ΑΣΤΡΟΦΩΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ CCD

του Ηλία Νταγιόγλου

Μερικά γενικά


Η Atik 4000
πηγή : www.teleskop-express.de

Η αστροφωτογράφηση με CCDs (charged coupled devices) αποτελούσε μέχρι πριν μια δεκαετία προνόμιο μόνο επαγγελματιών αστρονόμων καθώς το κόστος τους ήταν υπέρογκο για έναν ερασιτέχνη. Σήμερα η κατάσταση έχει αλλάξει και το φθηνό πλέον κόστος κατασκευής τους τις έχει κάνει προσιτές στους χομπίστες φωτογράφους, ανοίγοντας έτσι τεράστιους ορίζοντες στην ερασιτεχνική φωτογραφία. Μια τυπική τέτοια φωτογραφία είναι πολύ καλύτερη από τις επαγγελματικές φωτογραφίες των προηγούμενων δεκαετιών.

Η ευρεία διάδοση των CCDs ήρθε πρόσφατα μαζί με την είσοδο στο «φωτογραφικό στρατόπεδο» των κοινών ψηφιακών μηχανών (DSLR) που επέτρεψαν σε πολλούς περισσότερους ερασιτέχνες αστρονόμους να ασχοληθούν με τη φωτογραφία.

Συχνά, κάποιος που ξεκινά αντιμετωπίζει το δίλημμα «να πάρω μια καλή DSLR ή μια CCD;». Η επιλογή βασίζεται στο πως ζυγίζει κανείς τα πλεονεκτήματα / μειονεκτήματα σύμφωνα με τα προσωπικά του κριτήρια.

Ποια πλεονεκτήματα έχει μια CCD;

  • Μπορεί να είναι μέχρι και 50 φορές πιο «ευαίσθητη» από μια τυπική DSLR.
  • Καταγράφει μεγαλύτερο μέρος του φάσματος (και το υπέρυθρο).
  • Έχει μεγαλύτερο δυναμικό εύρος (dynamic range ή αλλιώς S/N), άρα μπορεί να αποτυπώσει μεγάλες διακυμάνσεις φωτεινότητας (από μια αχνή λεπτομέρεια μέχρι έναν λαμπρό πυρήνα σε ένα γαλαξία) στην ίδια έκθεση.
  • Έχει γραμμική απόκριση ως προς το χρόνο (όχι όλες βέβαια) και έτσι μπορεί να καταγράψει αξιόπιστα φωτομετρική πληροφορία.
  • Συνήθως οι εκθέσεις που απαιτεί είναι μικρότερης διάρκειας και έτσι μπορεί να έχει κανείς γρηγορότερα αποτελέσματα και συντομότερη εκμάθηση.
  • Ορισμένα μοντέλα ενσωματώνουν δεύτερο οδηγητικό αισθητήρα εξαλείφοντας την ανάγκη για δεύτερο οδηγητικό τηλεσκόπιο/κάμερα.
  • Προσφέρει εύκολα τη δυνατότητα για απεριόριστης διάρκειας εκθέσεις (long exposure)
  • Η μεγαλύτερη εθαισθησία της την κάνει καταλληλότερη για φωτογράφηση στενού εύρους (narrowband), π.χ. για λήψεις με φίλτρα Ηα, ΟΙΙΙ όπου το σήμα είναι ασθενές.
  • Τα μονόχρωμα μοντέλα αποδίδουν μεγαλύτερη ευκρίνεια (detail, sharpness) λόγω απουσίας του bayer matrix.
  • Έχει σχεδόν πάντα σύστημα ψύξης για την μείωση (σε πολύ σημαντικό ποσοστό) του θερμικού θορύβου, ανεπιθύμητου δηλ. σήματος προερχόμενου από την θερμότητα του αισθητήρα. Επίσης ο θόρυβος ανάγνωσης (read noise) είναι μικρότερος.
  • Στα μονόχρωμα μοντέλα η σύνθεση του χρώματος γίνεται από το φωτογράφο ο οποίος έχει μεγαλύτερο έλεγχο πάνω σε αυτό.
  • Οι λήψεις αποθηκεύονται σε μορφή .FITS όπου μαζί μπορούν να αποθηκευτούν και αρκετές άλλες πληροφορίες (εστιακή απόσταση, μέγεθος pixel, θέση στον ουρανό, θερμοκρασία, ιστορικό επεξεργασίας κλπ).
  • Προσφέρει τη δυνατότητα «συννένωσης» (binning) ομάδων pixel ώστε να συμπεριφέρονται σαν ένα, π.χ. bin 2x2 σημαίνει πως 4 pixels συμπεριφέρονται σαν ένα κατά τη λήψη. Αυτό διαφέρει σημαντικά από το απλό resize μετά τη λήψη (μεγαλύτερη ευαισθησία, χαμηλότερο read noise).

