Astrofotografie je koníček, který si rychle získává popularitu díky rychle se rozvíjející technologii snímačů CMOS. Před více než deseti lety byl materiál pro záznam světla používaný v astrofotografii primárně chemická emulze. Jeho nízká citlivost ztěžuje záznam slabého signálu z hlubokého vesmíru. Navíc nedostatek zpětné vazby v reálném čase je pro začátečníky obrovským zdrojem frustrace. Provozní chyby, jako je rozostření, lze realizovat až po několika nocích tvrdé práce po vývoji filmu. V polovině 90. let přinesl příchod chlazených CCD kamer řešení jak problémů s citlivostí, tak se zpětnou vazbou v reálném čase. Jejich vysoké ceny a mizerně malé oblasti senzorů však omezily jejich použití pouze na několik druhů astrofotografie a na velmi nadšené astrofotografy. Zatímco CCD způsobily revoluci v astronomickém výzkumu, tato technologie nikdy nezměnila prostředí amatérské astrofotografie. Skutečný bod obratu nastal v roce 2002. Poté, co společnost Fujifilm oznámila svou digitální zrcadlovku FinePix S2Pro a představila úžasné astronomické snímky pořízené tímto fotoaparátem, začali lidé vážně zkoumat digitální zrcadlovky pro astrofotografii. Digitální zrcadlovky mohou poskytovat zpětnou vazbu v reálném čase, což je pro začátečníky velmi důležité. Mají citlivost ne mnohem horší než CCD a digitální zrcadlovky s velkými senzory (APS-C) jsou dnes docela dostupné. Dnešní scénu v astrofotografii utváří řada digitálních zrcadlovek založených na CMOS od společnosti Canon, ale popularitu si velmi rychle získávají digitální zrcadlovky a zrcadlové fotoaparáty založené na senzorech Sony.
Kvůli své práci mám příležitost používat širokou škálu zobrazovacích nástrojů, od CCD kamer za miliony dolarů na velkých profesionálních dalekohledech až po amatérské CCD kamery a DSLR. Moje školení v astronomickém výzkumu mi také poskytuje sady nástrojů pro kvantitativní vyhodnocení výkonu senzorů a pro poznání jejich skutečných limitů. To pomáhá nejen mému výzkumu, ale také mému celoživotnímu koníčku, astrofotografii. Po stránce hobby většinou používám digitální zrcadlovky (Canon 5D Mark II a Nikon D800) pro jejich vysoký výkon a dostupné ceny. Pro dosažení nejlepších astrofotografických výsledků jsou vnitřní filtry DSLR upraveny tak, aby měly vyšší propustnost v temně červené barvě, takže mohou účinněji zaznamenávat červené světlo z ionizovaného vodíku ve vesmíru. Kromě této úpravy filtru se digitální zrcadlovky používané pro astrofotografii neliší od digitálních zrcadlovek, které používáme denně.
Jednou z velmi častých obav z používání DSLR na astrofotografii je tepelný šum generovaný senzory. CCD kamery ochlazené na -20 nebo dokonce -40 stupňů C takové problémy nemají. Všechny snímače CMOS vyrobené v posledních pěti letech však mají velmi nízký tepelný šum. Při stejné teplotě snímače je jejich tepelný šum ve skutečnosti mnohem nižší než běžné CCD v astronomických kamerách. Dalším důležitým faktorem, který mnoho lidí přehlíží, jsou jiné zdroje hluku než teplo v senzoru, jedním z nich je fotonový šum generovaný samotnou oblohou. S nejnovějšími DLSR za mnoha okolností hluk fotonů oblohy často přemůže tepelný šum, takže chlazení není nutné. Pouze na místech, která jsou horká i tmavá (například pouště na jihozápadě USA), je nutné chlazení, aby bylo možné plně využít temnou oblohu.
