ΦΙΛΤΡΑ ΓΙΑ ΑΣΤΡΟΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑ

του Ηλία Γαλάνη

Εισαγωγή

Κάθε πλευρά του χόμπυ της ερασιτεχνικής αστρονομίας αποσκοπεί στη συλλογή και καταγραφή φωτός. Είτε παρατηρούμε είτε φωτογραφίζουμε, αυτό που ουσιαστικά κάνουμε είναι να συλλέγουμε «εξωγήινα» φωτόνια. Όμως αυτό το πολύτιμο φως συχνά «πνίγεται» από την αυξανόμενη φωτορύπανση. Γι αυτό το λόγο προκειμένου να βελτιστοποιήσουμε της συνθήκες παρατήρησης-φωτογράφησης είμαστε αναγκασμένοι να πάρουμε τα βουνά όπου αυτό το φαινόμενο μετριάζεται ή εξαλείφεται σε μεγάλο βαθμό. Από αυτή την άποψη η ιδέα της χρήσης φίλτρων σε όλη αυτή την προσπάθεια φαίνεται να είναι τουλάχιστον …εξωφρενική, μιας και η βασική λειτουργία ενός οπτικού ή φωτογραφικού φίλτρου μπορεί περίπου να περιγραφεί με δύο λέξεις: κόβει φως. Όμως, πριν συνεχίσουμε την κουβέντα μας, καλό θα ήταν μια και στη συνέχεια μιλώντας για τα φίλτρα αναπόφευκτα θα αναφερθούμε σε έννοιες όπως «φάσμα», «κύμα», «μήκος κύματος» και «συχνότητα», να κάνουμε εκ των προτέρων μια μικρή αναφορά σε αυτές τις έννοιες προκειμένου να εξασφαλίσουμε ένα κοινό επίπεδο επικοινωνίας.

Κάποιες βασικές έννοιες

Αυτό που εμείς αντιλαμβανόμαστε ως φως είναι ουσιαστικά ένα είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η μικρότερη δυνατή «ποσότητα» φωτός που μπορούμε να λάβουμε ορίζεται ως φωτόνιο. Απλουστευτικά πρόκειται για ένα απειροελάχιστο σωματίδιο το οποίο θα μπορούσε να θεωρηθεί ως «βασική μονάδα» του φωτός. Σε πρώτη φάση λοιπόν το φως μπορεί να περιγραφεί με όρους που αναφέρονται στη σωματιδιακή του φύση. Ταυτόχρονα όμως το φως εμφανίζει ιδιότητες κύματος. Καθώς εκπέμπεται από μία πηγή διαχέεται και διαδίδεται στο χώρο εμφανίζοντας μία κυματική συμπεριφορά, όπως ακριβώς συμβαίνει όταν πετάξει κανείς μια πέτρα στο μέσο μιας ήρεμης λίμνης. Όλοι λίγο-πολύ θυμόμαστε από τα σχολικά μας χρόνια το νευτώνειο πείραμα διάθλασης του φωτός μέσα από ένα πρίσμα και την ανάλυσή του σε ένα πολύχρωμο φάσμα. Κάθε χρώμα αυτού του φάσματος είναι ο τρόπος που συλλαμβάνουμε μέσω της όρασης τα διαφορετικά μήκη κύματος που απαρτίζουν αυτό που αντιλαμβανόμαστε υπό φυσικές συνθήκες ως λευκό φως. Τι είναι όμως αυτό το «μήκος κύματος»; Αν θέλαμε να δώσουμε έναν ορισμό, τότε θα λέγαμε ότι η απόσταση από κορυφή σε κορυφή κυμάτων ίδιας συχνότητας ονομάζεται μήκος κύματος, το οποίο καθορίζεται από τη συχνότητα. Μεγάλα μήκη κύματος ορίζονται από μικρές συχνότητες ενώ αντίστροφα μικρά μήκη κύματος ορίζονται από μεγάλες συχνότητες.