Έχει όμως και μειονεκτήματα!

  • Μεγάλο κόστος (τουλάχιστον διπλάσιο από μια τυπική DSLR για ένα μικρό αισθητήρα).
  • Οι μεγάλοι αισθητήρες που συναντάμε στις DSLR είναι πολύ φθηνότεροι από τις αντίστοιχες CCD!
  • Απαιτεί το «κουβάλημα» ενός laptop για τη λειτουργία της.
  • Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί (εύκολα) για ημερήσια φωτογράφηση.
  • Ο μεγάλος αισθητήρας μιας DSLR καλύπτει μεγαλύτερο κομμάτι ουρανού από μια τυπική CCD.
  • Μια DSLR χρησιμοποιείται εύκολα από οποιονδήποτε, μια CCD απαιτεί ειδικό λογισμικό, φίλτρα, τροχό φίλτρων κα αξεσουάρ.
  • Χρειάζεται εξωτερική τροφοδοσία (φορητό power pack ή αυτοκίνητο).
  • Δεν μπορεί να δικαιολογηθεί στη σύζυγο! (αγάπη μου, γιατί είπες πως δεν μπορούμε να την παίρνουμε μαζί μας στις εκδρομές αυτή τη μηχανή ;)

Χαρακτηριστικά των CCDs

Τι να προσέξω λοιπόν αν θέλω να αγοράσω την πρώτη μου CCD;

Η πρώτη και σημανικότερη απόφαση που πρέπει να πάρει κανείς είναι αν θα είναι μονόχρωμη ή έγχρωμη. Η πρώτη θα έχει μεγαλύτερη ευαισθησία (περισσότερα φωτόνια / μονάδα χρόνου) και ευκρίνεια (λεπτομέρεια), η δεύτερη δεν θα απαιτεί πρόσθετο εξοπλισμό (φίλτρα χρώματος/τροχό) και θα δίνει φωτογραφίες «με τη μια»! (one shot). Πάντως, η ευελιξία και η υπεροχή στην απόδοση καθιστούν σχεδόν πάντα την επιλογή της μονόχρωμης μονόδρομο. Παρ’όλο που ίσως φαντάζεστε το αντίθετο, οι μονόχρωμες απαιτούν λιγότερο συνολικό χρόνο για τη λήψη μιας έγχρωμης φωτογραφίας.


QE τριών αισθητήρων Sony, πηγή www.starlight-xpress.co.uk

Η ευαισθησία, ή αλλιώς κβαντική απόδοση (QE: quantum efficiency) είναι το ποσοστό % των φωτονίων που «ανιχνεύονται» από τον αισθητήρα, όσο μεγαλύτερο τόσο καλύτερο. Τυπικές τιμές είναι 30%-65% αλλά μπορεί να φθάσει και μέχρι 90% (βλ. παρακάτω). Το QE δεν είναι σταθερό για διάφορα μήκη κύματος και συνήθως είναι ψηλότερο στο πράσινο και χαμηλότερο στο μπλε.


