31 sierpnia 2018, 13:00
Autor: Odys J. Korczyński
czytano: 4469 razy
czytano: 4469 razy
Jak robić zachwycające zdjęcia nocnego nieba - poradnik fotografii astronomicznej, część II
Obecnie zajmujący się fotografią astronomiczną mają już świadomość, że dzięki rozwojowi nauki mogą zapisywać obraz tego, co fotony światła przenosiły (czasem wiele milionów lat świetlnych) w kierunku soczewek narzędzi obserwacyjnych. Fotograf-amator wniósł i wnosi niesamowity wkład w rozwój tej dziedziny fotografii. Niebo wydaje się bliższe człowiekowi wraz z rozwojem optyki i możliwości cyfrowego zapisu obrazu. Jak więc wygląda używana w astrofotografii optyka i co trzeba o niej wiedzieć, zanim przystąpi się do jej używania?
Teleskop refrakcyjny (refraktor)
Fotografia astronomiczna - wykorzystywana optyka
Z pewnością nawet dla osób, które nigdy nie zajmowały się fotografią, jest oczywiste, że używana do obserwacji i fotografowania optyka instrumentów astronomicznych nie jest tą samą optyką, którą w zwykłej fotografii - nawet tej z wielkich odległości - obiektywy 600-1200 mm. Zasada działania refraktorów (teleskopów soczewkowych) i reflektorów (teleskopów zwierciadlanych) jest jednak w pewnym sensie podobna do sposobu działania obiektywu aparatu fotograficznego.
Podobnie jak w fotografii wyróżnia się podstawowe parametry obiektywów (np. jasność, ogniskową itp.), tak w optyce stosowanej w fotografii astronomicznej również istnieją podstawowe pojęcia, opisujące cechy optyczne teleskopów, wykorzystywanych jako obiektywy.
Fotografia astronomiczna_Wysokiej klasy teleskop refrakcyjny_Messier R-152S 152760 na montażu Meade LXD-75 Autostar II
Średnica zwierciadła lub obiektywu (apertura) – zależy od niej rozdzielczość sprzętu oraz zasięg obserwacyjny.
Ogniskowa – odległość między ogniskiem układu optycznego a centralnym punktem układu optycznego.
Światłosiła – wartość ta opisuje stosunek średnicy obiektywu i ogniskowej.
Powiększenie – nie jest w ścisłym sensie parametrem teleskopu, ponieważ jego wartość zależy od rodzaju użytego okularu. Okulary teleskopowe są wymienne w znakomitej większości modeli. Powiększenie oblicza się, dzieląc ogniskową obiektywu przez ogniskową używanego okularu.
Teleskop bądź luneta obserwacyjna mogą być zbudowane na zasadzie refrakcji światła (refraktory), co oznacza załamywanie się promieni świetlnych podczas przechodzenia ich przez inny ośrodek (droga powietrze-szkło). W refraktorze rolę załamującego światło obiektywu pełni soczewka, która skupia promienie światła w płaszczyźnie ogniskowej, tworząc tym samym obraz, który widziany jest przez obserwatora za pomocą soczewki okularu. Sprawia ona wrażenie, że widziany obraz jest powiększony. Utworzony przez soczewkę obiektywu obraz rzeczywisty obiektu, znajdującego się w nieskończoności, można sfotografować, umieszczając matrycę bądź materiał światłoczuły w płaszczyźnie ogniskowej. Długość ogniskowej można również zmienić w pewnym, ograniczonym zakresie, trzeba jedynie usytuować grupę soczewek rozpraszających nieco przed ogniskiem lunety. Układ ten nazywa się soczewką Barlowa i w istocie niewiele różni się od stosowanych konwerterów do zwykłych obiektywów fotograficznych.
Pierwsza luneta soczewkowa została skonstruowana w 1609 r. przez Galileusza. Składała się z soczewki skupiającej, zwanej obiektywem, i soczewki rozpraszającej – okularu. Później ta bardzo prosta konstrukcja została zastąpiona refraktorami budowanymi na zasadzie Keplerowskiej. Zarówno obiektyw refraktora, jak i okular złożono z grup soczewek, co dało zarówno dużo większą ogniskową, jak i (niestety) odwrócony. Dodatkowo więc trzeba było zastosować pryzmat zenitalny, by ułatwić obserwację.
Fotografia astronomiczna_Teleskop_Galileusza
Dzięki zastosowaniu np. różnych gatunków szkła, połączenie soczewek w grupy pozwoliło dużo skuteczniej wyeliminować błędy optyczne, występujące na pojedynczych soczewkach.
