Las imágenes afortunadas (también llamadas exposiciones afortunadas ) son una forma de imágenes de puntos que se utilizan para la astrofotografía . Las técnicas de imágenes de moteado utilizan una cámara de alta velocidad con tiempos de exposición lo suficientemente cortos (100 ms o menos) para que los cambios en la atmósfera de la Tierra durante la exposición sean mínimos.
Con imágenes afortunadas, las exposiciones óptimas menos afectadas por la atmósfera (típicamente alrededor del 10%) se eligen y combinan en una sola imagen cambiando y agregando las exposiciones cortas, produciendo una resolución angular mucho más alta de lo que sería posible con una sola exposición más larga . que incluye todos los marcos.
Explicación
Las imágenes tomadas con telescopios terrestres están sujetas al efecto borroso de la turbulencia atmosférica (que se ve a simple vista cuando las estrellas parpadean ). Muchos programas de imágenes astronómicas requieren una resolución más alta de la que es posible sin alguna corrección de las imágenes. Las imágenes afortunadas son uno de los varios métodos que se utilizan para eliminar el desenfoque atmosférico. Si se utiliza con una selección del 1% o menos, las imágenes afortunadas pueden alcanzar el límite de difracción de incluso telescopios de 2,5 m de apertura, un factor de mejora de resolución de al menos cinco en comparación con los sistemas de imágenes estándar.
Zeta Bootis fotografiado con el telescopio óptico nórdico el 13 de mayo de 2000 utilizando el método de imágenes de la suerte. (Los discos de Airy alrededor de las estrellas son difracción de la apertura del telescopio de 2,56 m).
Imagen típica de exposición corta de esta estrella binaria del mismo conjunto de datos, pero sin utilizar ningún procesamiento de moteado . El efecto de la atmósfera de la Tierra es romper la imagen de cada estrella en motas.
Demostración del principio
La secuencia de imágenes a continuación muestra cómo funcionan las imágenes afortunadas. [1] A partir de una serie de 50.000 imágenes tomadas a una velocidad de casi 40 imágenes por segundo, se han creado cinco imágenes de larga exposición diferentes. Además, al comienzo de la secuencia de demostración se muestran una exposición única con una calidad de imagen muy baja y otra exposición única con una calidad de imagen muy alta. El objetivo astronómico que se muestra tiene el ID 2MASS J03323578 + 2843554. El norte está arriba y el este a la izquierda.
Exposición única con baja calidad de imagen, no seleccionada para imágenes afortunadas. | Exposición única con una calidad de imagen muy alta, seleccionada para obtener imágenes afortunadas. | ||
Esta imagen muestra el promedio de todos los 50.000 imágenes, que es casi el mismo que los 21 minutos (50.000 / 40 segundos) la exposición a largo ver imagen limitada. Parece una típica imagen de estrella, ligeramente alargada. La anchura total a la mitad del máximo (FWHM) de la viendo disco es de alrededor de 0,9 segundos de arco. | Esta imagen muestra el promedio de las 50.000 imágenes individuales, pero aquí con el centro de gravedad (centroide) de cada imagen desplazado a la misma posición de referencia. Esta es la imagen de larga exposición con corrección de inclinación o estabilización de imagen. Ya se muestra más detalles - dos objetos - que el ver la imagen -limited. | ||
Esta imagen muestra las 25.000 (50% de selección) mejores imágenes promediadas, después de que el píxel más brillante de cada imagen se moviera a la misma posición de referencia. En esta imagen, casi podemos ver tres objetos. | Esta imagen muestra las 5.000 (10% de selección) mejores imágenes promediadas, después de que el píxel más brillante de cada imagen se moviera a la misma posición de referencia. El halo de visión circundante se reduce aún más, un anillo Airy alrededor del objeto más brillante se vuelve claramente visible. | ||
Esta imagen muestra las 500 mejores imágenes promediadas (selección del 1%), después de que el píxel más brillante de cada imagen se moviera a la misma posición de referencia. El halo de visión se reduce aún más. La relación señal-ruido del objeto más brillante es la más alta en esta imagen. |
La diferencia entre la imagen limitada de visualización (tercera imagen desde arriba) y el resultado de las mejores imágenes seleccionadas del 1% es bastante notable: se ha detectado un sistema triple. El componente más brillante de Occidente es una estrella M4V de magnitud V = 14,9. Este componente es la fuente de referencia de imágenes afortunada. El componente más débil consta de dos estrellas de clases espectrales M4.5 y M5.5. [2] La distancia del sistema es de unos 45 parsecs (pc). Se aprecian anillos de aire, lo que indica que se alcanzó el límite de difracción del telescopio de 2,2 m del Observatorio de Calar Alto . La relación señal / ruido de las fuentes puntuales aumenta con una selección más fuerte. El halo de visión del otro lado está más reprimido. La separación entre los dos objetos más brillantes es de alrededor de 0,53 segundos de arco y entre los dos objetos más tenues menos de 0,16 segundos de arco. A una distancia de 45 pc, esto corresponde a 7,2 veces la distancia entre la Tierra y el Sol, alrededor de mil millones de kilómetros ( 109 km).