Blooming σε λαμπρά άστρα, πηγή: Faulkes Telescope Project

Οι CCDs διακρίνονται επίσης σε εκείνες που έχουν ABG (antiblooming gates) και σε εκείνες που δεν έχουν (non- ABG = NABG). Blooming είναι η «διαρροή» ηλεκτρονίων σε γειτονικά pixels σε πολύ φωτεινά σημεία της φωτογραφίας (π.χ. φωτεινά άστρα) με αποτέλεσμα την εμφάνιση κάθετων συνήθως ράβδων (blooming spikes). Γιατί τότε να επιλέξω κάποια NABG και να μπλέξω; Οι NABG αισθητήρες έχουν έως και 30% αυξημένη ευαισθησία (~90% σε σχέση με ~60% μιας ABG) και επιπλέον έχουν γραμμική απόκριση στο χρόνο (κάτι που οι ABG έχουν μέχρι ένα ορισμένο επίπεδο φωτεινότητας του θέματος), είναι λοιπόν κατάλληλες για φωτομετρικές εφαρμογές.

Το σύστημα ψύξης είναι άλλη μια σημαντική παράμετρος. Μας ενδιαφέρει η δυνατότητα ψύξης (cooling capacity, σε β.κ. μείον από την θερμοκρασία περιβάλλοντος) καθώς και αν είναι ελεγχόμενη η παθητική. Η ελεγχόμενη (regulated) μας δίνει τη δυνατότητα να ορίσουμε την θεμοκρασία, ακόμη και σε περιβάλλον δωματίου για την λήψη calibration frames[1]. Τυπικές τιμές είναι –40 β.κ. από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος.

Η ανάλυση (resolution, σε pixels WxH) καθώς και το μέγεθος του pixel (σε μικρόμετρα) καθορίζουν τις φυσικές διαστάσεις του αισθητήρα και επομένως το τμήμα του ουρανού που καλύπτει. Πολύ σημαντικότερη είναι η ανάλυση της εικόνας (image scale) που προκύπτει από το μέγεθος του pixel και την εστιακή απόσταση του τηλεσκοπίου και εκφράζεται σε arcsec/pixel, δίνεται δε από τον τύπο 206262*(pixel_size/focal_length). Μικρότερο image scale = μεγαλύτερη ανάλυση στη φωτογραφία, μεγαλύτερο image scale = μικρότερη εξάρτηση από το seeing και την ακρίβεια οδήγησης. Το θεώρημα του Nyquist απαιτεί το image scale να είναι ~1/2 του seeing ώστε να εκμεταλλευθεί κανείς την ανάλυση που του επιτρέπει η γήινη ατμόσφαιρα. Τυπικές τιμές για φωτογράφηση βαθέως ουρανού είναι 1 – 3.5 arcsec/pixel, στην πλανητική/ηλιακή όμως μπορεί να είναι πολύ μικρότερο. Μπορούμε να μεταβάλουμε κατά περίπτωση το image scale του εξοπλισμού μας χρησιμοποιώντας focal reducers/extenders ή/και επιλέγοντας διαφορερικό bin mode (=πλεονέκτημα των CCDs!).

Ο κατασκευαστής δίνει επίσης τυπικές τιμές του θερμικού θορύβου (thermal noise σε e-/sec/pixel) και θορύβου ανάγνωσης (read noise σε e-) οι οποίες όσο μικρότερες τόσο καλύτερες. Ακόμη, τo full well depth (σε e-) εκφράζει πόσα ηλεκτρόνια μπορεί να «μετρήσει» σε μια έκθεση ένα pixel και όσο μεγαλύτερο τόσο καλύτερο. Όταν το pixel φθάσει αυτή την μέγιστη τιμή («γεμίσει» το πηγάδι) τότε δεν μπορεί να καταγράψει επιπλέον φωτόνια και η τιμή του δεν θα είναι η πραγματική. Ο λόγος full_well_depth/read_noise μας δίνει το δυναμικό εύρος (dynamic range ή S/N) και, φυσικά, μεγαλύτερο=καλύτερο.

Τέλος, η ύπαρξη δεύτερου οδηγητικού αισθητήρα μέσα στο σώμα της κάμερας είναι κάτι που ο υποψήφιος αγοραστής μπορεί να θεωρήσει σημαντικό για τις ανάγκες του.

Μόλις παρέλαβα την CCD μου, δεν κρατιέμαι!

