Samouczek astrofotografii

Astrofotografia to hobby, które szybko zyskuje na popularności dzięki szybko rozwijającej się technologii czujników CMOS. Ponad dziesięć lat temu lekki materiał rejestrujący stosowany w astrofotografii był głównie emulsją chemiczną. Jego niska czułość sprawia, że ​​bardzo trudno jest zarejestrować słaby sygnał z kosmosu. Ponadto brak informacji zwrotnej w czasie rzeczywistym jest ogromnym źródłem frustracji dla początkujących. Błędy operacyjne, takie jak brak ostrości, można zrealizować dopiero po kilku nocach ciężkiej pracy po wywołaniu filmu. W połowie lat 90. pojawienie się chłodzonych kamer CCD zapewniło rozwiązania problemów zarówno z czułością, jak i ze sprzężeniem zwrotnym w czasie rzeczywistym. Jednak ich wysokie ceny i żałośnie małe obszary czujników ograniczyły ich zastosowanie tylko do kilku rodzajów astrofotografii i do bardzo entuzjastycznych astrofotografów. Chociaż matryce CCD zrewolucjonizowały badania astronomiczne, technologia ta nigdy tak naprawdę nie zmieniła krajobrazu astrofotografii amatorskiej. Prawdziwy punkt zwrotny nastąpił w 2002 roku. Po tym, jak Fujifilm zaprezentowała lustrzankę cyfrową FinePix S2Pro i zaprezentowała niesamowite astronomiczne zdjęcia zrobione tym aparatem, ludzie zaczęli poważnie badać lustrzanki cyfrowe pod kątem astrofotografii. Lustrzanki cyfrowe mogą dostarczać informacje zwrotne w czasie rzeczywistym, co jest bardzo ważne dla początkujących. Mają czułość niewiele gorszą niż matryce CCD, a lustrzanki cyfrowe z dużymi matrycami (APS-C) są obecnie dość przystępne. Dzisiejszy krajobraz astrofotografii jest kształtowany przez serię lustrzanek cyfrowych firmy Canon opartych na technologii CMOS, ale lustrzanki cyfrowe i aparaty bezlusterkowe oparte na czujnikach Sony zyskują na popularności bardzo szybko.

Dzięki mojej pracy mam możliwość korzystania z szerokiej gamy instrumentów do obrazowania, od wielomilionowych kamer CCD na dużych profesjonalnych teleskopach po amatorskie kamery CCD i lustrzanki cyfrowe. Moje szkolenie w zakresie badań astronomicznych zapewnia mi również zestawy narzędzi do ilościowej oceny działania czujników i poznania ich prawdziwych granic. Pomaga to nie tylko w moich badaniach, ale także na życiowym hobby, astrofotografii. Jeśli chodzi o hobby, korzystam głównie z lustrzanek cyfrowych (Canon 5D Mark II i Nikon D800) ze względu na ich wysoką wydajność i przystępne ceny. Aby uzyskać najlepsze wyniki astrofotografii, wewnętrzne filtry lustrzanek cyfrowych zostały zmodyfikowane tak, aby miały wyższą przepustowość w głębokiej czerwieni, dzięki czemu mogą być bardziej wydajne w rejestrowaniu czerwonego światła zjonizowanego gazowego wodoru we wszechświecie. Poza tą modyfikacją filtra, lustrzanki cyfrowe używane do astrofotografii nie różnią się od lustrzanek cyfrowych, których używamy na co dzień.

Jednym z bardzo częstych problemów związanych z używaniem lustrzanek cyfrowych w astrofotografii jest szum termiczny generowany przez czujniki. Kamery CCD schłodzone do -20 czy nawet -40 stopni C nie mają takich problemów. Jednak wszystkie czujniki CMOS wyprodukowane w ostatnich pięciu latach mają bardzo niski poziom szumów termicznych. Przy tej samej temperaturze czujnika ich szum termiczny jest w rzeczywistości znacznie niższy niż w przypadku zwykłych przetworników CCD w kamerach astronomicznych. Innym ważnym czynnikiem, który wiele osób pomija, są źródła hałasu inne niż ciepło w czujniku, z których jednym jest szum fotonowy generowany przez samo niebo. W przypadku najnowszych DLSR w wielu okolicznościach szum fotonów z nieba często przytłacza szum termiczny, przez co chłodzenie staje się zbędne. Tylko w miejscach, które są zarówno gorące, jak i ciemne (takie jak pustynie w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych), potrzebne jest chłodzenie, aby w pełni wykorzystać ciemne niebo.