Historia
Los métodos de imagen de la suerte se utilizaron por primera vez a mediados del siglo XX y se hicieron populares para obtener imágenes de planetas en las décadas de 1950 y 1960 (utilizando cámaras de cine, a menudo con intensificadores de imagen ). En su mayor parte, se necesitaron 30 años para perfeccionar las tecnologías de imágenes independientes para que esta tecnología de imágenes contra intuitiva se volviera práctica. El primer cálculo numérico de la probabilidad de obtener exposiciones afortunadas fue un artículo de David L. Fried en 1978. [3]
En las primeras aplicaciones de imágenes afortunadas, generalmente se suponía que la atmósfera manchaba o borrosaba las imágenes astronómicas. [4] En ese trabajo, se estimó el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) del desenfoque y se usó para seleccionar exposiciones. Estudios posteriores [5] [6] aprovecharon el hecho de que la atmósfera no difumina las imágenes astronómicas, pero generalmente produce múltiples copias nítidas de la imagen (la función de dispersión de puntos tiene motas ). Se utilizaron nuevos métodos que aprovecharon esto para producir imágenes de una calidad mucho mayor que la que se había obtenido asumiendo que la imagen estaba manchada .
En los primeros años del siglo XXI, se advirtió que la intermitencia turbulenta (y las fluctuaciones en las condiciones astronómicas de visión que producía) [7] podían aumentar sustancialmente la probabilidad de obtener una "exposición afortunada" para determinadas condiciones de visión astronómica promedio. [8] [9]
Lucky Imaging y sistemas híbridos de óptica adaptativa
En 2007, los astrónomos de Caltech y la Universidad de Cambridge anunciaron los primeros resultados de un nuevo sistema híbrido de imágenes afortunadas y óptica adaptativa (AO). La nueva cámara dio las primeras resoluciones limitadas por difracción en telescopios de clase 5 m en luz visible. La investigación se realizó en el monte. Telescopio Palomar Hale de apertura de 200 pulgadas de diámetro. El telescopio, con cámara de la suerte y óptica adaptativa, lo acercó a su resolución angular teórica, logrando hasta 0.025 segundos de arco para ciertos tipos de visualización. [10] En comparación con los telescopios espaciales como el Hubble de 2,4 m, el sistema todavía tiene algunos inconvenientes, incluido un campo de visión estrecho para imágenes nítidas (típicamente de 10 "a 20"), resplandor de aire y frecuencias electromagnéticas bloqueadas por la atmósfera .
Cuando se combina con un sistema AO, la imagen de la suerte selecciona los períodos en los que se reduce la turbulencia que el sistema de óptica adaptativa debe corregir. En estos periodos, que duran una pequeña fracción de segundo, la corrección que da el sistema AO es suficiente para dar una excelente resolución con luz visible. El sistema de imágenes de la suerte promedia las imágenes tomadas durante los períodos excelentes para producir una imagen final con una resolución mucho más alta que la que es posible con una cámara AO de larga exposición convencional.
