Astrofotografi är en hobby som snabbt blir populär tack vare den snabba framåtriktade CMOS-sensorteknologin. För över ett decennium sedan var det lätta inspelningsmaterialet som användes i astrofotografi främst kemisk emulsion. Dess låga känslighet gör det mycket svårt att spela in den svaga signalen från rymden. Dessutom är bristen på feedback i realtid en enorm frustrationskälla för nybörjare. Operationsfel som out-of-focus kan bara realiseras efter flera nätter med hårt arbete efter att filmen har utvecklats. I mitten av 90-talet gav tillkomsten av kylda CCD-kameror lösningar på både känslighetsproblem och återkopplingsproblem i realtid. De höga priserna och de olyckligt små sensorområdena begränsade dock användningen till bara några få typer av astrofotografi och till mycket entusiastiska astrofotografer. Medan CCD-enheter revolutionerade astronomisk forskning har denna teknik aldrig förändrat landskapet för amatörastrofotografi. Den sanna vändpunkten ägde rum 2002. Efter att Fujifilm tillkännagav sin FinePix S2Pro DSLR och visade fantastiska astronomiska bilder som tagits av den här kameran började folk på allvar utforska DSLR för astrofotografi. DSLR kan ge feedback i realtid, vilket är mycket viktigt för nybörjare. De har känslighet inte mycket sämre än CCD: er, och DSLR med stora sensorer (APS-C) är ganska överkomliga nuförtiden. Dagens landskap inom astrofotografi formas av en serie CMOS-baserade DSLR från Canon, men DSLR och spegelfria kameror baserade på Sony-sensorer blir mycket populära.
På grund av mitt jobb har jag möjligheter att använda ett brett spektrum av bildinstrument, från CCD-kameror med flera miljoner dollar på stora professionella teleskop till amatör-CCD-kameror och DSLR. Min utbildning i astronomisk forskning ger mig också verktygssatser för att kvantitativt utvärdera sensorernas prestanda och för att känna till deras verkliga gränser. Detta hjälper inte bara min forskning, utan också min livshobby, astrofotografi. På hobbysidan använder jag mest DSLR (Canon 5D Mark II och Nikon D800) för deras höga prestanda och överkomliga priser. För att få bästa astrofoto-resultat, modifieras DSLR: s interna filter för att ha högre genomströmning i den djupröda, så att de kan vara mer effektiva för att registrera rött ljus från joniserad vätgas i universum. Förutom denna filtermodifiering skiljer sig DSLR: er som används för astrofotografering inte från DSLR: er som vi använder dagligen.
En mycket vanlig oro för att använda DSLR på astrofoto är det termiska bruset som genereras av sensorerna. CCD-kameror kylda till -20 eller till och med -40 grader C har inga sådana problem. CMOS-sensorer som producerats under de senaste fem åren har dock mycket lågt termiskt brus. Under samma sensortemperatur är deras termiska brus faktiskt mycket lägre än vanliga CCD i astronomiska kameror. En annan viktig faktor som många människor förbiser är andra ljudkällor än värme i sensorn, varav en är det fotonljud som genereras av själva himlen. Med de senaste DLSR: erna under många omständigheter överväldigar skyfotonbruset ofta det termiska bruset, vilket gör kylning onödig. Endast på platser som är både heta och mörka (t.ex. i öknarna i sydvästra USA) behövs kylning för att helt utnyttja den mörka himlen.
Det här är den bildinställning jag ofta använder. DSLR är fäst i slutet av det primära teleskopet, som fungerar som en jätte teleobjektiv (1100mm, f / 7.3). Det är en APO-refraktor, med en stor korrigeringslins framför fokalplanet för att korrigera fältkrökning och astigmatism. Det korrigerade fältet är tillräckligt stort för att täcka en sensor med 67 format. Teleskopet sitter på ett ekvatoriellt fäste, som är motordrivet och kan spåra stjärnornas öst-väst-rörelse på himlen för att möjliggöra långa exponeringar. Över det primära omfånget finns ett annat mindre omfång med en liten CCD-kamera ansluten. Detta lilla omfång och kamerasystem kan övervaka spårningen av ekvatorialfästet när det primära omfånget tar exponeringar. Den styr automatiskt fästet för att korrigera spårningsfel i realtid. Hela systemet (ekvatorialmontering, DSLR och styrsystem) styrs av en bärbar dator.