To jest konfiguracja obrazowania, której często używam. Lustrzanka cyfrowa jest przymocowana do końca głównego teleskopu, który działa jak gigantyczny teleobiektyw (1100 mm, f / 7,3). Jest to refraktor APO z dużą soczewką korekcyjną przed płaszczyzną ogniskową, która koryguje krzywiznę pola i astygmatyzm. Skorygowane pole jest wystarczająco duże, aby pokryć matrycę o formacie 67. Teleskop znajduje się na paralaktycznym montażu, który jest napędzany silnikiem i może śledzić ruch gwiazd na niebie ze wschodu na zachód, co pozwala na długie ekspozycje. Nad głównym lunetą znajduje się kolejna mniejsza luneta z dołączoną małą kamerą CCD. Ta niewielka luneta i system kamer mogą monitorować śledzenie montażu paralaktycznego, gdy główny teleskop wykonuje ekspozycje. Automatycznie kieruje uchwytem, ​​aby w czasie rzeczywistym korygował błędy śledzenia. Całym systemem (montaż paralaktyczny, lustrzanka cyfrowa i system guidujący) steruje laptop.
To jest moja konfiguracja, gdy chcę robić zdjęcia szerokokątne. Wygląda to bardziej na to, czego może używać początkujący. Aparat i obiektyw są mocowane do paralaktycznego mocowania za pomocą głowicy kulowej. W przypadku ujęć szerokokątnych śledzenie mocowania nie musi być bardzo dokładne, więc system prowadzenia w czasie rzeczywistym nie jest wymagany. Z reguły, gdy ogniskowa jest krótsza niż 200 mm, stosunkowo łatwo jest robić zdjęcia z długim czasem naświetlania bez stosowania fantazyjnego montażu paralaktycznego i systemu guidującego. Sprawy zaczynają się komplikować, gdy ogniskowa jest dłuższa niż 300mm.

Generalna procedura

Przebieg pracy w astrofotografii jest zupełnie inny niż w fotografii przy świetle dziennym. Ponieważ nasze cele są bardzo słabe, musimy je wystawiać na kilka minut lub nawet kilka godzin, aby zebrać wystarczającą ilość fotosygnałów z naszych celów. Jednak tło nieba jest zwykle tak wysokie, że nasyca obraz, gdy naświetlenie jest dłuższe niż 10 minut (jest to szczególnie prawdziwe w przypadku nieba zanieczyszczonego światłem). Dlatego to, co robimy, to dzielenie długiej ekspozycji na wiele krótszych (od kilku do 10 minut), aby uniknąć nasycenia, a następnie nakładanie (uśrednianie) obrazów o krótkim czasie naświetlania w obróbce końcowej w celu połączenia ich sygnału. Daje to wynik równoważny bardzo długiej ekspozycji.

Na teleskopie, po ustawieniu montażu paralaktycznego i wyrównaniu go z Polaris, zwykle najpierw używamy jasnej gwiazdy do ogniskowania. Kiedyś było to bardzo trudne zadanie, ale teraz jest to bardzo łatwe dzięki funkcji podglądu na żywo w lustrzance cyfrowej. Następnie przesuwamy nasz teleskop / soczewkę, aby wycelować w nasz cel. Zwykle bardzo łatwo możemy zobaczyć naszą docelową konstelację przez wizjer aparatu, jeśli używamy szerokokątnego lub krótkiego teleobiektywu. Z drugiej strony, jeśli używamy długiego teleobiektywu lub teleskopu do fotografowania obiektów głębokiego nieba, cele są zwykle zbyt słabe, aby można je było zobaczyć bezpośrednio. Niektóre testowe krótkie ekspozycje z bardzo wysokim ISO mogą pomóc w weryfikacji naszego kadrowania. Gdy to zrobisz, po prostu wyzwalamy wiele długich czasów ekspozycji za pomocą komputera lub wyzwalacza migawki z timerem. Jak wspomniano powyżej, typowe czasy naświetlania wahają się od kilku do 10 minut, w zależności od tego, jak szybki jest nasz obiektyw i jak ciemne jest niebo. Bardzo często używaną czułością ISO jest 1600. Jednak w przypadku najnowszych lustrzanek cyfrowych z matrycami Sony możliwe jest użycie ISO 800 lub nawet 400 i nadal uzyskuje się bardzo dobre wyniki po obróbce końcowej. Zaletą niższych czułości ISO jest oczywiście ich wyższy zakres dynamiczny. Nie trzeba dodawać, że zawsze robimy zdjęcia w formacie RAW.

