistema triplo. La componente più luminosa in Occidente è una stella M4V di magnitudine V = 14,9. Questo componente è la fortunata fonte di riferimento per le immagini. La componente più debole è costituita da due stelle di classi spettrali M4.5 e M5.5. La distanza del sistema è di circa 45 parsec (pc). Si possono vedere anelli aerati, che indicano che è stato raggiunto il limite di diffrazione del telescopio di 2,2 m dell'Osservatorio Calar Alto . Il rapporto segnale / rumore delle sorgenti puntiformi aumenta con una selezione più forte. La vedendo alone sul lato opposto è più soppressa. La distanza tra i due oggetti più luminosi è di circa 0,53 arcsec e tra i due oggetti più deboli meno di 0,16 arcsec. Ad una distanza del 45% ciò corrisponde a 7,2 volte la distanza tra la Terra e il Sole, circa 1 miliardo di chilometri (10 9 km).

Storia

I metodi di imaging fortunati furono utilizzati per la prima volta nella metà del 20 ° secolo e divennero popolari per l'imaging dei pianeti negli anni '50 e '60 (usando telecamere cinematografiche, spesso con intensificatori di immagine ). Per la maggior parte ci sono voluti 30 anni per perfezionare le tecnologie di imaging separate affinché questa tecnologia di imaging controintuitiva diventasse pratica. Il primo calcolo numerico della probabilità di ottenere esposizioni fortunate fu un articolo di David L. Fried nel 1978.

Nelle prime applicazioni di imaging fortunato, si presumeva generalmente che l'atmosfera offuscasse o offuscasse le immagini astronomiche. In quel lavoro, è stata stimata l' intera larghezza a metà massimo (FWHM) della sfocatura e utilizzata per selezionare le esposizioni. Studi successivi hanno approfittato del fatto che l'atmosfera non offusca le immagini astronomiche, ma generalmente produce più copie nitide dell'immagine (la funzione di diffusione del punto ha delle macchie ). Sono stati utilizzati nuovi metodi che ne hanno approfittato per produrre immagini di qualità molto superiore rispetto a quelle ottenute supponendo che l'immagine fosse macchiata .

Nei primi anni del 21 ° secolo, ci si rese conto che l'intermittenza turbolenta (e le fluttuazioni nelle condizioni di seeing astronomico che produceva) poteva aumentare sostanzialmente la probabilità di ottenere una "esposizione fortunata" per date condizioni astronomiche medie di seeing.

Sistemi ibridi di imaging fortunato e ottica adattiva

Nel 2007 gli astronomi del Caltech e dell'Università di Cambridge hanno annunciato i primi risultati di un nuovo sistema ibrido di imaging fortunato e ottica adattiva (AO). La nuova fotocamera ha fornito le prime risoluzioni limitate dalla diffrazione su telescopi di classe 5 m in luce visibile. La ricerca è stata eseguita sul Monte. Telescopio Palomar Hale con un'apertura di 200 pollici di diametro. Il telescopio, con lucky cam e ottica adattiva, lo ha avvicinato alla sua risoluzione angolare teorica, raggiungendo fino a 0,025 secondi d'arco per certi tipi di visione. Rispetto ai telescopi spaziali come l'Hubble da 2,4 m, il sistema presenta ancora alcuni inconvenienti tra cui un campo visivo ristretto per immagini nitide (tipicamente da 10 "a 20"), bagliore d'aria e frequenze elettromagnetiche bloccate dall'atmosfera .

Quando combinato con un sistema AO, l'imaging fortunato seleziona i periodi in cui la turbolenza che il sistema di ottica adattiva deve correggere è ridotta. In questi periodi, della durata di una piccola frazione di secondo, la correzione data dal sistema AO è sufficiente per dare un'ottima risoluzione con luce visibile. Il fortunato sistema di imaging calcola la media delle immagini scattate durante i periodi eccellenti per produrre un'immagine finale con una risoluzione molto più alta di quella possibile con una fotocamera AO convenzionale a lunga esposizione.

Questa tecnica è applicabile per ottenere immagini ad altissima risoluzione di soli oggetti astronomici relativamente piccoli, fino a 10 secondi d'arco di diametro, poiché è limitata dalla precisione della correzione della turbolenza atmosferica. Richiede anche una stella di quattordicesima magnitudine relativamente luminosa nel campo visivo su cui guidare. Essendo al di sopra dell'atmosfera, il telescopio spaziale Hubble non è limitato da queste preoccupazioni ed è quindi in grado di eseguire immagini ad alta risoluzione su un campo molto più ampio.

Popolarità della tecnica

Sia gli astronomi dilettanti che quelli professionisti hanno iniziato a utilizzare questa tecnica. Le moderne webcam e videocamere hanno la capacità di catturare brevi esposizioni rapide con sufficiente sensibilità per l' astrofotografia , e questi dispositivi vengono utilizzati con un telescopio e il metodo shift-and-add dell'imaging speckle (noto anche come impilamento di immagini ) per ottenere una risoluzione precedentemente irraggiungibile. Se alcune delle immagini vengono scartate, questo tipo di videoastronomia viene chiamato imaging fortunato .

Esistono molti metodi per la selezione delle immagini, incluso il metodo di selezione Strehl suggerito per la prima volta da John E. Baldwin del gruppo Cambridge e la selezione del contrasto dell'immagine utilizzata nel metodo di ricostruzione selettiva dell'immagine di Ron Dantowitz.

Lo sviluppo e la disponibilità di CCD moltiplicatori di elettroni (EMCCD, noto anche come LLLCCD, L3CCD o CCD a basso livello di luce) ha consentito la prima immagine fortunata di alta qualità di oggetti deboli.

Il 27 ottobre 2014, Google ha introdotto una tecnica simile chiamata HDR +. HDR + scatta una raffica di scatti con esposizioni brevi, allineando selettivamente gli scatti più nitidi e calcolandone la media utilizzando tecniche di fotografia computazionale . Le brevi esposizioni evitano la sfocatura, l'eliminazione delle alte luci e la media di più scatti riduce il rumore. HDR + viene elaborato su acceleratori hardware inclusi i DSP Qualcomm Hexagon e Pixel Visual Core .

Metodi alternativi

Altri approcci che possono produrre un potere risolutivo che supera i limiti del seeing atmosferico includono l'ottica adattiva , l' interferometria , altre forme di imaging speckle e telescopi spaziali come il telescopio spaziale Hubble della NASA .

Guarda anche

  • CL Stong 1956 che intervista lo scienziato Robert B. Leighton per Amateur Scientist , "Concerning the Problem of Making Sharper Photographs of the Planets", Scientific American, Vol 194, giugno 1956, p. 157. Primo esempio di selezione dell'esposizione con correzione meccanica dell'inclinazione della punta (utilizzando pellicole cinematografiche e tempi di esposizione di 2 secondi o più).
  • William A. Baum 1956, "Electronic Photography of Stars", Scientific American, Vol 194, marzo 1956. Discute la selezione di brevi esposizioni nei momenti in cui l'immagine attraverso un telescopio è più nitida (usando intensificatore di immagine e brevi esposizioni).

Riferimenti

link esterno