Dużym ograniczeniem dla refraktorów jest rozmiar i właściwości fizyczne soczewek. Rozmiar soczewki jest ograniczony ciężarem gatunku szkła, z którego jest ona wykonana. Soczewki wielkich rozmiarów z łatwością ulęgają odkształceniom, co całkowicie deformuje obraz i uniemożliwia zbudowanie refraktorów wielkości teleskopów zwierciadlanych. Największy obecnie refraktor znajduje się w obserwatorium Yerkes w Williams Bay w stanie Wisconsin w USA. Ma średnicę obiektywu 102 cm i ogniskową 1940 cm.
Fotografia astronomiczna_Refraktor w obserwatorium Yerkes w Williams Bay
Teleskopy zbudowane na zasadzie refrakcji znakomicie nadają się do obserwacji oraz fotografowania planet i powierzchni Księżyca. Żeby jednak móc obserwować obiekty położone dalej (mgławice, gromady kuliste, galaktyki), trzeba użyć bardzo silnego i dużego refraktora. Podobnie jak w optyce fotograficznej, im dłuższa ogniskowa, tym mniejsza jasność, a więc tak silne refraktory o długiej ogniskowej zbierają niewiele światła, co w fotografii ma kolosalne znaczenie. Przez silny refraktor znacznie trudniej uprawiać wysoką jakościowo fotografię astronomiczną, głównie ze względu na małą jasność takiego instrumentu. Ma to duże znaczenie w przypadku fotografii obiektów mgławicowych, wymagających dobrych warunków ekspozycji.
W przeciwieństwie do teleskopów opartych o lustro, w użyciu refraktorów pojawia się jeszcze inny problem – aberracja chromatyczna. Używane do budowy obiektywów teleskopów refrakcyjnych, soczewki nie tylko skupiają światło, ale też zachowują się podobnie do pryzmatów, czyli rozkładają białe światło na barwy składowe. Aby uniknąć np. fioletowych obwódek przy ogniskowaniu w promieniach żółtozielonych (oko ludzkie jest na nie szczególnie czułe), powstałych z nałożenia aberracji w zakresie fal czerwonych i niebieskich, stosuje się specjalne konstrukcje achromatyczne soczewek obiektywów teleskopowych. Ze względu na zastosowany rodzaj takiej konstrukcji, możemy podzielić refraktory na:
achromat – najpopularniejszy, składa się najczęściej z 2 elementów. Koryguje aberrację chromatyczną dla dwóch fragmentów spektrum światła widzialnego (czerwonego i niebieskiego) Idealny dla początkujących astrofotografów;
apochromat – bardzo zaawansowana optycznie konstrukcja. Obiektyw złożony jest ze znacznie większej liczby soczewek (od dwóch do czterech, a niekiedy więcej). Produkuje się je ze szkła gatunkowego, np. niskodyspersyjnego ED lub fluorytowego. Apochromat koryguje aberrację chromatyczną dla trzech fragmentów spektrum światła widzialnego i nie tylko (czerwonej, niebieskiej i zielonej);
superchromat – koryguje aberrację chromatyczną dla czterech, a nawet większej ilości fragmentów spektrum światła. Superchromaty są konstrukcjami niezwykle drogimi;
semiapochromat – nazwa stosowana przez producentów dla oznaczenia, że dany refraktor koryguje aberrację chromatyczną niewiele gorzej niż apochromat, ale znacznie lepiej niż achromat. Semiapochromatami są zwykle obiektywy teleskopowe, składające się z 2 soczewek ED.
Z cała pewnością do zalet teleskopów refrakcyjnych powinno zaliczyć się bardzo wysoką jakość obrazu, znacznie wyższą niż w reflektorach. Podobnie jest także w fotografii. Obiektywy lustrzane, o niezwykle długich ogniskowych, powstających dzięki wielokrotnemu odbiciu promienia światła wewnątrz konstrukcji optycznej sprzętu, posiadają rozdzielczość znacznie ustępującą konwencjonalnie wykonanym obiektywom, opartym o zasadę załamywania światła w układzie soczewek. Refraktory posiadają również zamknięty tubus, co chroni wnętrze przez wpływami otoczenia. Co bardzo ważne dla amatora, ich cena jest znacznie wyższa w porównaniu z teleskopami zwierciadlanymi o podobnych parametrach.
