Astrofotografi er en hobby som raskt får popularitet takket være den raskt fremadvendte CMOS-sensorteknologien. For over et tiår siden var det lette registreringsmaterialet som ble brukt i astrofotografi, hovedsakelig kjemisk emulsjon. Den lave følsomheten gjør det veldig vanskelig å ta opp det svake signalet fra det dype rommet. I tillegg er mangelen på sanntids tilbakemelding en stor kilde til frustrasjon for nybegynnere. Operasjonsfeil som utenfor fokus kan bare realiseres etter flere netters hardt arbeid etter at filmen er utviklet. På midten av 90-tallet ga fremkomsten av avkjølte CCD-kameraer løsninger på både følsomhets- og tilbakemeldingsproblemer i sanntid. Imidlertid begrenset deres høye priser og elendig små sensorområder deres bruk til bare noen få typer astrofotografi og til veldig entusiastiske astrofotografer. Mens CCD-er revolusjonerte astronomisk forskning, har denne teknologien aldri forandret landskapet for amatørastrofotografi. Det sanne vendepunktet fant sted i 2002. Etter at Fujifilm kunngjorde sin FinePix S2Pro DSLR og viste fantastiske astronomiske bilder tatt av dette kameraet, begynte folk å seriøst speile speilreflekskameraer for astrofotografering. DSLR-er kan gi tilbakemelding i sanntid, noe som er veldig viktig for nybegynnere. De har følsomhet ikke mye verre enn CCD-er, og DSLR-er med store sensorer (APS-C) er ganske rimelige i dag. Dagens landskap i astrofotografering er formet av en serie CMOS-baserte speilreflekskameraer fra Canon, men speilreflekskameraer og speilløse kameraer basert på Sony-sensorer vinner popularitet veldig raskt.
På grunn av jobben min har jeg muligheter til å bruke et bredt spekter av bildeinstrumenter, fra CCD-kameraer på flere millioner dollar på store profesjonelle teleskoper til amatør-CCD-kameraer og DSLR-er. Treningen min i astronomisk forskning gir meg også verktøysett for å kvantitativt evaluere ytelsen til sensorer og å kjenne deres sanne grenser. Dette hjelper ikke bare forskningen min, men også min livs hobby, astrofotografering. På hobbysiden bruker jeg stort sett DSLR-er (Canon 5D Mark II og Nikon D800) for høy ytelse og rimelige priser. For å få de beste astrofotoresultatene er DSLRs interne filtre modifisert for å ha høyere gjennomstrømning i dyprødt, slik at de kan være mer effektive i å registrere det røde lyset fra ionisert hydrogengass i universet. Annet enn denne filtermodifiseringen, er DSLR-er som brukes til astrofotografering ikke forskjellige fra DSLR-er vi bruker daglig.
En veldig vanlig bekymring for bruk av DSLR på astrofoto er den termiske støyen som genereres av sensorene. CCD-kameraer avkjølt til -20 eller til og med -40 grader C har ikke slike problemer. Imidlertid har CMOS-sensorer som er produsert de siste fem årene, veldig lav termisk støy. Under den samme sensortemperaturen er deres termiske støy faktisk mye lavere enn vanlige CCD-er i astronomiske kameraer. En annen viktig faktor som mange overser er andre støykilder enn varme i sensoren, hvorav den ene er fotonstøyen som genereres av selve himmelen. Med de nyeste DLSR-ene under mange omstendigheter overvelder himmelfotonstøyen ofte termisk støy, noe som gjør kjøling unødvendig. Bare på steder som er både varme og mørke (som ørkenene i det sørvestlige USA), er det nødvendig med avkjøling for å utnytte den mørke himmelen fullt ut.
Dette er bildeoppsettet jeg ofte bruker. DSLR er festet til enden av det primære teleskopet, som fungerer som et gigantisk teleobjektiv (1100mm, f / 7.3). Det er en APO-refraktor, med en stor korrigeringslinse foran fokalplanet for å korrigere feltkrumning og astigmatisme. Det korrigerte feltet er stort nok til å dekke en sensor med 67 format. Teleskopet sitter på en ekvatorial montering, som er motordrevet og kan spore stjernenes øst-vest-bevegelse på himmelen for å tillate lange eksponeringer. Over det primære omfanget er det et annet mindre omfang med et lite CCD-kamera festet til det. Dette lille omfangs- og kamerasystemet kan overvåke sporing av ekvatorialfeste når det primære omfanget tar eksponeringer. Den styrer festet automatisk for å korrigere for sporingsfeil i sanntid. Hele systemet (ekvatorialmontering, DSLR og styresystem) styres av en bærbar datamaskin.