Για να ξεκινήσει κανείς την αποψινή φωτογράφηση με την νέα του CCD θα ακολουθήσει υπομονετικά τα βήματα της προεργασίας που απαιτεί κάθε είδους αστροφωτογραφία. Δεν είναι του παρόντος να αναλύσουμε τα βήματα αυτά, αλλά συνοπτικά θα κάνει τα ακόλουθα:

  • Προγραμματισμό των λήψεων (πλήθος, χρόνοι)
  • Στήσιμο του εξοπλισμού, σύνδεση όλων των καλωδίων
  • Όσο το δυνατό καλύτερο ζύγισμα. Μια ελαφριά κατανομή βάρους προς την ανατολική πλευρά βοηθά σε όσες βάσεις έχουν τζόγο (backlash).
  • Καλή πολική ευθυγράμμιση.
  • Εστίαση σε ένα κοντινό στο θέμα άστρο
  • Καδράρισμα του θέματος στο φωτογραφικό πεδίο
  • Έυρεση και εστίαση ενός άστρου για οδήγηση
  • Καλιμπράρισμα και έναρξη οδήγησης

Η φωτογράφηση στην πράξη

Τυπικά, μια «φωτογραφική συνεδρία» με μια μονόχρωμη CCD περιλαμβάνει μια σειρά από λήψεις για κάθε φίλτρο, τυπικά διαφορετικών χρόνων, ανάλογα με το θέμα που φωτογραφίζουμε και την ποιότητα του ουρανού.

Η φωτογράφηση ευρείας ζώνης (broadband) είναι η πιο κοινή και συνήθως γίνεται με την τεχνική LRGB. Χρειαζόμαστε 4 φίλτρα, ένα για κάθε χρώμα και ένα «φωτεινότητας» (luminance, καλύπτει όλο το φάσμα που συνθέτουν μαζί τα φίλτρα R,G,B). Τα φίλτρα αυτά συνήθως αποκόπτουν το υπέρυθρο/υπεριώδες, κάποια όμως παλαιότερα δεν το κάνουν οπότε πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με ένα φίλτρο UV/IR cut. Κάνουμε όσο το δυνατόν περισσότερες λήψεις με το φίλτρο L ώστε να έχουμε μια όσο το δυνατό καλύτερη μονόχρωμη αποτύπωση του θέματος. Συνίσταται να χρησιμοποιούμε πλήρη ανάλυση (bin 1x1), εκτός και αν η επιλογή ενός άλλου bin mode μας εξυπηρετεί για κάποιο λόγο. Στη συνέχεια κάνουμε έναν αριθμό λήψεων για κάθε ένα από τα R,G,B. Εδώ προαιρετικά για λόγους χρόνου χρησιμοποιούμε bin 2x2 (χαμηλότερη ανάλυση = γρηγορότερες λήψεις) μιας και το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται περισσότερο την λεπτομέρεια (luminance) και λιγότερο το χρώμα (RGB). Οι χρόνοι για κάθε φίλτρο είναι γενικά διαφορετικοί, ανάλογα με την απόκριση της κάμερας σε κάθε χρώμα και την διαπερατότητα των φίλτρων, πάντως μπορεί να είναι και ίσοι και να γίνει το «ζύγισμα» τους[2] κατά το στάδιο της επεξεργασίας. Η τελική φωτογραφία προκύπτει από την σύνθεση των λήψεων L,R,G,B.

Η φωτογράφηση στενής ζώνης (narrowband) γίνεται με αντίστοιχα φίλτρα που μπλοκάρουν όλο το φάσμα εκτός από κάποια γραμμή, εξ’ού και το όνομα τους (π.χ. Ηα, O-III, S-II). Εδώ οι χρόνοι είναι πολύ μεγαλύτεροι από της προηγούμενης μεθόδου λόγω του ασθενούς σήματος της εκάστοτε φασματικής γραμμής. Η κάθε λήψη σε Ηα π.χ. μπορεί να φθάσει, ανάλογα με τον εξοπλισμό, ακόμη και τη 1 ώρα! Οι λήψεις με narrowband φίλτρα δίνουν μονοχρωματικές εικόνες οι οποίες είτε είναι το τελικό αποτέλεσμα (π.χ. Ηα) είτε χρησιμοποιούνται σαν «ψευδοχρώματα» (false colors) για την σύνθεση μιας έγχρωμης εικόνας (π.χ. Ηα=Blue, O-III=Red, S-II=Green).