Teleskop zwierciadlany (reflektor)
Fotografia astronomiczna - wykorzystywana optyka
Zasada działania reflektora polega na zastąpieniu soczewkowego obiektywu zwierciadłem wklęsłym. Reflektory wykorzystują zjawisko refleksji światła. Zwierciadło teleskopu refleksyjnego tworzy w swoim ognisku obraz rzeczywisty. W tym ognisku można także umieścić materiał światłoczuły lub matrycę CMOS, by wykonać fotografię astronomiczną. Istnieje parę głównych typów konstrukcyjnych teleskopów w zależności od rodzaju ogniskowania.
a) ognisko Newtona
Pierwszy teleskop zwierciadlany skonstruował Sir Isaak Newton w 1671 r. (stąd pochodzenie nazwy). W skład systemu Newtona wchodzi układ optyczny, składający się z głównego zwierciadła wklęsłego (może być sferyczne lub paraboliczne). Zwierciadło to wykonane jest ze szkła, a jego powierzchnia pokryta jest cienką warstwą srebra i aluminium. Wpadające do teleskopu światło zostaje najpierw skupione, a później odbite od zwierciadła wklęsłego. Po odbiciu od zwierciadła głównego, promienie światła załamywane są pod kątem 90 stopni z przodu ogniska teleskopu i jeszcze raz załamywane, ale tym razem pod kątem 45 stopni przez, odchylone o taką samą wartość kątową, zwierciadło płaskie (kolektor). Tak skierowane światło podąża do okularu. Punkt ogniskowy w tym systemie konstrukcyjnym, leży poza obszarem głównej optyki. Lustro reflektora pozbawione jest aberracji sferycznej i chromatycznej (warto jednak pamiętać, że występuje tu inna anomalia optyczna - tzw. koma). Nie pochłania też, prawie wcale, światła. Tego typu sprzęt ma niezwykle prosta konstrukcję, ale dużą światłosiłę, więc z powodzeniem nadaje się do obserwacji i fotografowania obiektów głębokiego nieba np. emitujących niewiele światła, obiektów mgławicowych. Konstrukcja Newtona jest najpowszechniejszą tego typu konstrukcją na świecie, jeśli chodzi o teleskopy zwierciadlane. Niestety, ze względu na niską jakość dawanego obrazu, warto pomyśleć o zainwestowaniu dodatkowych pieniędzy w teleskop, zbudowany na zasadzie Maksutova-Cassegraina.
Fotografia astronomiczna_Teleskop Newtona
Ogniskowa tych teleskopów zależy nie tylko od krzywizny zwierciadła głównego, ale także od modyfikacji użytkownika. Może od na drodze odbitych promieni, umieścić dodatkowo pomocnicze zwierciadła, uzyskując w ten sposób ogniskowe o modyfikowanej długości.
b) ognisko Cassegraina
Ten model polega na osiowym odbiciu światła poza zwierciadło wklęsłe. Przed zwierciadłem umieszczone jest niewielkie zwierciadło wypukłe, odcinające niewielką ilość promieniowania, która następnie przechodzi przez mały otwór w zwierciadle głównym, by dotrzeć do okularu i obserwatora. Podobny układ prowadzenia światła znajduje się w lustrzanych obiektywach małoobrazkowych. Również w tym rodzaju teleskopu, przed ogniskiem promieni można umieścić układ Barlowa, by zwiększyć ogniskową. Modyfikacją konstrukcji Cassegraina jest system coudé, w którym, odbijane przez zwierciadło pomocnicze, światło, skierowywane jest w bok za pomocą dodatkowych zwierciadeł płaskich. W teleskopie Mount Palomar w USA (średnica zwierciadła 508 cm), przedłożono w ten sposób ogniskową z 16,8 m do 152 m.
Fotografia astronomiczna_Teleskop_Cassegraina
Teleskopy zwierciadlano-soczewkowa (katodioptryki mieszane)
Fotografia astronomiczna - wykorzystywana optyka
Są to rodzaje teleskopów, w których zwykle przed zwierciadłem głównym umieszczona jest dodatkowo soczewka – tzw. korektor. Zogniskowanie światła może być wyprowadzone za zwierciadło główne (w układzie Cassegraina), w bok, do poziomu zwierciadła pomocniczego (w układzie quasi-Newtona albo w bok, do poziomu osi obrotu (w układzie coudé).
a) konstrukcja Schmidta-Cassegraina
Ten typ teleskopu wyposażono w korektor w postaci asferycznej płyty Schmidta. Posiada cechy niewielkiej komy i krzywiznę pola.
Fotografia astronomiczna_Teleskop_Schmidta-Cassegraina
b) konstrukcja Maksutova-Cassegraina
Teleskopy Maksutova-Cassegraina posiadają korektor w postaci ujemnej soczewki meniskowej. Mają też znacznie zredukowana komę i krzywiznę pola. Polecany jest do fotografii astronomicznej, szczególnie do powiększeń ze względu na niewielki kąt widzenia, lekkość oraz mobilność konstrukcji.
