Aparat cyfrowy w astrofotografii - podstawowe możliwości

Aparat cyfrowy w astrofotografii
I. Podstawowe możliwości

Dynamika rozwoju fotografii cyfrowej sprawia, że jakość obrazów uzyskiwanych za pomocą najnowszych aparatów cyfrowych zaczyna dorównywać tej, jaką można osiągnąć za pomocą lustrzanki małoobrazkowej zaopatrzonej w błonę fotograficzną. Na tegorocznych targach Photokina (największe na świecie targi sprzętu foto-video), które odbywały się w dniach 25–30 września w Kolonii, zaprezentowano najnowsze modele aparatów cyfrowych wyposażonych w matryce CCD mające rozmiary klatki filmu małoobrazkowego (24×36 mm). Aparaty te zostały zaprezentowane przez firmy Canon i Kodak. Canon EOS 1Ds posiada matrycę CCD zawierającą 11 mln pikseli, a model firmy Kodak (DCS Pro 14N) wyposażono w ponad 13-milionową matrycę CCD. Oba prezentowane aparaty są cyfrowymi lustrzankami. Jednak nie do tych aparatów należy rekord w rozmiarach matrycy CCD. Niekwestionowanym liderem jest, produkowana przez firmę Sinar, tylna ścianka przeznaczona do średnioformatowych aparatów fotograficznych — Sinarback 54, którą wyposażono w matrycę CCD zawierającą 22 mln pikseli!

Rys.1
10.11.2002, f = 19,5 mm, f/d = 2,8, 100 ASA, texp = 1/125 s

Oczywiście ostra konkurencja ma miejsce także wśród najtańszych aparatów cyfrowych, przeznaczonych dla szerokiej rzeszy amatorów fotografii. W tej klasie sprzętu mamy najwięcej producentów, którzy walcząc o klienta oferują coraz większe możliwości aparatów oraz lepszą jakość uzyskiwanych zdjęć za coraz mniejszą cenę. Kompakty cyfrowe (bo o nich tu mowa) coraz częściej oferują fotografującemu nie tylko wysoką rozdzielczość obrazu sięgającą 5 mln pikseli, ale także pełną kontrolę nad ustawieniami aparatu. W zasadzie jedyną znaczącą różnicą pomiędzy cyfrowymi lustrzankami a zaawansowanymi kompaktami jest możliwość wymiany obiektywów w przypadku tych pierwszych. Wszystko to sprawia, że coraz więcej osób decyduje się na zakup aparatu cyfrowego. Również wielu miłośników fotografowania nocnego nieba docenia zalety fotografii cyfrowej, czego rezultaty możemy oglądać w wielu pismach astronomicznych. Oczywiście kompakty cyfrowe, ze względu na swoje ograniczenia (brak możliwości wymiany optyki, ograniczone czasy ekspozycji), nie są w stanie zastąpić fotografii klasycznej w wielu zadaniach, zwłaszcza wymagających użycia bardzo długich ekspozycji (np. fotografowanie mgławic, galaktyk, komet). Są jednak dziedziny astrofotografii, w których aparaty cyfrowe mogą z powodzeniem zastąpić klasyczną lustrzankę wyposażoną w film halogenosrebrowy.

Rys.2
16.11.2002, f = 19,5 mm, f/d = 2,8, 100 ASA, texp = 1/250 s

O parametrach, jakimi powinien charakteryzować się użyteczny w astrofotografii aparat cyfrowy, pisałem w ostatnim wydaniu Poradnika obserwatora (6/2002). Reprezentantem obszernej klasy kompaktowych aparatów cyfrowych jest Olympus Camedia C-4000 ZOOM. Jest to aparat spełniający wszystkie wymagania stawiane kompaktom cyfrowym w astrofotografii, a stosunkowo niewielka cena (około 2900 zł) jest jego nie mniejszym atutem. Główne parametry tego modelu to: 4-milionowa matryca CCD, czasy ekspozycji od 1/1000 do 16 sekund, obiektyw: 6,5—19,5/2,8, pełna kontrola nad parametrami ekspozycji, ręczne ustawianie ostrości w pełnym zakresie odległości, ręczna regulacja balansu bieli oraz czułości: 100, 200 i 400 ASA.