Det här är min inställning när jag bara vill ta vidvinkelbilder. Det här ser mer ut som vad en nybörjare kan använda. Kameran och linsen är fästa vid ett ekvatoriellt fäste genom ett kulhuvud. För vidvinkelbilder behöver monteringens spårning inte vara supernoggrann, så det behövs inget styrsystem i realtid. Som en tumregel är det relativt lätt att ta bilder med lång exponering när brännvidden är kortare än 200 mm utan att använda ett snyggt ekvatoriellt fäste och styrsystem. Saker börjar bli svåra när brännvidden är längre än 300 mm.
Allmänt förfarande
Arbetsflödet inom astrofotografi skiljer sig ganska mycket från det i dagsljusfotografering. Eftersom våra mål är mycket svaga måste vi exponera i några minuter eller till och med några timmar för att samla in tillräckligt med fotosignal från våra mål. Himmelbakgrunden är dock vanligtvis så hög att den kommer att mätta bilden när exponeringen är längre än 10 minuter (detta gäller särskilt under en ljusförorenad himmel). Därför är vad vi gör att dela upp den långa exponeringen i många kortare (några till tio minuter) för att undvika mättnad och sedan stapla (genomsnitt) korta exponeringsbilder i efterbehandling för att kombinera deras signal. Detta ger ett resultat som motsvarar en mycket lång exponering.
På teleskopet, när ekvatorialfästet är inställt och inriktat mot Polaris, är det vi brukar göra först att använda en ljus stjärna för att fokusera. Detta brukade vara en mycket utmanande uppgift, men nu är det väldigt enkelt med DSLR: s livevisningsfunktion. Sedan flyttar vi vårt teleskop / lins för att peka på vårt mål. Vi kan vanligtvis mycket enkelt se vår målkonstellation genom kamerans sökare om vi använder en vidvinkel eller kort teleobjektiv. Å andra sidan, om vi använder en lång teleobjektiv eller ett teleskop för att skjuta djupa himmelobjekt, är målen vanligtvis för svaga för att ses direkt. Vissa korta korta exponeringar med mycket hög ISO kan hjälpa till att verifiera vår inramning. När detta är gjort avfyrar vi bara många långa exponeringar via en dator eller en timeravtryckare. Som nämnts ovan varierar typiska exponeringstider från några till tio minuter, beroende på hur snabbt vårt objektiv är och hur mörkt himlen är. En mycket vanlig ISO är 1600. Men med de senaste DSLR: erna med Sony-sensorer är det möjligt att använda ISO 800 eller till och med 400 och ändå få mycket bra resultat efter efterbehandling. Fördelen med lägre ISO är naturligtvis deras högre dynamiska intervall. Det säger sig självt att vi alltid skjuter RAW.
Förutom exponeringarna på himlen tar vi också många ”kalibreringsbilder” för att ta bort den oönskade signalen från himlen, optiken och kameran. Till exempel tar vi exponeringar på föremål med enhetlig ljusstyrka (som en molnfri dagtid eller skymningshimmel eller en stor LED-panel) efteråt. Sådana bilder (kallas "platt fält") kan användas för att korrigera för vinjettering som orsakas av linsen / teleskopet i bilderna på himlen, för att återställa den enhetliga bakgrundsbelysningen. I början eller slutet av natten täcker vi objektivet / teleskopet helt och tar ”mörka” exponeringar när kameran är under samma temperatur som bilderna på himlen. Sådana mörka bilder kan användas för att ta bort den termiska signalen i bilderna på himlen. Detta är i huvudsak detsamma som de flesta DSLR: er med brusreducering med lång exponering i kameran, men vi gör det manuellt för att undvika att slösa bort den dyrbara natten. Vi tar också extremt korta exponeringar (1/8000 sek) (kallas "bias") när linsen är helt täckt, för att ta hänsyn till vilken signal kameran genererar när det inte finns något ljus och inte heller någon tid för termisk signal att ackumuleras. Liksom exponeringarna på himlen tar vi flera (från några till flera tiotals) platta, mörka och förspända exponeringar och genomsnittar dem för att slå ner slumpmässigt brus i bilderna för att förbättra signalkvaliteten. Det finns många programvarupaket (som DeepSkyStacker, som är gratis) som kan bearbeta bilderna på himlen, plana, mörka och förspända och stapla de kalibrerade bilderna på himlen för att bilda en mycket djup, ren och hög bild av dynamiskt intervall. Alla dessa måste göras från RAW-filer, eftersom JPEG.webp-bilder inte är linjära och inte möjliggör korrekt borttagning av den oönskade signalen.