Oprócz ekspozycji na niebie wykonujemy również wiele zdjęć „kalibracyjnych”, aby usunąć niepożądany sygnał z nieba, optyki i aparatu. Na przykład później wykonujemy ekspozycje na obiektach o jednakowej jasności (takich jak bezchmurne niebo w dzień lub o zmierzchu lub duży panel LED). Takie obrazy (zwane „płaskim polem”) można wykorzystać do korekcji winietowania spowodowanego przez obiektyw / teleskop na obrazach nieba, aby przywrócić jednolitą jasność tła. Na początku lub pod koniec nocy całkowicie zakrywamy obiektyw / teleskop i robimy „ciemne” naświetlenia, gdy aparat ma taką samą temperaturę jak zdjęcia na niebie. Takie ciemne obrazy można wykorzystać do usunięcia sygnału termicznego z obrazów nieba. Zasadniczo jest to to samo, co redukcja szumów przy długim naświetlaniu w większości lustrzanek cyfrowych, ale robimy to ręcznie, aby uniknąć marnowania cennego czasu nocnego. Robimy również bardzo krótkie (1/8000 s) ekspozycje (zwane „odchyleniem”), gdy obiektyw jest całkowicie zakryty, aby uwzględnić każdy sygnał, który kamera generuje, gdy nie ma światła, a także nie ma czasu na nagromadzenie się sygnału termicznego. Podobnie jak w przypadku ekspozycji na niebie, wykonujemy wiele (od kilku do kilkudziesięciu) płaskich, ciemnych i odchylonych ekspozycji i uśredniamy je, aby wyeliminować wszelkie przypadkowe szumy na obrazach, aby poprawić jakość sygnału. Istnieje wiele pakietów oprogramowania (takich jak DeepSkyStacker, który jest bezpłatny), które mogą przetwarzać obrazy nieba, płaskiego pola, ciemne i bias oraz układać skalibrowane obrazy nieba, aby utworzyć bardzo głębokie, czyste i wysokie obraz zakresu dynamicznego. Wszystko to trzeba zrobić z plików RAW, ponieważ obrazy JPEG.webp nie są liniowe i nie pozwalają na dokładne usunięcie niechcianego sygnału.

(a) to plik w formacie RAW bezpośrednio przekonwertowany w programie Photoshop z pewnym kontrastowym rozciągnięciem. Tutaj widzimy ślady czerwonych mgławic na obrazie, ale najbardziej widoczną cechą tego zdjęcia jest wzór winietowania spowodowany przez teleskop i aparat. (b) to zdjęcie „płaskiego pola” wykonane tym samym teleskopem w kierunku nieba o zmierzchu. To obraz, który zawiera tylko wzór winietowania. Matematycznie dzielimy (a) z (b), aby usunąć wzór winietowania i to obliczenie nazywa się „korekcją pola płaskiego”. (c) jest wynikiem takiej korekty oraz silnego rozciągania kontrastu i nasycenia. Widzimy, że bez korekcji płaskiego pola nie ma nadziei na wydobycie słabych mgławic na całym obrazie z (a). Przy okazji, korekcja winietowania wbudowana w większość nie-astronomicznych programów do przetwarzania obrazu (takich jak Photoshop lub Lightroom) nie jest wystarczająco dokładna dla astrofotografii, nawet jeśli nasz obiektyw znajduje się w bazie danych oprogramowania. Dlatego korektę płaskiego pola musimy przeprowadzić samodzielnie, korzystając z oprogramowania przeznaczonego do astrofotografii.

Po podstawowej kalibracji i ułożeniu obrazów używamy oprogramowania, takiego jak Photoshop, do dalszego przetwarzania nałożonych obrazów. Zwykle potrzeba bardzo silnej krzywej i rozciągnięcia nasycenia, aby wydobyć słabe szczegóły na skumulowanym obrazie astronomicznym. Wymaga to również wielu umiejętności i doświadczenia, aby to osiągnąć, przy jednoczesnym zachowaniu dokładnych kolorów i naturalnego wyglądu obrazu. Zasadniczo przypomina to ręczne przetwarzanie obrazu RAW od zera, bez polegania na jakichkolwiek silnikach przetwarzania surowego. Nierzadko spędzamy więcej czasu na przetwarzaniu obrazu niż na jego ekspozycji, a obróbka końcowa jest często tym, co odróżnia najlepszych astrofotografów od przeciętnych.