Esta técnica es aplicable para obtener imágenes de muy alta resolución de objetos astronómicos relativamente pequeños, de hasta 10 segundos de arco de diámetro, ya que está limitada por la precisión de la corrección de la turbulencia atmosférica. También requiere una estrella de magnitud 14 relativamente brillante en el campo de visión sobre la cual guiarse. Al estar por encima de la atmósfera, el telescopio espacial Hubble no está limitado por estas preocupaciones y, por lo tanto, es capaz de obtener imágenes de alta resolución de campo mucho más amplio.
Popularidad de la técnica
Tanto los astrónomos aficionados como los profesionales han comenzado a utilizar esta técnica. Las cámaras web y videocámaras modernas tienen la capacidad de capturar exposiciones breves y rápidas con suficiente sensibilidad para la astrofotografía , y estos dispositivos se utilizan con un telescopio y el método de desplazamiento y adición de imágenes de moteado (también conocido como apilamiento de imágenes ) para lograr una resolución previamente inalcanzable. Si se descartan algunas de las imágenes, este tipo de videoastronomía se denomina imagen de la suerte .
Existen muchos métodos para la selección de imágenes, incluido el método de selección de Strehl sugerido por primera vez [11] por John E. Baldwin del grupo de Cambridge [12] y la selección de contraste de imagen utilizada en el método de reconstrucción selectiva de imágenes de Ron Dantowitz. [13]
El desarrollo y la disponibilidad de CCD de multiplicación de electrones (EMCCD, también conocido como LLLCCD, L3CCD o CCD de bajo nivel de luz) ha permitido la primera obtención de imágenes afortunadas de alta calidad de objetos débiles.
El 27 de octubre de 2014, Google introdujo una técnica similar llamada HDR +. HDR + toma una ráfaga de tomas con exposiciones cortas, alineando selectivamente las tomas más nítidas y promediando usando técnicas de fotografía computacional . Las exposiciones cortas evitan el desenfoque, las altas luces y el promedio de varias tomas reducen el ruido. [14] HDR + se procesa en aceleradores de hardware, incluidos los DSP Qualcomm Hexagon y Pixel Visual Core . [15]
Metodos alternativos
Otros enfoques que pueden producir un poder de resolución que exceda los límites de la visión atmosférica incluyen la óptica adaptativa , la interferometría , otras formas de imágenes de puntos y los telescopios espaciales como el telescopio espacial Hubble de la NASA .
Ver también
- CL Stong 1956 entrevista al científico Robert B. Leighton para Amateur Scientist , "Sobre el problema de hacer fotografías más nítidas de los planetas", Scientific American, Vol 194, junio de 1956, p. 157. Primer ejemplo de selección de exposición con corrección mecánica de inclinación de la punta (usando película de cine y tiempos de exposición de 2 segundos o más).
- William A. Baum 1956, "Fotografía electrónica de estrellas", Scientific American, Vol. 194, marzo de 1956. Discute la selección de exposiciones cortas en momentos cuando la imagen a través de un telescopio es más nítida (usando intensificador de imagen y exposiciones cortas).
Referencias
- ^ Hippler, Stefan; et al. (2009). "El instrumento de imágenes AstraLux Sur Lucky en el NTT" (PDF) . El mensajero . 137 : 14-17. Código Bibliográfico : 2009Msngr.137 ... 14H .
- ^ Janson, Markus; Hormuth, Felix; Bergfors, Carolina; Brandner, Wolfgang; Hippler, Stefan; Daemgen, Sebastian; Kudryavtseva, Natalia; Schmalzl, Eva; Schnupp, Carolin; Henning, Thomas (2012). "La encuesta de multiplicidad Astralux Large M-Dwarf". El diario astrofísico . 754 (1): 44. arXiv : 1205.4718 . Código bibliográfico : 2012ApJ ... 754 ... 44J . doi : 10.1088 / 0004-637X / 754/1/44 . S2CID 118475425 .