(πηγή: http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/media/Communications/wavelength.gif)

Γιατί χρησιμοποιούμε φίλτρα

Παρεμβάλλοντας ένα φίλτρο μεταξύ μιας φωτεινής πηγής και ενός δέκτη – είτε αυτό είναι το ανθρώπινο μάτι είτε μια φωτογραφική κάμερα – πρακτικά σημαίνει ότι από όλο το φάσμα φωτός που η πηγή μας εκπέμπει στον τελικό δέκτη φτάνει μονάχα κάποιο υποσύνολο συχνοτήτων. Ειδικές επιστρώσεις επιτρέπουν σε αυτά τα φίλτρα να απορρίπτουν κάποια συγκεκριμένα μήκη κύματος, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπουν σε κάποια άλλα να περάσουν. Με απλά λόγια: με την παρεμβολή ενός φίλτρου αυτό που τελικά λαμβάνουμε είναι πάντα κάτι λιγότερο από αυτό που η πηγή μας εξέπεμψε. Το τι λαμβάνουμε και σε τι ποσοστό εξαρτάται από το σχεδιασμό του φίλτρου που παρεμβάλαμε. Τώρα, και για να επιστρέψουμε στο αρχικό μας ερώτημα, γιατί από τη στιγμή που ενδιαφέρει να συλλέξουμε όσο περισσότερα φωτόνια χρησιμοποιούμε φίλτρα; Ο λόγος έχει να κάνει με το γεγονός ότι δεν προσπαθούμε να συλλέξουμε κάθε φωτόνιο που υπάρχει γύρω μας, αλλά μονάχα αυτά τα τόσο αμυδρά «εξωγήινα» φωτόνια που ταξίδεψαν χιλιάδες ή εκατομμύρια έτη φωτός. Ακόμα περισσότερο, σε έναν ιδανικό κόσμο και με ιδανικές συνθήκες θα θέλαμε να απομονώσουμε μονάχα τα φωτόνια που εκπέμπονται από το στόχο τον οποίο παρακολουθεί το τηλεσκόπιό μας. Στην πραγματικότητα αυτό δεν είναι εφικτό. Στο παρακάτω σχήμα γίνεται σαφές το τι παρεμβάλλεται μέχρι να λάβουμε την τελική εικόνα στο προσοφθάλμιο ή στην οθόνη μας:


(πηγή: Suiter H.R., Star Testing Astronomical Telescopes, Willmann-Bell, Richmond, Virginia, 2001, p. 36)

Πέραν του τι φίλτρου επιλέγουμε να χρησιμοποιήσουμε, το φως που συλλαμβάνουμε έχει ήδη φιλτραριστεί πολλές φορές και με τρόπους που θα προτιμούσαμε να αποφύγουμε από τα διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας πριν χτυπήσει την επιφάνεια του CCD. Για την ακρίβεια, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, από πολλές απόψεις είναι θαύμα μόνο και μόνο το γεγονός ότι λαμβάνουμε καθαρή εικόνα στο προσοφθάλμιο ή στον αισθητήρα μας! Χρησιμοποιούμε επιμέρους τεχνητά φίλτρα στο τελευταίο στάδιο της οπτικής αλυσίδας προκειμένου να «καθαρίσουμε» και να απομονώσουμε όσο μπορούμε το είδος και τα μήκη κύματος των φωτός που μας ενδιαφέρει. Άλλες φορές πάλι χρησιμοποιούμε κάποιο ιδιαίτερο φίλτρο ή κάποιο συνδυασμό φίλτρων προκειμένου να απομονώσουμε κάποιες πολύ ιδιαίτερες συχνότητες του φωτός που εκπέμπει ένα αντικείμενο προκειμένου να αναδείξουμε κάποιες λεπτομέρειες σε αυτό. Σε κάθε περίπτωση δεν μας ενδιαφέρει μονάχα να συλλάβουμε την εικόνα ενός μακρινού και αμυδρού γαλαξία ή νεφελώματος αλλά ταυτόχρονα να επιτύχουμε το καλύτερο δυνατό κοντράστ, τη μέγιστη ανάλυση και λεπτομέρεια που επιτρέπει ο εξοπλισμός μας. Στη συνέχεια αυτού του κειμένου θα κάνουμε λόγο για τα φίλτρα που χρησιμοποιούμε στην αστροφωτογράφηση. Θα μιλήσουμε για τα «απλά» φίλτρα φωτορύπανσης, τα «χρωματιστά» φίλτρα LRGB και τα «στενά» φίλτρα φάσματος. Σκοπός μας δεν είναι να κάνουμε μια λεπτομερή ανάλυση της λειτουργίας τους, ούτε καν μια αναλυτική παρουσίαση, μονάχα μια εισαγωγή και απλή αναφορά προκειμένου κάποιος που δεν έχει σχέση με την αστροφωτογραφία να αποκτήσει μια οικειότητα με αυτή την πτυχή του χόμπυ.