Przykłady z szerokim zakresem

Orion ”
To zdjęcie Oriona zostało zrobione obiektywem Sigma 50mm f / 1.4 Art i Nikonem D800. Jest to połączenie ponad 60 4-minutowych ekspozycji przy ISO 800 if / 3,2 do f / 4,0. Ponad 4 godziny całkowitego czasu ekspozycji tutaj są raczej ekstremalne. W przypadku takich zdjęć konstelacji zwykle spędzamy tylko 0,5 do 1,5 godziny. Jednak niezwykle długa ekspozycja tutaj prowadzi do lepszej jakości obrazu i pozwala na wykrycie bardzo słabych mgławic wokół Oriona. Aby skutecznie uchwycić czerwone mgławice w Orionie, potrzebna jest zmodyfikowana lustrzanka cyfrowa. Jednak w przypadku niezmodyfikowanej nadal możemy uzyskać piękny kolor gwiazd w konstelacjach. Tak więc konstelacje szerokiego pola są świetnymi celami dla początkujących, którzy nie są gotowi wysłać swoich kamer na operację.
To zdjęcie letniej Drogi Mlecznej zostało zrobione teleskopem 500mm f / 2.8 i Canon 5D Mark II. To mozaika 110 zdjęć, więc jej pole widzenia jest porównywalne z obiektywem 50 mm. Jestem wielkim fanem obrazów mozaikowych. Często nazywam to aparatem wielkoformatowym dla biednych. Taka szalona mozaikowa panorama zawiera bogate szczegóły, które znacznie przewyższają to, co można uchwycić za pomocą najbardziej zaawansowanego cyfrowego materiału w średnim formacie. Cena jest taka, że ​​kręcenie i obróbka zdjęć zajmuje bardzo dużo czasu.
To jest rozszerzona wersja obrazu Oriona. Przedstawia Wielki Trójkąt Zimowy i Drogę Mleczną przechodzącą przez trójkąt. Zdjęcie zrobione Nikonem 28-70 mm f / 2.8D przy 50 mm f / 4 i Nikonem D800. Jest to mozaika składająca się z czterech obrazów, więc pole widzenia jest czterokrotnie większe niż pole widzenia 50 mm. Każda ramka mozaikowa zawiera 16 5-minutowych ekspozycji przy ISO 400.
Gwiazdozbiór Łabędzia"
Jest to mozaika składająca się z dwóch zdjęć zrobiona obiektywem Mamiya 645 45mm f / 2.8 przy f / 4.0 i Canon 5D Mark II. Mozaika z dwoma obrazami pozwala uchwycić nie tylko konstelację Łabędzia, ale także Wielką Drogę Mleczną. Każda pojedyncza ramka mozaiki zawiera 16 4-minutowych ekspozycji przy ISO 1600. Podczas przetwarzania końcowego nałożyłem warstwę, aby rozmyć światło z jasnych gwiazd, aby kształt konstelacji był bardziej widoczny. Ten sam efekt można uzyskać stosując filtr dyfuzyjny umieszczony przed soczewką. Filtry powszechnie używane w tym celu to Kenko Softon A i Cokin P830.

