Astrofotografi er en hobby, der hurtigt vinder popularitet takket være den hurtigt fremadskridende CMOS-sensorteknologi. For over et årti siden var det lette optagemateriale, der blev anvendt i astrofotografi, primært kemisk emulsion. Dens lave følsomhed gør det meget svært at optage det svage signal fra det dybe rum. Derudover er manglen på feedback i realtid en enorm kilde til frustration for begyndere. Operationsfejl som ude af fokus kan kun realiseres efter flere nætter med hårdt arbejde, efter at filmen er udviklet. I midten af 90'erne leverede afkølede CCD-kameraer løsninger på både følsomhed og feedback i realtid. Imidlertid begrænsede deres høje priser og elendigt små sensorområder deres anvendelse til kun et par slags astrofotografi og til meget entusiastiske astrofotografer. Mens CCD'er revolutionerede astronomisk forskning, har denne teknologi aldrig rigtig ændret landskabet for amatørastrofotografi. Det sande vendepunkt fandt sted i 2002. Efter at Fujifilm annoncerede sin FinePix S2Pro DSLR og fremviste fantastiske astronomiske billeder taget af dette kamera, begyndte folk alvorligt at udforske DSLR'er til astrofotografering. DSLR'er kan give feedback i realtid, hvilket er meget vigtigt for begyndere. De har følsomhed ikke meget værre end CCD'er, og DSLR'er med store sensorer (APS-C) er ret overkommelige i dag. Dagens landskab i astrofotografi er formet af en række CMOS-baserede DSLR'er fra Canon, men DSLR'er og spejlfri kameraer baseret på Sony-sensorer vinder meget hurtigt popularitet.
På grund af mit job har jeg muligheder for at bruge en lang række billedbehandlingsinstrumenter, fra CCD-kameraer med flere millioner dollars på store professionelle teleskoper til amatør-CCD-kameraer og DSLR'er. Min uddannelse i astronomisk forskning giver mig også værktøjssæt til kvantitativt at evaluere sensorernes ydeevne og at kende deres sande grænser. Dette hjælper ikke kun min forskning, men også min livs hobby, astrofotografi. På hobbysiden bruger jeg mest DSLR'er (Canon 5D Mark II og Nikon D800) for deres høje ydeevne og overkommelige priser. For at få de bedste astrofotoresultater er DSLR'ernes interne filtre modificeret til at have højere gennemstrømning i den dybe røde farve, så de kan være mere effektive til at registrere det røde lys fra ioniseret brintgas i universet. Bortset fra denne filterændring adskiller DSLR'er til astrofotografering ikke sig fra DSLR'er, vi bruger dagligt.
En meget almindelig bekymring for brugen af DSLR'er på astrofoto er den termiske støj, der genereres af sensorerne. CCD-kameraer afkølet til -20 eller endda -40 grader C har ikke sådanne problemer. CMOS-sensorer produceret i de seneste fem år har dog alle meget lav termisk støj. Under den samme sensortemperatur er deres termiske støj faktisk meget lavere end almindelige CCD'er i astronomiske kameraer. En anden vigtig faktor, som mange mennesker overser, er andre støjkilder end varme i sensoren, hvoraf den ene er fotonstøj genereret af selve himlen. Med de nyeste DLSR'er under mange omstændigheder overvælder himmelfotonstøjen ofte den termiske støj, hvilket gør køling unødvendig. Kun på steder, der er både varme og mørke (såsom ørkener i det sydvestlige USA), er køling nødvendig for fuldt ud at udnytte den mørke himmel.
Dette er den billedopsætning, jeg ofte bruger. DSLR er fastgjort til enden af det primære teleskop, der fungerer som en kæmpe teleobjektiv (1100mm, f / 7.3). Det er en APO-refraktor med en stor korrigeringslinse foran fokalplanet for at korrigere feltkrumning og astigmatisme. Det korrigerede felt er stort nok til at dække en sensor i 67 format. Teleskopet sidder på en ækvatorial montering, som er motordrevet og kan spore stjernernes øst-vest-bevægelse på himlen for at give mulighed for lange eksponeringer. Over det primære anvendelsesområde er et andet mindre omfang med et lille CCD-kamera, der er fastgjort til det. Dette lille omfangs- og kamerasystem kan overvåge sporing af ækvatorialbeslaget, når det primære omfang tager eksponeringer. Det guider automatisk monteringen for at rette op på sporingsfejl i realtid. Hele systemet (ækvatorialmontering, DSLR og styresystem) styres af en bærbar computer.