Φίλτρα ευρέος φάσματος – φίλτρα φωτορύπανσης

Πρόκειται για φίλτρα που χρησιμοποιούνται για να απομονώσουμε στο βαθμό του δυνατού τα αποτελέσματα της φωτορύπανσης και ταυτόχρονα επιτρέπουν να αυξήσουμε το χρόνο και την ποιότητα των λήψεών μας. Τα φίλτρα αυτού του τύπου απορρίπτουν επιλεκτικά μήκη κύματος φωτός που προέρχονται επί το πλείστον από τεχνητό φωτισμό, και συγκεκριμένα τη γραμμή του υδραργύρου και του σοδίου, ενώ κόβουν και μεγάλο μέρος της ατμοσφαιρικής φωταύγειας. Από την άλλη όπως φαίνεται και στο παρακάτω διάγραμμα επιτρέπουν να περάσουν οι γραμμές του ΟΙΙΙ, Ηα και Ηβ. Πρακτικά αν και τα συγκεκριμένα φίλτρα απορρίπτουν σχεδόν ολόκληρο το φάσμα που εκπέμπουν οι κλασικές λάμπες πυρακτώσεως, δυστυχώς δεν κάνουν πολλά πράγματα με άλλα είδη τεχνητού φωτισμού που εκπέμπουν σε ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων.


(πηγή: http://www.sas.org.au/meade_4000_broadband_graph_112.gif)

Αν και αυτά τα φίλτρα αρχικά δεν κατασκευάστηκαν αποκλειστικά για την αστροφωτογραφία αλλά περισσότερο ως βοηθήματα για την παρατηρησιακή αστρονομία, εντούτοις σε αυτό τον τομέα κάνουν εξαιρετική δουλειά επιτρέποντας μεγαλύτερες εκθέσεις πριν φτάσουμε στα όρια (sky limit) όπου το ωφέλιμο σήμα (χονδρικά το φως που προέρχεται από το θέμα μας, αυτό τον μακρινό γαλαξία ή νεφέλωμα που φωτογραφίζουμε) αρχίζει να χάνεται και να είναι δύσκολο να διαχωριστεί από το θόρυβο του υπόβαθρου (αν και αυτό δεν είναι απόλυτα σωστό: οτιδήποτε άλλο εκτός από το σήμα που προέρχεται από το αντικείμενο που μας ενδιαφέρει, είτε αυτό είναι θόρυβος από τα ηλεκτρονικά της κάμερας είτε από το φως που επιμένει να ανάβει ο γείτονας μέσα στα μάτια μας). Χρησιμοποιώντας πολλές σχετικά μικρές εκθέσεις στο μέγιστο χρόνο λήψης διαχειρίσιμου σήματος προς θόρυβο μπορούμε να πάρουμε εντυπωσιακά αποτελέσματα. Ένα αρνητικό σημείο στη χρήση αυτών των φίλτρων, ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιούμε DSLR ή έγχρωμη CCD, είναι ότι τα χρώματα του αποτελέσματος που λαμβάνουμε δεν είναι «φυσικά» και απαιτείται διόρθωση της χρωματικής ισορροπίας σε κάποιο πρόγραμμα επεξεργασίας εικόνας. Ιδιαίτερη μνεία αξίζει στο σχεδιασμένο από την αρχή για την αστροφωτογραφία φίλτρο IDAS της Hutech το οποίο είναι σχεδιασμένο από την αρχή για αστροφωτογραφία και επηρεάζει στον ελάχιστο δυνατό βαθμό την χρωματική ισορροπία της τελικής εικόνας. Μια ανάλογη λύση κυκλοφορεί από την Orion USA. Κλασικά broadband φίλτρα είναι το Deep Sky της Lumicon, το Baader UHC-S και το Skyglow της Orion USA.

