[論文レビュー] Lucky Exposures: Diffraction limited astronomical imaging through the atmosphere

Robert N. Tubbs|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2003

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 74被引用数 30

ひとこと要約

この論文では、大規模なデータセットから最良の短時間露光フレームを選択し、合成することで、地上望遠鏡を用いた回折限界の天体画像取得を実現する「ラッキーエクposure」技術を提示している。大気の乱流を克服し、Iバンドで最高でStrehl比0.26、FWHMが90ミリアーセコンドにまで低く抑えられ、I ∼16程度の明るさの参照星を用いても、810 nmで60アーセコンドのアイソプランティック領域を達成した。

ABSTRACT

The resolution of astronomical imaging from large optical telescopes is usually limited by the blurring effects of refractive index fluctuations in the Earth’s atmosphere. By taking a large number of short exposure images through the atmosphere, and then selecting, re-centring and co-adding the best images this resolution limit can be overcome. This approach has significant benefits over other techniques for high-resolution optical imaging from the ground. In particular the reference stars used for our method (the Lucky Exposures technique) can generally be fainter than those required for the natural guide star adaptive optics approach or those required for other speckle imaging techniques. The low complexity and low instrumentation costs associated with the Lucky Exposures method make it appealing for medium-sized astronomical observatories. The method can provide essentially diffraction-limited I-band imaging from well-figured ground-based telescopes as large as 2.5 m diameter. The faint limiting magnitude and large isoplanatic patch size for the Lucky Exposures technique at the Nordic Optical Telescope means that 25% of the night sky is within range of a suitable reference star for I-band imaging. Typically the 1%—10% of exposures with the highest Strehl ratios are selected. When these exposures are shifted and added together, field stars in the resulting images have Strehl ratios as high as 0.26 and full width at half maximum flux (FWHM) as small as 90 milliarcseconds. Within the selected exposures the isoplanatic patch is found to be up to 60 arcseconds in diameter at 810 nm wavelength. Images within globular clusters and of multiple stars from the Nordic Optical Telescope using reference stars as faint as I 16 are presented. A new generation of CCDs (Marconi L3Vision CCDs) were used in these observations, allowing extremely low noise high frame-rate imaging with both fine pixel sampling and a relatively wide field of view. The theoretical performance of these CCDs is compared with the experimental results obtained.

研究の動機と目的

• 新しい低コストの画像取得技術を用いて、地上光学天文学における大気乱流の制限を克服すること。
• 明るい自然ガイド星に依存しない、明るさの低い参照星を用いた高分解能画像取得を可能にすること。
• 短時間露光の選択と合成を用いて、中型望遠鏡でも回折限界の画像取得が可能であることを実証すること。
• 新規の低ノイズ・高フレームレートCCD（E2V L3Vision）が天文画像取得応用において果たす性能を検証すること。

提案手法

• 大気乱流を凍結させるために、通常10–100 ms程度の短時間露光画像を多数取得する。
• 画像のシャープネス指標に基づき、Strehl比が最も高い1%–10%の露光フレームを選択する。
• 残存する大気によるドリフトを補正するため、交差相関またはセントロイド法を用いて選択画像を再中心化する。
• 最良の露光フレームを合成して、分解能と信号対雑音比が向上した最終画像を生成する。
• この技術は、大気乱流の統計的性質を利用しており、短時間露光が一時的で安定した波フロントを捉えると仮定している。
• E2V L3Vision CCDの使用により、低ノイズで高フレームレートの画像取得が可能となり、細かいピクセルサンプリングと広視野を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アダプティブオプティクスを用いずに、短時間露光の選択のみで地上から回折限界の画像取得が可能か？
• RQ2 ラッキーエクposure法において、信頼性の高い画像選択が可能な参照星の最小視等級は何か？
• RQ3 この技術におけるアイソプランティック領域の大きさはどの程度で、波長および見通し条件に応じてどのように変化するか？
• RQ4 新規の低ノイズ・高フレームレートCCDは、ラッキーエクposure法の性能をどの程度向上させるか？
• RQ5 2.5m望遠鏡を用いた実際の運用で、この手法により達成可能なStrehl比とFWHMはどの程度か？

主な発見

• ノルディック光学望遠鏡を用いた実験で、ラッキーエクposure技術により、Strehl比が最高で0.26、FWHMが90ミリアーセコンドにまで低く抑えられた合成画像が得られた。
• 810 nmの波長で、アイソプランティック領域の直径が60アーセコンドであることが測定された。
• I ∼16程度の明るさの参照星を用いても、Iバンドで回折限界の画像取得が可能であり、これは夜空のおよそ25%をカバーする。
• この手法により、フィールド星、連星、球状星団の高分解能画像が正常に得られた。
• E2V L3Vision CCDは優れた性能を示し、実験結果が理論的ノイズとフレームレートの予測とよく一致した。
• 最良の露光フレームの選択率が1%–10%に留まっても、大気による劣化を克服し、回折限界の画像を生成するのに十分であった。