Dette er min opsætning, når jeg bare vil optage vidvinkelbilleder. Dette ligner mere, hvad en nybegynder kan bruge. Kameraet og linsen er fastgjort til en ækvatorial montering gennem et kuglehoved. For vidvinkelbilleder behøver holderens sporing ikke at være supernøjagtig, så et styresystem i realtid er ikke påkrævet. Når en brændvidde er kortere end 200 mm, er det som en tommelfingerregel relativt let at tage billeder med lang eksponering uden at bruge et fancy ækvatorialt monterings- og styresystem. Ting begynder at blive vanskelige, når brændvidden er længere end 300 mm.
Generel procedure
Arbejdsgangen i astrofotografi er meget forskellig fra dagslysfotografering. Fordi vores mål er meget svage, er vi nødt til at eksponere i et par minutter eller endda et par timer for at indsamle nok fotosignal fra vores mål. Himmelbaggrunden er dog normalt så høj, at den mætter billedet, når eksponeringen er længere end 10 minutter (dette gælder især under en lysforurenet himmel). Derfor er det, vi gør, at bryde den lange eksponering i mange kortere (nogle få til ti minutter) for at undgå mætning og derefter stable (gennemsnit) korteksponeringsbillederne i efterbehandling for at kombinere deres signal. Dette giver et resultat, der svarer til en meget lang eksponering.
På teleskopet, når ækvatorialmonteringen er sat op og justeret til Polaris, er det, vi normalt gør, først at bruge en lys stjerne til at fokusere. Dette plejede at være en meget udfordrende opgave, men nu er det meget let med DSLR's live view-funktion. Derefter bevæger vi vores teleskop / linse for at pege på vores mål. Vi kan normalt meget let se vores målkonstellation gennem kameraets søger, hvis vi bruger en vidvinkel- eller kort teleobjektiv. På den anden side, hvis vi bruger en lang teleobjektiv eller et teleskop til at skyde dybe himmelobjekter, er målene normalt for svage til at kunne ses direkte. Nogle test korte eksponeringer med meget høj ISO kan hjælpe med at bekræfte vores indramning. Når dette er gjort, skyder vi bare mange lange pæreeksponeringer væk via en computer eller en timerudløser. Som nævnt ovenfor varierer typiske eksponeringstider fra nogle få til ti minutter, afhængigt af hvor hurtigt vores linse er, og hvor mørkt himlen er. En meget almindeligt anvendt ISO er 1600. Med nylige DSLR'er med Sony-sensorer er det dog muligt at bruge ISO 800 eller endda 400 og stadig få meget gode resultater efter efterbehandling. Fordelen ved lavere ISO'er er naturligvis deres højere dynamiske rækkevidde. Det siger sig selv, at vi altid skyder RAW.
Ud over eksponeringerne på himlen tager vi også mange "kalibrerings" -billeder for at fjerne det uønskede signal fra himlen, optikken og kameraet. For eksempel tager vi eksponeringer på objekter med ensartet lysstyrke (såsom en skyfri dagtimerne eller tusmørkehimlen eller et stort LED-panel) bagefter. Sådanne billeder (kaldet "fladt felt") kan bruges til at korrigere for vignettering forårsaget af linsen / teleskopet på billederne på himlen for at gendanne den ensartede baggrundslysstyrke. I begyndelsen eller slutningen af natten dækker vi objektivet / teleskopet helt og tager “mørke” eksponeringer, når kameraet har samme temperatur som optagelserne på himlen. Sådanne mørke billeder kan bruges til at fjerne det termiske signal i billederne på himlen. Dette er stort set det samme som de fleste DSLR'er 'støjreduktion i kameraet med lang eksponering, men vi gør dette manuelt for at undgå at spilde den dyrebare nattetid. Vi tager også ekstrem korte eksponeringer (1/8000 sek) (kaldet "bias"), når linsen er helt dækket for at tage højde for det signal, kameraet genererer, når der ikke er lys og heller ikke tid til at akkumulere termisk signal. Ligesom on-sky-eksponeringer tager vi flere (fra nogle få til flere tiere) flade, mørke og biaseksponeringer og gennemsnits dem for at slå ned tilfældig støj i billederne for at forbedre signalkvaliteten. Der er mange softwarepakker (såsom DeepSkyStacker, som er gratis), der kan behandle on-sky, flat-field, mørke og bias-billeder og stable de kalibrerede on-sky-billeder for at danne et meget dybt, rent og højt billede af dynamisk rækkevidde. Alt dette skal gøres fra RAW-filer, da JPEG.webp-billeder ikke er lineære og ikke tillader nøjagtig fjernelse af det uønskede signal.