Καταγραφή της χρωματικής πληροφορίας στο CCD/CMOS – Φίλτρα LRGB


Πώς όμως καταγράφεται η πληροφορία του χρώματος στο CMOS της DSLR ή στο CCD της αστρονομικής μας κάμερας; Όλοι λίγο-πολύ γνωρίζουμε ότι το CCD είναι πρακτικά «τυφλό» στο χρώμα. Υπάρχουν βασικά τρεις τεχνικές με τις οποίες μπορούμε να συλλάβουμε έγχρωμες φωτογραφίες: Η πρώτη περιλαμβάνει τη χρήση ενός πρίσματος το οποίο κατανέμει το φως που συλλαμβάνει ο φακός σε τρεις ξεχωριστούς αισθητήρες. Ουσιαστικά αυτός ο τρόπος είναι ιδιαίτερα ακριβός στην υλοποίηση και γι αυτό το λόγο δεν χρησιμοποιείται. Η δεύτερη τεχνική ευρέως χρησιμοποιούμενη στις DSLR και στις έγχρωμες CCD αφορά στη χρήση ενός πλέγματος έγχρωμων μικρο-φίλτρων μεταξύ του φακού και του CCD αισθητήρα. Κάθε pixel συλλαμβάνει ένα μονάχα χρώμα και ουσιαστικά η τελική φωτογραφια σχηματίζεται από το συνδυασμό τριών χρωμάτων: red, green και blue. Με λίγα λόγια, κάθε pixel της τελικής φωτογραφίας έχει σχηματιστεί από τη συνδυασμένη πληροφορία τριών dot του αισθητήρα. Το μειονέκτημα αυτού του τρόπου είναι ότι πρακτικά η ανάλυση του CCD που διαθέτουμε μειώνεται στο ένα τρίτο. Και καταλήγουμε στην τρίτη τεχνική καταγραφής της χρωματικής πληροφορίας: σε αυτή την περίπτωση αντί του RGB matrix χρησιμοποιούνται τρία διαφορετικά φίλτρα για κάθε χρώμα και ξεχωριστές λήψεις. Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι με αυτό τον τρόπο αξιοποιούμε πλήρως την ανάλυση του CCD που διαθέτουμε, ενώ μπορούμε να πάρουμε και μια τέταρτη λήψη, αυτό που ονομάζουμε Luminance, που περιλαμβάνει ολόκληρο το φάσμα φωτός που μπορεί να καταγράψει ένας αισθητήρας CCD και όχι μονάχα τις περιοχές που αντιστοιχούν στο κόκκινο, πράσινο και μπλε. Αν η λήψη με φίλτρα RBG απομονώνει τα συγκεκριμένα μήκη κύματος και μας δίνει τη χρωματική πληροφορία σε μια εικόνα, το Luminance είναι αυτό που καταγράφει τις λεπτομέρειες, το σχήμα και τη δομή του αντικειμένου που φωτογραφίζουμε. Αυτό συμβαίνει γιατί τα περισσότερα αντικείμενα εκπέμπουν σε ολόκληρο το φάσμα. Σε αυτές τις περιπτώσεις είναι απαραίτητο να υπάρχει μία έκθεση – για την ακρίβεια αυτή θα είναι η βασική μας έκθεση - που να καταγράφει ολόκληρο το φάσμα και όχι μονάχα τις περιοχές των τριών χρωμάτων. Με αυτό τον τρόπο η τελική σύνθεση περιλαμβάνει σαφέστατα περισσότερη και λεπτομερέστερη πληροφορία σε σχέση με τη δεύτερη τεχνική καταγραφής χρώματος που αναφέρθηκε παραπάνω. Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι προκειμένου να καταγραφεί ικανή πληροφορία για να μπορέσουμε να συνθέσουμε στον υπολογιστή μια έγχρωμη εικόνα, απαιτούνται τουλάχιστον τρεις ξεχωριστές εκθέσεις με κάθε έγχρωμο φίλτρο για να πάρουμε τη χρωματική πληροφορία (RGB) και μία τέταρτη έκθεση (luminance) για την καταγραφή του ίδιου του θέματος. Με λίγα λόγια τετραπλασιάζεται ο χρόνος λήψης.