Dette er oppsettet mitt når jeg bare vil ta vidvinkelbilder. Dette ser mer ut som hva en nybegynner kan bruke. Kameraet og linsen er festet til et ekvatorialfeste gjennom et kulehode. For vidvinkelbilder trenger ikke sporing av monteringen å være supernøyaktig, så det er ikke nødvendig med et sanntidsstyringssystem. Når en brennvidde er kortere enn 200 mm, er det som en tommelfingerregel relativt enkelt å ta bilder med lang eksponering uten å bruke et fancy ekvatorialmonterings- og styresystem. Ting begynner å bli vanskelige når brennvidden er lengre enn 300 mm.
Generell prosedyre
Arbeidsflyten i astrofotografering er ganske forskjellig fra dagslysfotografering. Fordi målene våre er veldig svake, må vi eksponere i noen minutter eller til og med noen få timer for å samle nok fotosignal fra målene våre. Imidlertid er himmelbakgrunnen vanligvis så høy at den vil mette bildet når eksponeringen er lenger enn 10 minutter eller så (dette gjelder spesielt under en lysforurenset himmel). Derfor er det vi gjør å dele den lange eksponeringen i mange kortere (noen til ti minutter) for å unngå metning, og deretter stable (gjennomsnitt) korteksponeringsbildene i etterbehandling for å kombinere signalet. Dette gir et resultat som tilsvarer en veldig lang eksponering.
Når ekvatorialmonteringen er satt opp og justert til Polaris, er det vi vanligvis gjør å først bruke en lys stjerne til å fokusere på teleskopet. Dette pleide å være en veldig utfordrende oppgave, men nå er det veldig enkelt med DSLRs live view-funksjon. Så beveger vi teleskopet / linsen for å peke mot målet vårt. Vi kan vanligvis veldig enkelt se målkonstellasjonen vår gjennom kameraets søker hvis vi bruker en vidvinkel eller kort teleobjektiv. På den annen side, hvis vi bruker en lang teleobjektiv eller et teleskop for å skyte objekter på himmelen, er målene vanligvis for svake til å sees direkte. Noen teste korte eksponeringer med veldig høy ISO kan bidra til å bekrefte innrammingen vår. Når dette er gjort, skyter vi bare av mange lange pæreeksponeringer gjennom en datamaskin eller en utløser. Som nevnt ovenfor varierer typiske eksponeringstider fra noen få til ti minutter, avhengig av hvor raskt objektivet vårt er og hvor mørkt himmelen er. En svært vanlig ISO er 1600. Med nylige DSLR-er med Sony-sensorer er det imidlertid mulig å bruke ISO 800 eller til og med 400 og fremdeles få veldig gode resultater etter etterbehandling. Fordelen med lavere ISO er selvfølgelig deres høyere dynamiske område. Det sier seg selv at vi alltid skyter RAW.
I tillegg til eksponeringene på himmelen tar vi også mange "kalibreringsbilder" for å fjerne det uønskede signalet fra himmelen, optikken og kameraet. For eksempel tar vi eksponeringer på gjenstander med jevn lysstyrke (for eksempel en skyfri dagtid eller skumring, eller et stort LED-panel) etterpå. Slike bilder (kalt “flat field”) kan brukes til å korrigere for vignettering forårsaket av linsen / teleskopet på himmelen, for å gjenopprette den jevne bakgrunnslysstyrken. I begynnelsen eller slutten av natten dekker vi objektivet / teleskopet helt og tar “mørke” eksponeringer når kameraet har samme temperatur som bilder på himmelen. Slike mørke bilder kan brukes til å fjerne det termiske signalet på himmelen. Dette er egentlig det samme som de fleste DSLR-er 'støyreduksjon i kameraet med lang eksponering, men vi gjør dette manuelt for å unngå å kaste bort dyrebar nattetid. Vi tar også ekstremt korte eksponeringer (1/8000 sek) (kalt "skjevhet") når linsen er helt dekket, for å ta hensyn til hvilket signal kameraet genererer når det ikke er noe lys og heller ikke tid til å akkumulere termisk signal. I likhet med eksponeringene på himmelen tar vi flere (fra noen få til flere titalls) flate, mørke og skjevhetseksponeringer og gjennomsnittlig dem for å slå ned eventuell støy i bildene for å forbedre signalkvaliteten. Det er mange programvarepakker (som DeepSkyStacker, som er gratis) som kan behandle on-sky, flat-field, dark og bias-bilder, og stable de kalibrerte on-sky-bildene for å danne et veldig dypt, rent og høyt bilde av dynamisk rekkevidde. Alt dette må gjøres fra RAW-filer, da JPEG.webp-bilder ikke er lineære og ikke tillater nøyaktig fjerning av det uønskede signalet.