(a) er en rå fil, der er direkte konverteret i Photoshop og med en vis kontraststræk. Her ser vi antydninger til røde tåger i billedet, men det mest fremtrædende træk ved dette billede er vignetteringsmønsteret forårsaget af teleskopet og kameraet. (b) er et "fladt felt" -billede taget med det samme teleskop mod tusmørkehimlen. Det er et billede, der kun indeholder vignetteringsmønsteret. Matematisk deler vi (a) med (b) for at fjerne vignetteringsmønsteret, og denne beregning kaldes "fladfeltkorrektion." (c) er resultatet af en sådan korrektion plus stærk kontrast og mætningstræk. Vi kan se, at uden fladfeltkorrektionen er der intet håb om at bringe de svage tåger ud overalt i billedet fra (a). BTW, den vignetteringskorrektion, der er indbygget i de fleste ikke-astronomiske billedbehandlingssoftware (såsom Photoshop eller Lightroom), er ikke nøjagtig nok til astrofotografering, selvom vores linse er i softwaredatabasen. Dette er grunden til, at vi selv skal udføre fladfeltkorrektion ved hjælp af software designet til astrofotografering.
Efter den grundlæggende kalibrering og billedstabelning bruger vi software som Photoshop til yderligere at behandle de stablede billeder. Det tager normalt meget stærk kurve og mætningstræk for at få de svage detaljer i et stablet astronomisk billede. Det kræver også en masse færdigheder og erfaring for at opnå dette, mens du stadig opretholder nøjagtig farve og et naturligt udseende af et billede. Det er stort set som manuelt at behandle et RAW-billede fra bunden uden at stole på nogen rå behandlingsmotorer. Det er ikke ualmindeligt, at vi bruger mere tid på at bearbejde et billede end dets eksponeringstid, og efterbehandling er ofte det, der adskiller astrofotofotografer fra topklasse fra gennemsnitlige.
Eksempler på vidvinkel
Dette billede af Orion er taget med Sigma 50mm f / 1.4 Art-objektiv og Nikon D800. Det er en sammensætning af mere end 60 eksponeringer på 4 minutter ved ISO 800 og f / 3,2 til f / 4,0. De mere end 4 timers samlede eksponeringstid her er ret ekstrem. For konstellationsskud som denne bruger vi normalt kun 0,5 til 1,5 time. Imidlertid fører den ekstremt lange eksponering her til bedre billedkvalitet og giver mulighed for at opdage meget svage tåger omkring Orion. For effektivt at fange de røde tåger i Orion er der brug for en modificeret DSLR. Men med en umodificeret en kan vi stadig få den smukke farve af stjerner i konstellationerne. Så vidvinkelkonstellationer er gode mål for begyndere, der ikke er klar til at sende deres kameraer til operationen.
Dette billede af sommeren Mælkevejen er taget med et 500mm f / 2.8 teleskop og Canon 5D Mark II. Det er en mosaik med 110 billeder, så synsfeltet kan sammenlignes med et 50 mm objektiv. Jeg er en stor fan af mosaikbilleder. Jeg kalder det ofte fattige folks store formatkamera. Et vanvittigt mosaikpanorama som dette indeholder rige detaljer, der langt overstiger det, der kan fanges med den mest avancerede mellemformat digitale ryg. Prisen er, at det tager meget lang tid at optage og behandle billederne.
Dette er en udvidet version af Orion-billedet. Det viser den store vintertrekant og mælkevejen, der går gennem trekanten. Det er taget med Nikon 28-70mm f / 2.8D ved 50mm f / 4 og Nikon D800. Det er en mosaik med fire billeder, så synsfeltet er fire gange større end et 50 mm synsfelt. Hver af mosaikrammen indeholder 16 5-minutters eksponeringer ved ISO 400.
Dette er en to-billedsmosaik taget med et Mamiya 645 45mm f / 2.8-objektiv på f / 4.0 og Canon 5D Mark II. Mosaikken med to billeder gør det muligt at fange ikke kun stjernebilledet Cygnus, men også den store mælkevej. Hver individuelle mosaikramme indeholder 16 4-minutters eksponeringer ved ISO 1600. I efterbehandling påførte jeg et lag for at sløre lyset fra lyse stjerner, så konstellationens form er tydeligere. Den samme effekt kan opnås med et diffust filter foran linsen. Filtre, der ofte bruges til dette formål, inkluderer Kenko Softon A og Cokin P830.