Φίλτρα στενού φάσματος – Παλέττα Hubble


Σε άλλες πάλι περιπτώσεις, όπως σε αυτές των πλανητικών ή νεφελωμάτων εκπομπής έχει νόημα αντί της «συμβατικής» LRGB φωτογράφησης να χρησιμοποιήσουμε μια ακολουθία λήψεων σε στενότερες συχνότητες. Τέτοια «στενά» narrowband φίλτρα μας επιτρέπουν να απομονώνουμε πολύ συγκεκριμένες και στενές περιοχές του φάσματος. Αν και τα νεφελώματα εκπομπής εκπέμπουν το μεγαλύτερο ποσοστό τους στη γραμμή του υδρογόνου, ένα σημαντικό και ικανό προς καταγραφή μέρος του εκπεμπόμενου φωτός εντάσσεται στην περιοχή του θείου και του οξυγόνου. Χρησιμοποιώντας φίλτρα υδρογόνου (656 nm), οξυγόνου (500.7 nm) και θείου (672.4 nm) ως Red, Green και Blue αντίστοιχα είμαστε σε θέση να καταγράψουμε τις κυρίαρχες ομάδες ιονισμένων αερίων που σχηματίζουν το νεφέλωμα και μπορούμε να συνθέσουμε φωτογραφίες που απομονώνουν και αποδίδουν, αν όχι καλύτερα, τουλάχιστον με διαφορετικό τρόπο και σίγουρα με περισσότερο λεπτομέρεια τη δομή του τελευταίου. Η αντιστοιχία του RGB με τη γραμμή Hα, ΟΙΙΙ και SII, όπως προκύπτει από το παρακάτω σχήμα είναι μάλλον αυθαίρετη αλλά εξυπηρετεί τους σκοπούς μας προκειμένου να συνθέσουμε μια έγχρωμη εικόνα και να αναδείξουμε λεπτομέρειες και την κατανομή των στοιχείων στο φωτογραφιζόμενο αντικείμενο. Πρόκειται για τη λεγόμενη παλέτα Hubble, καθώς αυτή η σύνθεση χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά σε λήψεις που έγιναν με το συγκεκριμένο τηλεσκόπιο.


(πηγή:http://starizona.com/acb/ccd/advimages/Narrowband%20Diagram.jpg)

Ένα άλλο σημείο που αξίζει να αναφερθεί και οφείλει να γνωρίζει κανείς που σκοπεύει να ασχοληθεί με τη λήψη και σύνθεση εικόνων με narrowband φίλτρα, είναι ότι οι χρόνοι λήψης αλλάζουν κατά πολύ. Για ένα απλό καδράρισμα του θέματος μέσα στο FOV του CCD απαιτείται πολλές φορές και δεκάλεπτη λήψη. Η συμπεριφορά επίσης της κάμερας ως προς το θόρυβο αλλάζει (συνήθως προς το χειρότερο). Η χρήση «στενών» φίλτρων αφορά συνήθως σε πλανητικά και νεφελώματα εκπομπής, καθώς στόχοι όπως γαλαξίες, ανοιχτά και σφαιρωτά σμήνη εκπέμπουν σε όλο το φάσμα. Βέβαια και σε αυτά τα αντικείμενα υπάρχουν περιπτώσεις που μία πρόσθετη έκθεση με φίλτρο υδρογόνου βοηθά ώστε στην τελική σύνθεση να αναδειχθούν και να τονιστούν καλύτερα κάποιες ιδιαίτερες περιοχές του στόχου, όπως για παράδειγμα ο εκρηκτικός πυρήνας του γαλαξία Μ82 ή τα νεφελώματα του Μ33 ή του Μ101.