Toto je nastavení zobrazování, které často používám. Digitální zrcadlovka je připojena ke konci primárního dalekohledu, který funguje jako obří teleobjektiv (1100 mm, f / 7,3). Jedná se o refraktor APO s velkou korekční čočkou před ohniskovou rovinou, která koriguje zakřivení pole a astigmatismus. Opravené pole je dostatečně velké, aby pokrylo 67formátový snímač. Dalekohled sedí na rovníkové montáži, která je poháněna motorem a může sledovat pohyb hvězd na východ od západu po obloze, což umožňuje dlouhé expozice. Nad primárním dalekohledem je další menší dalekohled s připojenou malou CCD kamerou. Tento malý dalekohled a kamerový systém může sledovat sledování rovníkového úchytu, když primární dalekohled exponuje. Automaticky vede držák, aby opravil chyby sledování v reálném čase. Celý systém (rovníková montáž, DSLR a vodicí systém) je řízen notebookem.
Toto je moje nastavení, když chci pouze pořizovat širokoúhlé snímky. Vypadá to spíš jako to, co může použít začátečník. Fotoaparát a objektiv jsou připevněny k rovníku pomocí kulové hlavy. U širokoúhlých záběrů nemusí být sledování bajonetu příliš přesné, takže není nutný vodicí systém v reálném čase. Obecně platí, že když je ohnisková vzdálenost kratší než 200 mm, je relativně snadné pořizovat snímky s dlouhou expozicí bez použití efektního rovníkového úchytu a vodicího systému. Věci se začínají zhoršovat, když je ohnisková vzdálenost delší než 300 mm.
Obecný postup
Pracovní postup v astrofotografii je zcela odlišný od pracovního postupu při fotografování za denního světla. Protože jsou naše cíle velmi slabé, musíme je vystavit na několik minut nebo dokonce na několik hodin, abychom nasbírali dostatek fotosignálu z našich cílů. Pozadí oblohy je však obvykle tak vysoké, že nasytí obraz, když je expozice delší než 10 minut (zvláště to platí pro oblohu znečištěnou světlem). Proto děláme to, že rozdělíme dlouhou expozici na mnoho kratších (několik až 10 minut), abychom se vyhnuli sytosti, a poté naskládáme (průměrujeme) snímky s krátkou expozicí v následném zpracování, abychom spojili jejich signál. Výsledkem je ekvivalent velmi dlouhé expozice.
Na dalekohledu, jakmile je rovníková montáž nastavena a srovnána s Polaris, obvykle děláme nejprve zaostření pomocí jasné hvězdy. Dříve to byl velmi náročný úkol, ale nyní je to s funkcí živého náhledu DSLR velmi snadné. Poté přesuneme náš dalekohled / čočku a ukážeme na náš cíl. Když použijeme širokoúhlý nebo krátký teleobjektiv, obvykle můžeme snadno vidět naši cílovou konstelaci hledáčkem fotoaparátu. Na druhou stranu, pokud používáme k fotografování objektů hlubokého nebe dlouhý teleobjektiv nebo dalekohled, jsou cíle obvykle příliš slabé na to, aby je bylo možné přímo vidět. Některé testy krátkých expozic s velmi vysokým ISO mohou pomoci ověřit naši kompozici. Jakmile je to hotové, vypálíme mnoho dlouhých expozic žárovek pomocí počítače nebo samospouště. Jak bylo uvedeno výše, typické expoziční časy se pohybují od několika do 10 minut, v závislosti na tom, jak rychlý je náš objektiv a jak tmavá je obloha. Velmi běžně používaná hodnota ISO je 1600. U nedávných digitálních zrcadlovek se senzory Sony je však možné použít ISO 800 nebo dokonce 400 a po následném zpracování stále dosahovat velmi dobrých výsledků. Výhodou nižších ISO je samozřejmě jejich vyšší dynamický rozsah. Je samozřejmé, že vždy natáčíme RAW.