Przykłady głębokiego nieba

Plejady ”
To szerokokątne zdjęcie wokół gromady gwiazd Plejady (Meissier 45) zostało zrobione teleskopem 500mm f / 2.8 i Nikonem D800. Jest to mozaika czteroklatkowa, a każda klatka zawiera ponad 1 godzinę całkowitej ekspozycji. Chmury pyłu i gazu wokół Plejad są w rzeczywistości bardzo słabe. Do ich wykrycia wymaga nie tylko bardzo długich czasów naświetlania, ale także bardzo ciemnego i czystego nieba. Kalibrację obrazu należy również przeprowadzić z bardzo dużą dokładnością, w przeciwnym razie tło nieba i winietowanie optyki całkowicie zmyją słabą mgławicę. Z drugiej strony, chmury niebieskiego gazu, takie jak ta, nie wymagają zmodyfikowanej lustrzanki cyfrowej do ich zarejestrowania. Rdzeń chmur wokół Plejad może być bardzo dobrym celem dla ludzi, którzy nie mają zmodyfikowanej lustrzanki cyfrowej.
Andromeda ”
Galaktyka Andromedy (Meissier 31) jest celem, którego żaden astrofotograf nigdy nie przegapił. Robi to teleskop z moim pierwszym ustawieniem i Canonem 5D Mark II. Jest to mozaika dwuramienna. Każda klatka zawiera około 40 5-minutowych ekspozycji przy ISO 1600. Niezmodyfikowane lustrzanki cyfrowe mogą robić przyzwoite zdjęcia takich celów galaktyk. Jeśli jednak przyjrzymy się uważnie obrazowi, możemy zobaczyć wiele małych czerwonych obiektów wzdłuż ramion spiralnych galaktyki Andromedy. Są to gigantyczne mgławice gazowe zawierające zjonizowany wodór. Aby skutecznie wychwycić czerwone światło z tych mgławic, nadal wymagana jest zmodyfikowana lustrzanka cyfrowa.
Mgławica Głowa Konia znajduje się tuż obok pasa Oriona i jest częścią przedstawionego wcześniej obrazu Oriona. Można go zobaczyć przez umiarkowanie duże teleskopy pod ciemnym niebem. To zdjęcie zajęło ponad 4 godziny ekspozycji na teleskopie Canon 5D Mark II od mojej pierwszej konfiguracji. Czerwony kolor na obrazie pochodzi od zjonizowanego wodoru. Wymaga zmodyfikowanej lustrzanki cyfrowej, aby skutecznie rejestrować czerwone światło.
Mgławica Północnoamerykańska znajduje się w Łabędziu i jest częścią powyższego zdjęcia Łabędzia. Jest to dość duża mgławica i ładnie wpisuje się w pole widzenia soczewki 400mm (FF). To powiększone zdjęcie zostało zrobione teleskopem z mojego pierwszego ustawienia i Canonem 5D Mark II. Jest to mozaika 4-ramkowa, a całkowita ekspozycja każdej klatki wynosi 2,5 godziny. Mgławica nie jest całkowicie czerwona. W czerwonym świetle, które pochodzi z zjonizowanego tlenu, znajdują się również niebieskie elementy. Jeśli użyje się niezmodyfikowanej lustrzanki cyfrowej, mgławica będzie wyglądać na fioletową lub różową.
M22 "
Meissier 22 to gromada kulista w Strzelcu. Zawiera około 300 tysięcy gwiazd. Znajduje się na tle letniej Drogi Mlecznej, więc w tle tego zdjęcia widać również liczne gwiazdy. To zdjęcie zostało zrobione teleskopem z mojego pierwszego ustawienia i aparatem Nikon D800. Całkowity czas ekspozycji wynosi 1,5 godziny. Dla samego klastra ten czas ekspozycji jest niepotrzebnie długi, ponieważ klaster jest stosunkowo jasny. Spędziłem dodatkowy czas na tym polu, aby uchwycić dużą liczbę słabych gwiazd tła, które należą do Drogi Mlecznej. Gwiezdne cele, takie jak ten, nie wymagają zmodyfikowanej lustrzanki cyfrowej. Równie dobrze radzi sobie niezmodyfikowany.
M101 "
Galaktyka Wiatraczek (Meissier 101) jest pobliską galaktyką i dlatego wydaje się stosunkowo duża na niebie w porównaniu z większością innych galaktyk. Jednak nadal jest bardzo mały. Jego jaśniejsza część ma rozmiar mniej więcej połowy księżyca w pełni. To zdjęcie zostało zrobione teleskopem z mojego pierwszego ustawienia i aparatem Canon 5D Mark II. Jest przycięty, a przycięte pole widzenia odpowiada obiektywowi 3000 mm. Zawiera łącznie 8,5 godziny normalnej ekspozycji plus kolejne 3 godziny ekspozycji w wąskopasmowym filtrze wodoru alfa (656,3 nm). Obraz filtru wąskopasmowego ma uwydatnić małe plamy czerwonych mgławic wzdłuż ramion spiralnych. Niestety nie jest to zbyt efektywny sposób korzystania z lustrzanki cyfrowej, ponieważ tylko jedna czwarta pikseli aktywnie odbiera fotony pod tak głębokim filtrem czerwieni. W tle tego obrazu widzimy wiele małych żółtych kropek. To wiele bardzo odległych galaktyk. Niektóre galaktyki są tak daleko, że czas potrzebny na podróż światła z tych galaktyk do nas jest dłuższy niż wiek naszego Słońca.

Ten post gościnny został nadesłany przez Wei-Hao Wanga, astronoma pracującego w krajowym instytucie badawczym na Tajwanie, który obecnie odwiedza Teleskop Kanada-Francja-Hawaje na Wielkiej Wyspie Hawajów. Jest także astrofotografem i rozpoczął to hobby w 1990 roku. Tutaj można znaleźć kolekcję jego ostatnich astrofotografii.

Interesujące artykuły...