ラッキーイメージング

ラッキーイメージング（ラッキー露出とも呼ばれる）は、天体写真撮影に使用されるスペックルイメージングの 1 つの形式です。スペックルイメージング技術では、露出時間を十分に短く（100 ミリ秒以下）した高速カメラを使用するため、露出中の 地球の大気の変化は最小限に抑えられます。

ラッキーな撮影では、大気の影響が最も少ない最適な露出（通常は約 10%）が選択され、短い露出をシフトして追加することで 1 つの画像に結合され、すべてのフレームを含む単一の長い露出で可能な角度解像度よりもはるかに高い角度解像度が得られます。

地上の望遠鏡で撮影した画像は、大気の乱れによるぼやけの影響を受けます (目には星が瞬いているように見えます)。多くの天体画像プログラムでは、画像に何らかの補正を加えなければ実現できないほどの高解像度が求められます。ラッキー イメージングは​​、大気によるぼやけを除去するために使用されるいくつかの方法の 1 つです。1% 以下の選択で使用すると、ラッキー イメージングは​​ 2.5 m 口径の望遠鏡の回折限界にも達します。これは、標準的な画像システムに比べて少なくとも 5 倍の解像度向上です。

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  うお座ゼータ星は、 2000 年 5 月 13 日にノルディック光学望遠鏡でラッキー イメージング法を使用して撮影されました。(星の周りのエアリー ディスクは、2.56 m の望遠鏡の開口部からの回折です。)
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  同じデータセットからのこの連星の典型的な短時間露出画像ですが、スペックル処理は使用されていません。地球の大気の影響により、各星の画像がスペックルに分割されます。

以下の一連の画像は、ラッキーイメージングがどのように機能するかを示しています。^[1]毎秒約 40 枚の速度で撮影された 50,000 枚の一連の画像から、5 つの異なる長時間露光画像が作成されました。さらに、デモシーケンスの冒頭には、非常に低い画質の単一露光と非常に高い画質の別の単一露光が表示されています。表示されている天体のID は2MASS J03323578+2843554 です。上が北、左が東です。

シーイング制限画像（上から3番目の画像）と選択された最良の1％の画像の結果の違いは非常に顕著で、三重星系が検出されました。西側の最も明るい成分は、V = 14.9等級のM4V星です。この成分は、幸運な画像参照源です。より弱い成分は、スペクトルクラスM4.5とM5.5の2つの星で構成されています。^[2]システムの距離は約45パーセク（pc）です。エアリーリングが見られ、これは、カラルアルト天文台の2.2m望遠鏡の回折限界に達したことを示しています。点源の信号対雑音比は、選択が強くなるほど増加します。反対側のシーイングハローはより抑制されています。2つの最も明るいオブジェクト間の分離は約0.53秒角で、2つの最も暗いオブジェクト間の分離は0.16秒角未満です。45パーセクの距離では、これは地球と太陽の距離の7.2倍、約10億キロメートル（10 ⁹ km）に相当します。

幸運な撮影法は20世紀半ばに初めて使用され、1950年代から1960年代にかけて惑星の撮影に普及しました（シネカメラを使用し、多くの場合はイメージインテンシファイアを使用）。この直感に反する撮影技術が実用化されるには、個別の撮影技術が完成するまでに30年かかりました。幸運な露出を得る確率を数値的に計算した最初の論文は、1978年のDavid L. Friedによる論文でした。^[3]

ラッキーイメージングの初期の応用では、大気が天体画像をぼかしたり、不鮮明にしたりすると一般に考えられていました。 ^[4]その研究では、ぼやけの半値全幅（FWHM）が推定され、露出を選択するために使用されました。その後の研究^{[5] [6]では、大気は天体画像を}ぼかさず、通常は画像の鮮明なコピーを複数生成する（点像分布関数にはスペックルがある）という事実を利用しました。これを利用して、画像がぼやけていると想定して得られた画像よりもはるかに高品質の画像を生成する新しい方法が使用されました。