Kromě expozic na obloze pořídíme také mnoho „kalibračních“ snímků, abychom odstranili nežádoucí signál z oblohy, optiky a fotoaparátu. Například pořídíme expozice na objektech s rovnoměrným jasem (například bezmračná denní doba nebo obloha za soumraku nebo velký panel LED). Takové obrazy (nazývané „ploché pole“) lze použít ke korekci vinětace způsobené objektivem / dalekohledem v obrazech na obloze a obnovit jednotný jas pozadí. Na začátku nebo na konci noci plně zakryjeme objektiv / dalekohled a pořizujeme „tmavé“ expozice, když je fotoaparát pod stejnou teplotou jako záběry na obloze. Takové tmavé obrazy lze použít k odstranění tepelného signálu ze snímků na obloze. To je v zásadě stejné jako u většiny digitálních zrcadlovek redukce šumu ve fotoaparátu dlouhými expozicemi, ale děláme to ručně, abychom zabránili plýtvání drahocenným nočním časem. Když je objektiv plně zakrytý, pořizujeme také extrémně krátké (1/8 000 s) expozice (tzv. „Zkreslení“), abychom zohlednili jakýkoli signál, který kamera generuje, když není světlo, a také čas na akumulaci tepelného signálu. Stejně jako expozice na obloze pořizujeme několik (od několika do několika desítek) plochých, tmavých a zkreslených expozic a průměrujeme je, abychom potlačili jakýkoli náhodný šum v obrazech, abychom zlepšili kvalitu signálu. Existuje mnoho softwarových balíčků (například DeepSkyStacker, který je zdarma), které mohou zpracovávat obrazy na obloze, ploché pole, tmavé a zkreslení a skládat kalibrované obrázky na obloze tak, aby vytvořily velmi hluboký, čistý a vysoký dynamický rozsah obrazu. To vše musí být provedeno ze souborů RAW, protože obrázky JPEG.webp nejsou lineární a neumožňují přesné odstranění nežádoucího signálu.
(a) je nezpracovaný soubor přímo převedený ve Photoshopu as určitým kontrastem. Zde vidíme na obrázku náznaky červených mlhovin, ale nejvýznamnějším rysem tohoto snímku je vinětační vzor způsobený dalekohledem a kamerou. (b) je snímek „plochého pole“ pořízený stejným dalekohledem směrem k soumraku. Je to obrázek, který neobsahuje nic jiného než vinětační vzor. Matematicky rozdělíme (a) na (b), abychom odstranili vinětační vzor, a tento výpočet se nazývá „korekce plochého pole“. (c) je výsledkem takové korekce a silného kontrastu a saturace. Vidíme, že bez korekce plochého pole není naděje vyvinout slabé mlhoviny všude na snímku z (a). BTW, korekce vinětace zabudovaná do většiny neatronomického softwaru pro zpracování obrazu (jako je Photoshop nebo Lightroom), není pro astrofotografii dostatečně přesná, i když je náš objektiv v databázi softwaru. Proto musíme sami provádět korekci plochého pole pomocí softwaru určeného pro astrofotografii.
Po základní kalibraci a skládání obrázků používáme software, jako je Photoshop, k dalšímu zpracování skládaných obrázků. Vyvolání slabých detailů ve skládaném astronomickém snímku obvykle vyžaduje velmi silnou křivku a úsek nasycení. K dosažení tohoto cíle je rovněž zapotřebí mnoha dovedností a zkušeností při zachování přesné barvy a přirozeného vzhledu obrazu. Je to v podstatě jako ruční zpracování obrázku RAW od nuly, aniž byste se museli spoléhat na jakýkoli surový procesor. Není neobvyklé, že trávíme více času zpracováním obrazu než jeho expoziční dobou, a post-zpracování je často tím, co odděluje špičkové astrofotografy od průměrných.