(a) er en rå fil direkte konvertert i Photoshop og med litt kontraststrekning. Her ser vi hint om røde tåker i bildet, men det mest fremtredende trekk ved dette bildet er vignetteringsmønsteret forårsaket av teleskopet og kameraet. (b) er et "flatt felt" -bilde tatt med det samme teleskopet mot skumringen. Det er et bilde som ikke inneholder annet enn vignetteringsmønsteret. Matematisk deler vi (a) med (b) for å fjerne vignetteringsmønsteret, og denne beregningen kalles "flatfeltkorreksjon." (c) er resultatet av en slik korreksjon, pluss sterk kontrast og metning. Vi kan se at uten flatfeltkorreksjon er det ikke noe håp om å få frem de svake nebulene overalt i bildet fra (a). BTW, vignetteringskorrigering innebygd i de fleste ikke-astronomiske bildebehandlingsprogrammer (som Photoshop eller Lightroom) er ikke nøyaktig nok til astrofotografering, selv om objektivet vårt er i programvaredatabasen. Dette er grunnen til at vi må utføre flatkorrigering alene ved hjelp av programvare designet for astrofotografering.
Etter den grunnleggende kalibreringen og bildestablingen bruker vi programvare som Photoshop for å behandle de stablede bildene ytterligere. Det tar vanligvis veldig sterk kurve og metningsstrekning for å få opp de svake detaljene i et stablet astronomisk bilde. Det krever også mye ferdigheter og erfaring for å oppnå dette mens du fortsatt opprettholder nøyaktig farge og et naturlig utseende på et bilde. Det er egentlig som manuelt å behandle et RAW-bilde fra bunnen av, uten å stole på noen råbehandlingsmotorer. Det er ikke uvanlig at vi bruker mer tid på å behandle et bilde enn eksponeringstiden, og etterbehandling er ofte det som skiller en førsteklasses astrofotofotografer fra gjennomsnittlige.
Eksempler på vidvinkel
Dette bildet av Orion er tatt med Sigma 50mm f / 1.4 Art-objektiv og Nikon D800. Det er en sammensetning med mer enn 60 4-minutters eksponeringer ved ISO 800 og f / 3,2 til f / 4,0. De mer enn 4 timene med total eksponeringstid her er ganske ekstreme. For konstellasjonsbilder som dette bruker vi vanligvis bare 0,5 til 1,5 time. Den ekstremt lange eksponeringen her fører imidlertid til bedre bildekvalitet og gjør det mulig å oppdage svært svake tåker rundt Orion. For å effektivt fange de røde nebulosene i Orion, er det behov for en modifisert DSLR. Imidlertid, med en umodifisert, kan vi fremdeles få den vakre fargen på stjerner i konstellasjonene. Så vidvinkonstellasjoner er gode mål for nybegynnere som ikke er klare til å sende kameraene sine til operasjonen.
Dette bildet av sommeren Melkeveien er tatt med et 500mm f / 2.8 teleskop og Canon 5D Mark II. Det er en mosaikk med 110 bilder, så synsfeltet er sammenlignbart med et 50 mm objektiv. Jeg er en stor fan av mosaikkbilder. Jeg kaller det ofte fattige menneskers storformatkamera. Et vanvittig mosaikkpanorama som dette inneholder rike detaljer som langt overgår det som kan fanges med den mest avanserte digitale formatet i mediumformat. Prisen er at det tar veldig lang tid å ta bilder og å behandle bildene.
Dette er en utvidet versjon av Orion-bildet. Den viser den store vintertrekanten og Melkeveien som går gjennom trekanten. Den er tatt med Nikon 28-70mm f / 2.8D på 50mm f / 4 og Nikon D800. Det er en mosaikk med fire bilder, så synsfeltet er fire ganger større enn et synsfelt på 50 mm. Hver av mosaikkrammene inneholder 16 5-minutters eksponeringer ved ISO 400.
Dette er en to-bilders mosaikk tatt med et Mamiya 645 45mm f / 2.8-objektiv på f / 4.0 og Canon 5D Mark II. Mosaikken med to bilder tillater å fange ikke bare stjernebildet Cygnus, men også den store Melkeveien. Hver enkelt mosaikkramme inneholder 16 4-minutters eksponeringer ved ISO 1600. I etterbehandling påførte jeg et lag for å gjøre lyset uskarpt fra lyse stjerner, slik at konstellasjonens form blir tydeligere. Den samme effekten kan oppnås med et diffust filter foran linsen. Filtre som ofte brukes til dette formålet inkluderer Kenko Softon A og Cokin P830.