- ^ Fried, David L. (1978). "Probabilidad de obtener una imagen afortunada de corta exposición a través de la turbulencia". Revista de la Optical Society of America . 68 (12): 1651. doi : 10.1364 / JOSA.68.001651 .
- ^ Nieto, J. -L; Thouvenot, E. (1991). "Recentrado y selección de imágenes de corta exposición con detectores de conteo de fotones". Astronomía y Astrofísica . 241 : 663. Bibcode : 1991A & A ... 241..663N .
- ^ Law, NM; MacKay, CD; Baldwin, JE (2006). "Imágenes de la suerte: imágenes de alta resolución angular en lo visible desde el suelo". Astronomía y Astrofísica . 446 (2): 739–745. arXiv : astro-ph / 0507299 . Bibcode : 2006A & A ... 446..739L . doi : 10.1051 / 0004-6361: 20053695 . S2CID 17844734 .
- ^ Tubbs, Robert Nigel (2003). Exposiciones afortunadas: imágenes astronómicas limitadas por difracción a través de la atmósfera (tesis doctoral). Universidad de Cambridge. doi : 10.17863 / CAM.15991 . hdl : 1810/224517 .
- ^ Batchelor, GK; Townsend, AA (1949). "La naturaleza del movimiento turbulento en grandes números de ondas". Actas de la Royal Society of London. Serie A. Ciencias Físicas y Matemáticas . 199 (1057): 238-255. Código Bib : 1949RSPSA.199..238B . doi : 10.1098 / rspa.1949.0136 . S2CID 122967707 .
- ^ Baldwin, JE; Warner, PJ; MacKay, CD (2008). "La función de dispersión de puntos en Lucky Imaging y variaciones en la visualización en escalas de tiempo cortas" . Astronomía y Astrofísica . 480 (2): 589–597. Bibcode : 2008A & A ... 480..589B . doi : 10.1051 / 0004-6361: 20079214 .
- ^ Tubbs, Robert N. (2006). "El efecto de las fluctuaciones temporales en r 0 en observaciones de alta resolución". Avances en Óptica Adaptativa II . Procedimientos de SPIE. 6272 . págs. 62722Y. doi : 10.1117 / 12.671170 . S2CID 119391503 .
- ^ Fienberg, Richard Tresch (14 de septiembre de 2007). "Afilado de las 200 pulgadas" . Cielo y telescopio .
- ^ Baldwin, JE; Tubbs, RN; Cox, GC; MacKay, CD; Wilson, RW; Andersen, MI (2001). "Imágenes de 800 nm de difracción limitada con el telescopio óptico nórdico de 2,56 m". Astronomía y Astrofísica . 368 : L1 – L4. arXiv : astro-ph / 0101408 . Bibcode : 2001A y A ... 368L ... 1B . doi : 10.1051 / 0004-6361: 20010118 . S2CID 18152452 .
- ^ "Imágenes de la suerte" . Instituto de Astronomía, Universidad de Cambridge. 27 de enero de 2020 . Consultado el 11 de febrero de 2021 .
- ^ Dantowitz, Ronald F .; Teare, Scott W .; Kozubal, Marek J. (2000). "Imágenes de alta resolución basadas en tierra de mercurio". El diario astronómico . 119 (5): 2455–2457. Código Bibliográfico : 2000AJ .... 119.2455D . doi : 10.1086 / 301328 .
- ^ "HDR +: fotografía con poca luz y alto rango dinámico en la aplicación Google Camera" . Blog de IA de Google . Consultado el 2 de agosto de 2019 .
- ^ "Presentamos el conjunto de datos de fotografía HDR + Burst" . Blog de IA de Google . Consultado el 2 de agosto de 2019 .
enlaces externos
- Imágenes de la suerte amateur
- Imágenes de la suerte con Astralux en el telescopio de 2,2 m de Calar Alto
- Detalles de los instrumentos de imagen de la suerte de Calar Alto y La Silla
- Detalles del instrumento LuckyCam en el telescopio óptico nórdico
- Artículo de BBC News: Imágenes 'más claras' tomadas del espacio
- Imágenes afortunadas usando tubos intensificadores gen 3