Příklady širokého pole
Tento snímek Orionu je pořízen pomocí objektivu Sigma 50 mm f / 1,4 Art a Nikon D800. Jde o kompozici více než 60 4minutových expozic při ISO 800 a f / 3,2 až f / 4,0. Více než 4 hodiny celkového času expozice jsou zde extrémní. U podobných snímků souhvězdí trávíme obvykle jen 0,5 až 1,5 hodiny. Extrémně dlouhá expozice zde však vede k lepší kvalitě obrazu a umožňuje detekovat velmi slabé mlhoviny kolem Orionu. K efektivnímu zachycení červených mlhovin v Orionu je zapotřebí upravená DSLR. U nemodifikované však stále můžeme získat nádhernou barvu hvězd v souhvězdích. Souhvězdí širokého pole jsou tedy skvělým terčem pro začátečníky, kteří nejsou připraveni poslat své kamery na operaci.
Tento snímek letní Mléčné dráhy je pořízen dalekohledem 500 mm f / 2,8 a fotoaparátem Canon 5D Mark II. Jedná se o mozaiku 110 snímků, takže zorné pole je srovnatelné s 50mm objektivem. Jsem velkým fanouškem mozaikových obrazů. Často tomu říkám velkoformátový fotoaparát chudých lidí. Takové šílené mozaikové panorama obsahuje bohaté detaily, které daleko přesahují to, co lze zachytit pomocí nejmodernějšího středoformátového digitálního hřbetu. Cena spočívá v tom, že pořízení a zpracování snímků trvá velmi dlouho.
Toto je rozšířená verze obrazu Orionu. Ukazuje Velký zimní trojúhelník a Mléčnou dráhu, která prochází trojúhelníkem. Je pořizován fotoaparátem Nikon 28-70 mm f / 2,8 D při 50 mm f / 4 a Nikon D800. Jedná se o mozaiku se čtyřmi obrazy, takže zorné pole je čtyřikrát větší než zorné pole 50 mm. Každý z rámečků mozaiky obsahuje 16 5minutových expozic při ISO 400.
Jedná se o mozaiku se dvěma snímky pořízenou objektivem Mamiya 645 45 mm f / 2,8 při f / 4,0 a fotoaparátem Canon 5D Mark II. Mozaika se dvěma obrazy umožňuje zachytit nejen souhvězdí Labutě, ale také rozsáhlou Mléčnou dráhu. Každý jednotlivý rámeček mozaiky obsahuje 16 4minutových expozic při ISO 1600. Při následném zpracování jsem aplikoval vrstvu k rozmazání světla od jasných hvězd, takže tvar souhvězdí je patrnější. Stejného efektu lze dosáhnout pomocí difuzního filtru před objektivem. Filtry běžně používané pro tento účel zahrnují Kenko Softon A a Cokin P830.
Deep-Sky Příklady
Tento širokoúhlý snímek kolem hvězdokupy Plejády (Meissier 45) je pořízen dalekohledem 500 mm f / 2,8 a fotoaparátem Nikon D800. Jedná se o mozaiku se čtyřmi snímky a každý snímek obsahuje více než 1 hodinu celkové expozice. Mraky prachu a plynu kolem Plejád jsou ve skutečnosti velmi slabé. K jejich detekci není zapotřebí jen velmi dlouhých expozic, ale také velmi tmavé a čisté nebe. Kalibraci obrazu je také třeba provést s velmi vysokou přesností, jinak pozadí oblohy plus vinětace optiky zcela vymyjí slabou mlhovinu. Na druhou stranu takové modré plynové mraky nevyžadují pro jejich záznam upravenou DSLR. Jádro mraků kolem Plejád může být velmi dobrým cílem pro lidi, kteří nemají upravenou DSLR.