Fotografia astronomiczna_Teleskop_Maksutova-Cassegraina
Rozdzielczość teleskopów
Można stwierdzić, że dla układu optycznego teleskopu, który jest prawidłowo zmontowany, a jego elementy wykonane z największą precyzją, rozdzielczość ograniczana jest tylko przez średnicę soczewki obiektywu bądź zwierciadła. Wynika z tego, że rozdzielczość jest tym większa, im większa jest owa średnica. Dzieje się tak dlatego, że promienie światła uginają się, rozmywając punkt świetlny np. gwiazdę lub planetę, w coś w rodzaju okrągłej plamy. Ta "fałszywa tarcza" obiektu astronomicznego ma średnicę kątową tym mniejszą, im większa jest średnica zwierciadła. Z kolei im ta wartość kątowa "fałszywej tarczy" jest mniejsza, tym większa jest rozdzielczość teleskopu. Przy ocenie praktycznych możliwości rozdzielczych teleskopu, powinno się wziąć pod uwagę dodatkowo wpływ atmosfery (turbulencje atmosferyczne), rozmywające obraz i sprawiające wrażenie poruszenia.
Teleskopy skorygowane są najczęściej tak, by dawać stygmatyczny obraz w osi układu optycznego, którego ostrość ograniczana jest jedynie wpływem dyfrakcji światła. W fotografii astronomicznej nie istnieje również przesłona, wpływająca na jasność i rozdzielczość aktualnie rejestrowanego obrazu.
Jasność optyki astronomicznej
Jasność obiektów przestrzennych (rozciągłych) w fotografii astronomicznej zależy od tych samych czynników, co w fotografii klasycznej. A więc jasność tę opisuje wzór stosunku r = F/D, gdzie F jest długością ogniskowej, a D średnicą soczewki wejściowej (zwierciadła). Zgodnie z matematyką, jasność zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do stosunku F/D, podniesionego do kwadratu, z tą jednak różnicą, że jasności w fotografii astronomicznej nie zmienia się regulując otwór przesłony. Obserwacja odbywa się zawsze z w pełni otwartym obiektywem. Jeśli jest taka konieczność, zmienia sie długość ogniskowej, co wpływa na jasność teleskopu.
Natomiast jasność obiektów punktowych definiowana jest samą wielkością otworu obiektywu. Jasność rośnie proporcjonalnie do kwadratu średnicy powierzchni lustra. W teorii obiekty punktowe dają obrazy punktowe, nie uwzględniając przy tym marginesu błędu, spowodowanego uginaniem się światła i zjawiskami atmosferycznymi.
Fotografia astronomiczna_Teleskop Hale 200 w Mount Palomar
Fotografia astronomiczna_Wysokiej klasy Teleskop zwierciadlany_ Meade ETX-125 Premier Edition 125mm Maksutow z warstwami UHTC, systemem AutoStar i montażem
W kolejnej części poradnika dotyczącego fotografii astronomicznej, omówię techniczne aspekty połączenia aparatu fotograficznego z teleskopem oraz zaprezentuję techniki fotografowania.
Bibliografia
Piotr Skórzyński, Astrofotografia, Prószyński i S-ka, 1998.
Eduard Pittich, Dusan Kalmancok, Niebo na dłoni, Vydavatel'stvo
Obzor/"Wiedza Powszechna", Bratysława 1988.
Praca zbiorowa pod red. Adama Konopackiego, Wszystko o fotografii, Arkady,
1984.
Wokół tematu:
Miłośnicy astronomii i astrofotografii mieszkający we wschodniej części Azji i na zachodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych mieli dziś okazję obserwować niezwykłe zjawisko na niebie, jakim było obrączkowe zaćmienie Słońca. Około godziny 7:30 czasu tokijskiego Ks... więcej
Na cześć swoich 28. urodzin Teleskop Hubble'a przesłał zdjęcia niesamowitej Mgławicy Laguna. Nawet po 163 tysiącach okrążeń Ziemi i ponad milionie zdjęć, Hubble nigdy nie przestał robić wrażenia. Warto pamiętać o tym jaki wgląd w kosmos umożliwił nam ten... więcej
Pochodzący z Czech, a mieszkający od 14 lat w Great Malvern w Anglii Jan Sedlacek, uchwycił na zdjęciu zapierający dech w piersiach widok – gęstą mgłę oddzielającą rój miejskich świateł od setek gwiazd zdobiących firmament. Aby móc uchwycić ten zdumiewaj... więcej
www.swiatobrazu.pl