Τα φίλτρα τοποθετούνται συνήθως σε έναν τροχό οποίος μας επιτρέπει να τα εναλλάσουμε χωρίς βίδωμα-ξεβίδωμα. Ο τροχός μπορεί να είναι χειροκίνητος ή ηλεκτρικός οπότε μπορεί να ελέγχεται από το laptop και το λογισμικό λήψης.

Προσοχή: εστιάζουμε σε κάθε φίλτρο και προαιρετικά και ενδιάμεσα στις λήψεις! Ακόμη και αν τα φίλτρα μας διαφημίζονται ως ομοεστιακά, η εναλλαγή μπορεί να «τοποθετεί» κάθε φίλτρο σε διαφορετική απόσταση από τον αισθητήρα. Αν αυτό δεν είναι εύκολο, τότε η εστίαση συνίσταται να γίνει στο φίλτρο L.


Προγραμματισμός λήψεων στο MaximDL

Οι λήψεις μπορούν να προγραμματισθούν στο λογισμικό λήψης ώστε να γίνουν αυτόματα. Μπορούμε π.χ. να ζητήσουμε από το λογισμικό λήψης να πάρει 20 λήψεις των 6 λεπτών με ενδιάμεσο 8 δευτερόλεπτα και αυτόματη επανεστίαση κάθε 7 λήψεις (με χρήση ενός ηλεκτρικού εστιαστή). Αν ο τροχός είναι αυτόματος, τότε μπορούμε να προγραμματίσουμε και τις εναλλαγές των φίλτρων, να ορίσουμε σειρές λήψεων για κάθε φίλτρο χωριστά και να απολαύσουμε στο μεταξύ ένα ζεστό καφέ από το θερμός!

 

Ο χρόνος της κάθε λήψης είναι κάτι που συχνά προβληματίζει τον αστροφωτογράφο. Γενικά επιδιώκουμε να έχουμε το μεγαλύτερο δυνατό συνολικό χρόνο, ο χρόνος όμως της κάθε λήψης μπορεί επηρεάσει το αποτέλεσμα. Στις λήψεις με DSLR ένα κανόνας του χεριού είναι η καμπύλη του ιστογράμματος φωτεινότητας να έχει την κορυφή περίπου στο 30% του οριζόντιου άξονα. Στη CCD κοιτάμε αντίστοιχα η μέση φωτεινότητα του υποβάθρου να είναι γύρω από τα 1500 adus. Η τιμή αυτή είναι μια γενική προσσέγιση για κάποιον που δεν θέλει να μπλέξει με θεωρία, τεχνικά και μαθηματικά. Οι πιο περίεργοι μπορούν να υπολογίσουν μια βέλτιστη τιμή χρησιμοποιώντας μετρήσεις για το system gain και το read noise και να βρουν πότε πρέπει να σταματούν την έκθεση ώστε να μεγιστοποιήσουν τον τελικό λόγο σήμα/θόρυβος (βλ. CCDWare exposure calculator). Και, φυσικά, δεν υπάρχει τίποτα πιο συναρπαστικό από τον πειραματισμό και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων!

Επίλογος

Η αστροφωτογραφία είναι για τον καθένα μας κάτι διαφορετικό, περισσότερο από ηλεκτρονικά κυκλώματα, οπτικά και αισθητήρες, είναι μια γέφυρα στο βαθύ σύμπαν, είναι ένα κοσμικό ταξίδι σε ασύλληπτες αποστάσεις, είναι η ικανοποίηση της λαχτάρας για την ομορφιά του ουρανού. Και μην ξεχνάτε: μην απογοητεύεσθε όταν το αποτέλεσμα στην αρχή δεν είναι αυτό που περιμένετε, του αστροφωτογράφου και του κυνηγού το πιάτο επτά φορές είναι αδειανό και μια φορά γεμάτο.

Καλές φωτογραφήσεις!

Χρήσιμοι σύνδεσμοι