Galaxie Andromeda (Meissier 31) je cíl, který nikdy nezmeškal žádný astrofotograf. Toto bere dalekohled s mým prvním nastavením a Canon 5D Mark II. Je to mozaika se dvěma snímky. Každý snímek obsahuje přibližně 40 5minutových expozic při ISO 1600. Nemodifikované digitální zrcadlovky mohou pořizovat slušné snímky cílů galaxií, jako je tento. Pokud se však podíváme na obraz pečlivě, můžeme vidět mnoho malých červených objektů podél spirálních ramen galaxie Andromeda. Jedná se o obrovské plynové mlhoviny, které obsahují ionizovaný vodík. K účinnému zachycení červeného světla z těchto mlhovin je stále zapotřebí upravená DSLR.
Mlhovina Koňská hlava sedí hned vedle Orionova pásu a je součástí dříve představeného obrazu Orionu. To lze vidět skrz středně velké dalekohledy pod temnou oblohou. Tento snímek od mého prvního nastavení trval na dalekohledu Canon 5D Mark II více než 4 hodiny. Červená barva na obrázku pochází z ionizovaného vodíku. Vyžaduje upravenou DSLR pro efektivní záznam červeného světla.
Severoamerická mlhovina je v Cygnusu a je součástí výše uvedeného snímku Cygnus. Je to poměrně velká mlhovina a pěkně se vejde do zorného pole 400 mm objektivu (FF). Tento zvětšený snímek byl pořízen dalekohledem z mého prvního nastavení a Canon 5D Mark II. Jedná se o mozaiku se 4 snímky a celková expozice každého snímku je 2,5 hodiny. Mlhovina není úplně červená. V červeném světle, které pochází z ionizovaného kyslíku, jsou také zabudovány modré komponenty. Pokud se použije nemodifikovaná DSLR, mlhovina bude vypadat fialová nebo růžová.
Meissier 22 je kulová hvězdokupa ve Střelci. Obsahuje zhruba 300 tisíc hvězd. Sedí proti letní Mléčné dráze, takže na pozadí tohoto snímku jsou také četné hvězdy. Tento snímek je pořízen dalekohledem z mého prvního nastavení a Nikon D800. Celková doba expozice je 1,5 hodiny. Pro samotný klastr je tato doba expozice zbytečně dlouhá, protože klastr je relativně jasný. Strávil jsem v tomto poli čas, abych zachytil velké množství slabých hvězd na pozadí, které patří do Mléčné dráhy. Hvězdné cíle, jako je tento, nevyžadují upravenou DSLR. Nemodifikovaný může být stejně dobrý.
Galaxie Větrník (Meissier 101) je blízká galaxie, a proto se na obloze jeví jako relativně velká ve srovnání s většinou ostatních galaxií. Stále je však velmi malý. Jeho světlejší část má velikost zhruba poloviny úplňku. Tento snímek je pořízen dalekohledem z mého prvního nastavení a Canon 5D Mark II. Je oříznuto a oříznuté zorné pole je ekvivalentní zornému poli 3000 mm objektivu. Obsahuje celkem 8,5 hodiny normální expozice plus další 3 hodiny expozice pod úzkopásmovým filtrem vodíku alfa (656,3 nm). Úzkopásmový filtr má vylepšit malé skvrny červených mlhovin podél spirálních ramen. Bohužel to není příliš efektivní způsob použití DSLR, protože pouze jedna čtvrtina pixelů aktivně přijímá fotony pod takovým tmavě červeným filtrem. Na pozadí tohoto obrázku vidíme mnoho malých žlutých teček. To je řada velmi vzdálených galaxií. Některé z galaxií jsou tak daleko, že doba potřebná k tomu, aby světlo z těchto galaxií prošlo k nám, je delší než věk našeho Slunce.
K tomuto příspěvku přispěl astronom Wei-Hao Wang, který pracuje v národním výzkumném ústavu na Tchaj-wanu a v současnosti navštěvuje dalekohled Kanada-Francie-Havaj na Velkém ostrově Havaje. Je také astrofotografem a tomuto koníčku se začal věnovat v roce 1990. Sbírku jeho nedávných astrofotografií najdete přímo zde.