Υπάρχουν αρκετά σετ φίλτρων LRGB και narrowband στην αγορά σε μια μεγάλη γκάμα τιμών. Τα πιο γνωστά και ευρέως χρησιμοποιούμενα είναι αυτά της Baader, της Astronomik και της Astrodon. Κυκλοφορούν σε φορμά 1.25/2 ιντσών και χωρίς πλαίσιο στα 50 χιλιοστά (unmounted). Το μέγεθος φίλτρου που θα επιλέξει κανείς εξαρτάται από το μέγεθος αισθητήρα που διαθέτει και το εμβαδό του κώνου φωτός που παράγει το τηλεσκόπιο που θα χρησιμοποιηθεί. Το φορμά του φίλτρου που θα χρησιμοποιηθεί είναι μια σημαντική παράμετρος που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη προκειμένου να αποφευχθεί το φαινόμενο του βινιεταρίσματος (δηλαδή η σκίαση ή ακόμα και επικάλυψη μέρους του εμβαδού του αισθητήρα της κάμερας από τα φίλτρα). Συνήθως τα φίλτρα 1.25” είναι επαρκή για μικρούς αισθητήρες μεγέθους μέχρι 2/3” ανεξάρτητα με τι τηλεσκόπιο θα χρησιμοποιήσουμε. Σε κάθε περίπτωση η επιλογή φίλτρων δύο ιντσών είναι ασφαλής επένδυση καθώς οι CCD κάμερες είναι τεχνολογία που εξελίσσεται με γοργούς ρυθμούς. Μια αναβάθμιση αισθητήρα που σήμερα μπορεί να φαίνεται οικονομικά ασύμφορη, σε ένα ή δύο χρόνια μπορεί να είναι προσιτή.

Τροχοί φίλτρων

Αξίζει τον κόπο να κλείσουμε με μια αναφορά για τροχούς φίλτρων, τον τρόπο δηλαδή με τον οποίο τα φίλτρα παρεμβάλλονται μπροστά από τον αισθητήρα της κάμερας. Δεν είναι τίποτα άλλο από ένα «καρουζέλ» με υποδοχές γι αυτά τα φίλτρα και αντίστοιχα σπειρώματα, το οποίο συγκρατείται σε ένα πλαίσιο και βιδώνει με κάποιο τρόπο – συνήθως με σπειρώματα τύπου Τ – μπροστά από τον αισθητήρα. Η επιλογή του κατάλληλου φίλτρου γίνεται είτε με το χέρι είτε με ηλεκτρονικό τρόπο. Στη δεύτερη περίπτωση υπάρχει η δυνατότητα προγραμματισμού λήψεων και εναλλαγής φίλτρων με αυτόματο τρόπο από τον υπολογιστή που οδηγεί κάμερα και τροχό. Αν και συνήθως τα LRGB φίλτρα είναι ομοεστιακά συχνά απαιτούνται μικροδιορθώσεις στην εστίαση κατά τη διαδικασία αλλαγής φίλτρου και το πέρασμα από μία ακολουθία λήψεων σε μία άλλη.


Επίλογος

Από πολλές απόψεις η εισαγωγή φίλτρων στην ερασιτεχνική αστρονομία ήταν ένα θαύμα. Πλαισίωσε και συμπλήρωσε την επανάσταση του CCD στον αστροφωτογράφηση. Το θέμα «φίλτρα» είναι τεράστιο και βέβαια δεν εξαντλείται εδώ. Αν αυτό το κείμενο χρησιμεύσει ως εισαγωγή και έναυσμα για κάποιον αρχάριο που μόλις ξεκινά την ενασχόλησή του με αυτή την πτυχή του χόμπυ της ερασιτεχνικής αστρονομίας, τότε επλήρωσε το σκοπό του και με το παραπάνω. Για τυχόν λάθη και ελλείψεις που σίγουρα υπάρχουν ή απλά για οποιοδήποτε σχόλιο ή επισημάνσεις παρακαλώ επικοινωνήστε μαζί μου με email ή πμ.