Eksempler på Deep-Sky
Dette vidvinkelbillede omkring stjerneklyngen Pleiades (Meissier 45) er taget med et 500mm f / 2.8 teleskop og Nikon D800. Det er en mosaik med fire rammer, og hver ramme indeholder mere end 1 times total eksponering. Støv og gasskyer omkring Plejaderne er faktisk meget svage. Det kræver ikke kun meget lange eksponeringer for at opdage dem, men også meget mørk og ren himmel. Billedkalibreringen skal også udføres med en meget høj nøjagtighed, ellers skyder himmelbaggrunden plus vignettering af optikken helt ud den svage tåge. På den anden side kræver blå gasskyer som denne ikke en modificeret DSLR for at registrere dem. Kernen i skyerne omkring Plejaderne kan være meget gode mål for folk, der ikke har en modificeret DSLR.
Andromeda-galaksen (Meissier 31) er et mål, som ingen astrofotograf aldrig har savnet. Dette er taget af teleskopet med min første opsætning og Canon 5D Mark II. Det er en to-ramme mosaik. Hver ramme indeholder ca. 40 5-minutters eksponeringer ved ISO 1600. Uændrede DSLR'er kan tage anstændige billeder af galakse-mål som denne. Men hvis vi ser nøje på billedet, kan vi se mange små røde objekter langs spiralarmene i Andromeda-galaksen. Disse er de kæmpe gasnebler, der indeholder ioniseret brint. For effektivt at fange det røde lys fra disse tåger er der stadig behov for en modificeret DSLR.
Horse Head Nebula sidder lige ved siden af Orions bælte og er en del af billedet af Orion, der blev præsenteret tidligere. Det kan ses gennem moderat store teleskoper under mørk himmel. Dette billede tog mere end 4 timers eksponering på Canon 5D Mark II på teleskopet fra min første opsætning. Den røde farve på billedet kommer fra ioniseret brint. Det kræver en modificeret DSLR for effektivt at optage det røde lys.
Den nordamerikanske tåge er i Cygnus og er en del af Cygnus-billedet vist ovenfor. Det er en temmelig stor tåge, og den passer pænt i synsfeltet for en 400 mm linse (FF). Dette forstørrede billede blev taget med teleskopet fra min første opsætning og Canon 5D Mark II. Det er en 4-rammes mosaik, og den samlede eksponering for hver ramme er 2,5 timer. Tågen er ikke helt rød. Der er også blå komponenter indlejret i det røde lys, der kommer fra ioniseret ilt. Hvis der anvendes en umodificeret DSLR, vises tågen lilla eller lyserød.
Meissier 22 er en kuglehobe i Skytten. Den indeholder omkring 300 tusinder af stjerner. Det sidder mod sommeren Mælkevejen, så der er også adskillige stjerner i baggrunden af dette billede. Dette billede er taget med teleskopet fra min første opsætning og Nikon D800. Den samlede eksponeringstid er 1,5 timer. For selve klyngen er denne eksponeringstid unødigt lang, da klyngen er relativt lys. Jeg brugte ekstra tid på dette felt for at fange det store antal svage baggrundsstjerner, der hører til Mælkevejen. Stjernemål som dette kræver ikke en modificeret DSLR. En umodificeret kan klare sig lige så godt.
Pinwheel Galaxy (Meissier 101) er en nærliggende galakse og ser derfor relativt stor ud på himlen sammenlignet med de fleste andre galakser. Det er dog stadig meget lille. Den lysere del har en størrelse, der er omtrent en halv fuldmåne. Dette billede er taget med teleskopet fra min første opsætning og Canon 5D Mark II. Det er beskåret, og det beskårne synsfelt svarer til et 3000 mm objektiv. Den indeholder i alt 8,5 timers normal eksponering plus yderligere 3 timers eksponeringer under et smalbåndsfilter med hydrogen alfa (656,3 nm). Det smalle båndsfilterbillede skal forbedre de små pletter af røde tåger langs spiralarmene. Desværre er dette ikke en meget effektiv måde at bruge en DSLR på, da kun en fjerdedel af pixels aktivt modtager fotoner under et sådant dybt rødt filter. I baggrunden af dette billede kan vi se mange små gule prikker. Disse er adskillige meget fjerne galakser. Nogle af galakserne er så langt væk, at den tid, det tager for lys at rejse fra disse galakser til os, er længere end solens alder.
Dette gæstepost blev bidraget af Wei-Hao Wang, en astronom, der arbejder i et nationalt forskningsinstitut i Taiwan, og besøger i øjeblikket Canada-France-Hawaii Telescope på Big Island of Hawaii. Han er også astrofotograf og startede denne hobby i 1990. En samling af hans nylige astrofotos kan findes lige her.