Eksempler på Deep Sky
Dette vidvinkelbildet rundt stjerneklyngen Pleiades (Meissier 45) er tatt med et 500mm f / 2.8-teleskop og Nikon D800. Det er en mosaikk med fire rammer, og hver ramme inneholder mer enn 1 times total eksponering. Støv- og gassskyene rundt Pleiadene er faktisk veldig svake. Det krever ikke bare veldig lang eksponering for å oppdage dem, men også veldig mørk og ren himmel. Bildekalibreringen må også gjøres med meget høy nøyaktighet, ellers vil himmelbakgrunnen pluss vignetteringen av optikken helt vaske ut den svake nebuløsiteten. På den annen side krever blå gassskyer som dette ikke en modifisert DSLR for å registrere dem. Kjernen til skyene rundt Pleiadene kan være veldig gode mål for folk som ikke har en modifisert DSLR.
Andromeda-galaksen (Meissier 31) er et mål som aldri ble savnet av noen astrofotograf. Dette er tatt av teleskopet med mitt første oppsett og Canon 5D Mark II. Det er en to-rammes mosaikk. Hver ramme inneholder omtrent 40 5-minutters eksponeringer ved ISO 1600. Umodifiserte speilreflekskameraer kan ta anstendige bilder av slike galaksmål. Men hvis vi ser nøye på bildet, kan vi se mange små røde gjenstander langs spiralarmene til Andromeda-galaksen. Dette er de gigantiske gassneblene som inneholder ionisert hydrogen. For å effektivt fange det røde lyset fra disse nebulosene, er det fortsatt nødvendig med en modifisert DSLR.
Horse Head Nebula sitter rett ved siden av Orions belte og er en del av bildet av Orion som ble presentert tidligere. Det kan sees gjennom moderat store teleskoper under mørk himmel. Dette bildet tok mer enn 4 timers eksponering på Canon 5D Mark II på teleskopet fra mitt første oppsett. Den røde fargen på bildet kommer fra ionisert hydrogen. Det krever en modifisert DSLR for effektivt å registrere det røde lyset.
Den nordamerikanske tåken er i Cygnus, og er en del av Cygnus-bildet vist ovenfor. Det er en ganske stor tåke, og den passer fint inn i synsfeltet til en 400 mm linse (FF). Dette forstørrede bildet ble tatt med teleskopet fra mitt første oppsett og Canon 5D Mark II. Det er en 4-rammes mosaikk, og den totale eksponeringen for hver ramme er 2,5 timer. Tåken er ikke helt rød. Det er også blå komponenter innebygd i det røde lyset, som kommer fra ionisert oksygen. Hvis en umodifisert DSLR brukes, vil tåken virke lilla eller rosa.
Meissier 22 er en kulehoper i Skytten. Den inneholder omtrent 300 tusen stjerner. Den sitter mot sommeren Melkeveien, så det er også mange stjerner i bakgrunnen av dette bildet. Dette bildet er tatt med teleskopet fra mitt første oppsett og Nikon D800. Den totale eksponeringstiden er 1,5 timer. For selve klyngen er denne eksponeringstiden unødvendig lang, siden klyngen er relativt lys. Jeg brukte ekstra tid på dette feltet for å fange opp det store antallet svake bakgrunnsstjerner som tilhører Melkeveien. Stjernemål som dette krever ikke en modifisert DSLR. En umodifisert kan gjøre det like bra.
Pinwheel Galaxy (Meissier 101) er en nærliggende galakse og virker derfor relativt stor på himmelen sammenlignet med de fleste andre galakser. Imidlertid er den fortsatt veldig liten. Den lysere delen har en størrelse som er omtrent en halv fullmåne. Dette bildet er tatt med teleskopet fra mitt første oppsett og Canon 5D Mark II. Den er beskåret, og det beskårne synsfeltet tilsvarer det til et 3000 mm objektiv. Den inneholder totalt 8,5 timer normal eksponering, pluss ytterligere 3 timer eksponering under et hydrogen alfa (656,3 nm) smaltbåndsfilter. Smalbåndsfilterbildet er for å forbedre de små flekkene med røde tåker langs spiralarmene. Dessverre er dette ikke en veldig effektiv måte å bruke en DSLR, da bare en fjerdedel av pikslene aktivt mottar fotoner under et så dypt rødt filter. I bakgrunnen på dette bildet kan vi se mange små gule prikker. Det er mange veldig fjerne galakser. Noen av galaksene er så langt unna at tiden det tar for lys å reise fra disse galaksene til oss, er lengre enn solens alder.
Dette gjesteposten ble bidratt av Wei-Hao Wang, en astronom som jobber i et nasjonalt forskningsinstitutt i Taiwan, og besøker for øyeblikket Canada-France-Hawaii Telescope på Big Island of Hawaii. Han er også astrofotograf og startet denne hobbyen i 1990. En samling av hans nylige astrofotos finner du her.