(a) är en råfil direkt konverterad i Photoshop och med viss kontraststräckning. Här ser vi ledtrådar till röda nebulosor i bilden, men det mest framträdande inslaget i denna bild är vinjetteringsmönstret som orsakas av teleskopet och kameran. (b) är en "platt fält" -bild som tagits med samma teleskop mot skymningshimlen. Det är en bild som inte innehåller annat än vinjetteringsmönstret. Matematiskt delar vi (a) med (b) för att ta bort vinjetteringsmönstret och den här beräkningen kallas ”flat-field correction.” (c) är resultatet av en sådan korrigering plus stark kontrast och mättnadssträckor. Vi kan se att utan den flata fältkorrigeringen finns det inget hopp att få fram de svaga nebulosorna överallt i bilden från (a). BTW, den vignetteringskorrigering som är inbyggd i de flesta icke-astronomiska programvaror för bildbehandling (som Photoshop eller Lightroom) är inte tillräckligt exakt för astrofotografi, även om vår lins finns i programvarudatabasen. Därför måste vi själva utföra korrigering av plattfält med hjälp av programvara avsedd för astrofotografi.
Efter den grundläggande kalibreringen och bildstaplingen använder vi programvara som Photoshop för att ytterligare bearbeta de staplade bilderna. Det tar vanligtvis mycket stark kurva och mättnadssträckning för att få fram de svaga detaljerna i en staplad astronomisk bild. Det kräver också mycket kompetens och erfarenhet för att uppnå detta samtidigt som man behåller en exakt färg och ett naturligt utseende på en bild. Det är i princip som att manuellt bearbeta en RAW-bild från grunden, utan att förlita sig på några råbearbetningsmotorer. Det är inte ovanligt att vi spenderar mer tid på att bearbeta en bild än dess exponeringstid, och efterbehandling är ofta det som skiljer astrofotofotografer från toppklass från genomsnittliga.
Exempel på breda fält
Denna bild av Orion är tagen med Sigma 50mm f / 1.4 Art-objektiv och Nikon D800. Det är en sammansättning av mer än 60 4-minuters exponeringar vid ISO 800 och f / 3,2 till f / 4,0. De mer än fyra timmarna av den totala exponeringstiden här är ganska extrema. För konstellationsbilder som denna spenderar vi vanligtvis bara 0,5 till 1,5 timme. Den extremt långa exponeringen här leder dock till bättre bildkvalitet och gör det möjligt att upptäcka mycket svaga nebulor runt Orion. För att effektivt fånga de röda nebulerna i Orion behövs en modifierad DSLR. Men med en omodifierad kan vi fortfarande få den vackra färgen på stjärnor i konstellationerna. Så vidsträckta konstellationer är fantastiska mål för nybörjare som inte är redo att skicka sina kameror för operationen.
Denna bild av sommarvintergatan är tagen med ett 500mm f / 2.8-teleskop och Canon 5D Mark II. Det är en mosaik med 110 bilder, så dess synfält kan jämföras med en 50 mm lins. Jag är ett stort fan av mosaikbilder. Jag kallar det ofta fattiga människors storformatskamera. Ett galet mosaikpanorama som detta innehåller rika detaljer som långt överstiger vad som kan fångas med den mest avancerade medelformaten digitala ryggen. Priset är att det tar mycket lång tid att ta och bearbeta bilderna.
Detta är en utökad version av Orion-bilden. Den visar den stora vintertriangeln och Vintergatan som går genom triangeln. Det tas med Nikon 28-70mm f / 2.8D vid 50mm f / 4 och Nikon D800. Det är en mosaik med fyra bilder, så synfältet är fyra gånger större än ett 50 mm synfält. Varje mosaikram innehåller 16 5-minuters exponeringar vid ISO 400.
Detta är en mosaik med två bilder som tagits med ett Mamiya 645 45mm f / 2.8-objektiv vid f / 4.0 och Canon 5D Mark II. Tvåbildsmosaiken gör det möjligt att fånga inte bara konstellationen Cygnus utan också den storskaliga Vintergatan. Varje enskild mosaikram innehåller 16 4-minuters exponeringar vid ISO 1600. Vid efterbehandling applicerade jag ett lager för att suddas ut ljuset från ljusa stjärnor så att konstellationsformen blir tydligare. Samma effekt kan uppnås med ett diffust filter framför linsen. Filter som ofta används för detta ändamål inkluderar Kenko Softon A och Cokin P830.