21世紀初頭には、乱気流の断続性（およびそれが引き起こす天体観測条件の変動）^[7]により、平均的な天体観測条件の下で「幸運な露出」を得られる確率が大幅に高まる可能性があることが判明しました。^{[8] [9]}

2007年、カリフォルニア工科大学とケンブリッジ大学の天文学者たちは、新しいハイブリッドラッキーイメージングと適応光学（AO）システムの最初の結果を発表しました。この新しいカメラは、可視光で5メートル級の望遠鏡で初めて回折限界解像度をもたらしました。この研究は、口径200インチのパロマー・ヘール山望遠鏡で実施されました。ラッキーカムと適応光学を備えたこの望遠鏡は、角度解像度を理論値に近づけ、特定の種類の観察で最大0.025秒角を達成しました。^[10] 2.4メートルのハッブル宇宙望遠鏡などの宇宙望遠鏡と比較すると、このシステムには、鮮明な画像を撮影するための視野が狭い（通常10～20インチ）、大気光、大気によって遮られる電磁周波数など、まだいくつかの欠点があります。

AO システムと組み合わせると、ラッキー イメージングは​​、適応光学システムが補正しなければならない乱流が減少する期間を選択します。これらの期間は 1 秒のほんの一部ですが、AO システムによる補正は可視光で優れた解像度を実現するのに十分です。ラッキー イメージング システムは、優れた期間に撮影された画像を平均化して、従来の長時間露光 AO カメラで可能な解像度よりもはるかに高い解像度の最終画像を生成します。

この技術は、大気の乱流補正の精度によって制限されるため、直径 10 秒角までの比較的小さな天体の高解像度画像を取得する場合にのみ適用できます。また、ガイドする視野内に比較的明るい 14 等星が必要です。ハッブル宇宙望遠鏡は大気圏上にあるため、これらの問題に制限されず、より広い視野の高解像度画像を取得できます。

アマチュア天文学者もプロの天文学者もこの技術を使い始めています。現代のウェブカメラやビデオカメラは、天体写真撮影に十分な感度で短時間の露出で撮影する機能を備えており、これらのデバイスを望遠鏡と組み合わせ、スペックルイメージング（画像スタッキングとも呼ばれる）からのシフトアンドアド法を使用して、これまで達成できなかった解像度を実現します。画像の一部を破棄する場合、このタイプのビデオ天文学はラッキーイメージングと呼ばれます。

画像選択には多くの方法があり、ケンブリッジグループのジョン・E・ボールドウィン^[12]が最初に提案したストレール選択法^[11]やロン・ダントウィッツの選択的画像再構成法で使用されている画像コントラスト選択法^{[13]などがある。}

電子増倍型 CCD (EMCCD、LLLCCD、L3CCD、低光量 CCD とも呼ばれる) の開発と普及により、初めて微光天体の高品質な幸運な画像撮影が可能になりました。

2014年10月27日、GoogleはHDR+と呼ばれる同様の技術を発表しました。HDR+は、短時間露出で連続撮影し、最も鮮明なショットを選択して整列させ、計算写真技術を使用して平均化します。短時間露出により、ぼやけた画像やハイライトの吹き出しが回避され、複数のショットを平均化することでノイズが軽減されます。^{[14] HDR+は、} Qualcomm Hexagon DSPやPixel Visual Coreなどのハードウェアアクセラレータで処理されます。^[15]

大気のシーイングの限界を超える分解能を実現できる他のアプローチとしては、補償光学、干渉法、その他の形式のスペックルイメージング、 NASA のハッブル宇宙望遠鏡などの宇宙ベースの望遠鏡などがあります。

ウィキメディア・コモンズには、ラッキーイメージングに関連するメディアがあります。

• アマチュアラッキーイメージング
• 2.2 m のカラル アルト望遠鏡でアストラックスによる幸運な撮影
• カラル・アルトとラ・シヤの幸運画像装置の詳細
• ノルディック光学望遠鏡のLuckyCam装置の詳細
• BBCニュース記事: 宇宙で撮影された「最も鮮明な」画像
• 第3世代の増倍管を使用したラッキーイメージング