Na przykładzie tego aparatu spróbujemy dowiedzieć się, w obecnym i następnych wydaniach Poradnika obserwatora, jakie astronomiczne możliwości kryją się w cyfrowych kompaktach oraz w jaki sposób je wydatnie zwiększyć.

Optyka aparatu, będąc obiektywem typu zoom (), umożliwia uzyskiwanie niewielkich powiększeń odpowiadających ogniskowym 32–96 mm dla formatu klatki 24×36 mm. Podawanie ekwiwalentu ogniskowych dla formatu klatki filmu małoobrazkowego odnosi się do efektywnego pola widzenia, na co ma wpływ nie tylko ogniskowa obiektywu, ale także wielkość matrycy CCD. Pamiętajmy, że obiektyw, np. o ogniskowej 20 mm, tworzy obraz o jednakowej wielkości niezależnie od tego, czy rejestrujemy go na kliszy fotograficznej czy matrycy CCD. Stała światłosiła (2,8) powoduje, iż przy zmianie ogniskowej zmienia się także efektywna średnica obiektywu w zakresie 2,32–6,96 mm. Wartości te odpowiadają rozmiarom źrenicy oka ludzkiego i są znacznie mniejsze od średnicy obiektywów standardowych przeznaczonych dla lustrzanek małoobrazkowych. Średnica obiektywu o ogniskowej 50 mm i światłosile 2 wynosi 25 mm, co oznacza, że obiektyw ten ma prawie 13 razy większe pole powierzchni niż obiektyw Camedii przy ogniskowej 19,5 mm (φ = 6,96 mm).

Rys.3
Zdjęcie wykonane 6.11.2002, f = 19,5 mm, f/d = 2,8, 400 ASA, texp = 8 s

Interesujące jest sprawdzenie, jakie obrazy daje opisany układ optyczny w połączeniu z wysokiej klasy matrycą CCD (przekątna = 14,1 mm) dającą obrazy o rozmiarach 2288×1712 pikseli. Najczęściej fotografowanym obiektem jest Księżyc, a zatem i my od tego obiektu zaczniemy. Poniżej prezentowane są dwa zdjęcia Księżyca wykonane przy ogniskowej 19,5 mm. Warto podkreślić, że średnica Księżyca w pełni na matrycy CCD wynosi 0,17 mm! Czy tak mały obraz będzie w ogóle czytelny? Prezentowane poniżej zdjęcia, na których nie tylko wyraźnie widać fazy, ale także księżycowe morza, są wystarczającą odpowiedzią.

Kolejnym celem naszych testów będą gwiazdy. Na poniższym zdjęciu widoczne są gwiazdozbiory Delfina i Strzały wykonane przy średnicy obiektywu wynoszącej 6,96 mm, czułości 400 ASA i czasie ekspozycji wynoszącym 8 s. Aparat umieszczony był na statywie fotograficznym. Na prezentowanym zdjęciu są widoczne wszystkie główne gwiazdy tworzące oba gwiazdozbiory.

Aby sprawdzić jak słabe gwiazdy są widoczne przy tak dobranych parametrach ekspozycji, postanowiłem sfotografować gromadę otwartą gwiazd — Plejady. Na wykonanym zdjęciu najsłabsze gwiazdy mają jasność około 5,5 mag. Przy zwiększeniu czasu ekspozycji do 16 sekund obrazy gwiazd są już wyraźnie wydłużone. Natomiast maksymalny czas ekspozycji (przy którym obrazy gwiazd są jeszcze punktowe) dla filmu małoobrazkowego i obiektywu o ogniskowej 19,5 mm, w przypadku Plejad, wynosi 25 s. Zatem jeśli użyjemy obiektywu o ogniskowej 19,5 mm oraz czasu ekspozycji wynoszącego np. 16 s, to na kliszy zobaczymy punktowy obraz gwiazdy, a na zdjęciu wykonanym aparatem cyfrowym — fragment łuku. Przykład ten wyraźnie ilustruje przewagę, pod względem rozdzielczości, matrycy CCD nad kliszą fotograficzną. Podsumowując, należy stwierdzić, że astrofotograficzne możliwości opisanego powyżej aparatu cyfrowego praktycznie odpowiadają temu, co możemy dostrzec nieuzbrojonym okiem.

Wiesław Skórzyński
(Źródło: „Urania — PA” nr 1/2003)