Exempel på Deep-Sky
Denna vidsträckta bild runt stjärnklustret Pleiades (Meissier 45) är tagen med ett 500 mm f / 2.8-teleskop och Nikon D800. Det är en fyrramsmosaik och varje ram innehåller mer än 1 timmes total exponering. Damm- och gasmolnen runt Pleiaderna är faktiskt mycket svaga. Det kräver inte bara mycket långa exponeringar för att upptäcka dem, utan också mycket mörk och ren himmel. Bildkalibreringen måste också göras med mycket hög noggrannhet, annars kommer himmelbakgrunden plus vignettering av optiken att helt tvätta ut den svaga nebulositeten. Å andra sidan kräver blå gasmoln som detta inte en modifierad DSLR för att spela in dem. Kärnan i molnen runt Pleiaderna kan vara mycket bra mål för människor som inte har en modifierad DSLR.
Andromedagalaxen (Meissier 31) är ett mål som ingen astrofotograf aldrig missat. Detta tas av teleskopet med min första installation och Canon 5D Mark II. Det är en tvåramsmosaik. Varje bild innehåller cirka 40 5-minuters exponeringar vid ISO 1600. Omodifierade DSLR kan ta anständiga bilder av galaxmål som detta. Men om vi tittar noga på bilden kan vi se många små röda föremål längs Andromedagalaxens spiralarmar. Dessa är de jätte gasnebulerna som innehåller joniserat väte. För att effektivt fånga det röda ljuset från dessa nebulosar krävs fortfarande en modifierad DSLR.
Horse Head Nebula sitter alldeles intill Orions bälte och är en del av bilden av Orion som presenterades tidigare. Det kan ses genom måttligt stora teleskop under mörk himmel. Denna bild tog mer än fyra timmars exponering på Canon 5D Mark II på teleskopet från min första installation. Den röda färgen i bilden kommer från joniserat väte. Det kräver en modifierad DSLR för att effektivt spela in det röda ljuset.
Den nordamerikanska nebulosan ligger i Cygnus och ingår i Cygnus-bilden som visas ovan. Det är en ganska stor nebulosa och passar fint in i synfältet för en 400 mm lins (FF). Denna förstorade bild togs med teleskopet från min första installation och Canon 5D Mark II. Det är en 4-ramsmosaik och den totala exponeringen för varje bild är 2,5 timmar. Nebulosan är inte helt röd. Det finns också blå komponenter inbäddade i det röda ljuset, som kommer från joniserat syre. Om en omodifierad DSLR används skulle nebulosan verka lila eller rosa.
Meissier 22 är ett klotformigt kluster i Skytten. Den innehåller ungefär 300 tusen stjärnor. Det sitter mot sommarvintergatan, så det finns också många stjärnor i bakgrunden av denna bild. Denna bild är tagen med teleskopet från min första installation och Nikon D800. Den totala exponeringstiden är 1,5 timmar. För själva klustret är denna exponeringstid onödigt lång, eftersom klustret är relativt ljust. Jag tillbringade extra tid i detta fält för att fånga det stora antalet svaga bakgrundsstjärnor som tillhör Vintergatan. Stjärnmål som detta kräver inte en modifierad DSLR. En omodifierad kan göra lika bra.
Pinwheel Galaxy (Meissier 101) är en närliggande galax och verkar därför relativt stor på himlen jämfört med de flesta andra galaxer. Det är dock fortfarande mycket litet. Den ljusare delen har en storlek som är ungefär en halv fullmåne. Denna bild är tagen med teleskopet från min första installation och Canon 5D Mark II. Det är beskuret och det beskurna synfältet motsvarar ett 3000 mm-objektiv. Den innehåller totalt 8,5 timmars normal exponering plus ytterligare 3 timmars exponering under ett smalbandsfilter med väte-alfa (656,3 nm). Den smala bandfilterbilden är att förbättra de små fläckarna med röda nebulosor längs spiralarmarna. Tyvärr är detta inte ett särskilt effektivt sätt att använda en DSLR, eftersom endast en fjärdedel av pixlarna aktivt tar emot fotoner under ett sådant djuprött filter. I bakgrunden av den här bilden kan vi se många små gula prickar. Det är många mycket avlägsna galaxer. Några av galaxerna är så långt borta att den tid det tar för ljus att resa från dessa galaxer till oss är längre än vår sols ålder.
Detta gästinlägg bidrog av Wei-Hao Wang, en astronom som arbetar på ett nationellt forskningsinstitut i Taiwan, och besöker för närvarande Kanada-Frankrike-Hawaii-teleskopet på Big Island of Hawaii. Han är också astrofotograf och startade den här hobbyen 1990. En samling av hans senaste astrofoto finns här.
