Astrofotografie is een hobby die snel aan populariteit wint dankzij de snel voortschrijdende CMOS-sensortechnologie. Meer dan een decennium geleden was het lichte registratiemateriaal dat bij de astrofotografie werd gebruikt voornamelijk chemische emulsie. De lage gevoeligheid maakt het erg moeilijk om het zwakke signaal uit de verre ruimte op te nemen. Bovendien is het gebrek aan real-time feedback een enorme bron van frustratie voor beginners. Operationele fouten zoals onscherpte kunnen alleen worden gerealiseerd na enkele nachten hard werken nadat de film is ontwikkeld. Halverwege de jaren 90 bood de komst van gekoelde CCD-camera's oplossingen voor zowel de gevoeligheid als de real-time feedbackproblemen. Hun hoge prijzen en jammerlijk kleine sensoroppervlakken beperkten hun gebruik echter tot slechts enkele soorten astrofotografie en tot zeer enthousiaste astrofotografen. Hoewel CCD's een revolutie teweegbrachten in astronomisch onderzoek, heeft deze technologie het landschap van amateur-astrofotografie nooit echt veranderd. Het echte keerpunt vond plaats in 2002. Nadat Fujifilm zijn FinePix S2Pro DSLR had aangekondigd en verbazingwekkende astronomische foto's had laten zien die met deze camera waren gemaakt, begonnen mensen serieus digitale spiegelreflexcamera's voor astrofotografie te verkennen. DSLR's kunnen realtime feedback geven, wat erg belangrijk is voor beginners. Ze hebben gevoeligheden die niet veel slechter zijn dan CCD's, en DSLR's met grote sensoren (APS-C) zijn tegenwoordig redelijk betaalbaar. Het landschap van vandaag in de astrofotografie wordt gevormd door een serie CMOS-gebaseerde DSLR's van Canon, maar DSLR's en spiegelloze camera's op basis van Sony-sensoren winnen zeer snel aan populariteit.
Vanwege mijn werk heb ik de mogelijkheid om een breed scala aan beeldinstrumenten te gebruiken, van CCD-camera's van meerdere miljoenen dollars op grote professionele telescopen tot amateur-CCD-camera's en DSLR's. Mijn opleiding in astronomisch onderzoek biedt me ook toolsets om de prestaties van sensoren kwantitatief te evalueren en hun ware grenzen te kennen. Dit helpt niet alleen mijn onderzoek, maar ook mijn levenslange hobby, astrofotografie. Wat de hobby betreft, gebruik ik meestal DSLR's (Canon 5D Mark II en Nikon D800) vanwege hun hoge prestaties en betaalbare prijzen. Om de beste astrofotoresultaten te krijgen, zijn de interne filters van de DSLR's aangepast om een hogere doorvoer in het dieprode kleur te hebben, zodat ze efficiënter kunnen zijn in het opnemen van het rode licht van geïoniseerd waterstofgas in het universum. Afgezien van deze filtermodificatie, verschillen DSLR's die worden gebruikt voor astrofotografie niet van DSLR's die we dagelijks gebruiken.
Een veel voorkomende zorg bij het gebruik van spiegelreflexcamera's op astrophoto is de thermische ruis die door de sensoren wordt gegenereerd. CCD-camera's die zijn gekoeld tot -20 of zelfs -40 graden Celsius hebben dergelijke problemen niet. CMOS-sensoren die de afgelopen vijf jaar zijn geproduceerd, hebben echter allemaal een zeer lage thermische ruis. Bij dezelfde sensortemperatuur is hun thermische ruis in feite veel lager dan bij gewone CCD's in astronomische camera's. Een andere belangrijke factor die veel mensen over het hoofd zien, zijn andere ruisbronnen dan warmte in de sensor. Een daarvan is de fotonruis die door de lucht zelf wordt gegenereerd. Met de nieuwste DLSR's onder veel omstandigheden overweldigt de luchtfotonruis vaak de thermische ruis, waardoor koeling overbodig wordt. Alleen op plaatsen die zowel warm als donker zijn (zoals de woestijnen in het zuidwesten van de VS) is koeling nodig om de donkere lucht volledig te benutten.
Dit is de beeldopstelling die ik vaak gebruik. De DSLR is bevestigd aan het uiteinde van de primaire telescoop, die fungeert als een gigantische telelens (1100 mm, f / 7.3). Het is een APO-refractor, met een grote correctorlens voor het brandvlak om de veldkromming en astigmatisme te corrigeren. Het gecorrigeerde veld is groot genoeg om een sensor van 67 formaat te bedekken. De telescoop zit op een equatoriale montering, die door een motor wordt aangedreven en die de oost-westbeweging van de sterren aan de hemel kan volgen om lange belichtingen mogelijk te maken. Boven de primaire scope bevindt zich nog een kleinere scope met een kleine CCD-camera eraan. Dit kleine scoop- en camerasysteem kan het volgen van de equatoriale montering volgen wanneer de primaire scoop opnamen maakt. Het begeleidt de houder automatisch om de trackingfouten in realtime te corrigeren. Het hele systeem (equatoriale montage, DSLR en geleidingssysteem) wordt bestuurd door een laptop.
Dit is mijn opstelling als ik alleen groothoekopnamen wil maken. Dit lijkt meer op wat een beginner zou kunnen gebruiken. De camera en lens zijn via een kogelkop op een equatoriale montering bevestigd. Voor groothoekopnamen hoeft de tracking van de houder niet supernauwkeurig te zijn, dus een realtime geleidingssysteem is niet vereist. Als vuistregel geldt dat wanneer de brandpuntsafstand korter is dan 200 mm, het relatief eenvoudig is om foto's met een lange belichtingstijd te maken zonder een fraai equatoriaal montagesysteem en geleidingssysteem te gebruiken. Het begint moeilijk te worden als de brandpuntsafstand langer is dan 300 mm.
Algemene procedure
De workflow bij astrofotografie is heel anders dan bij daglichtfotografie. Omdat onze doelen erg zwak zijn, moeten we een paar minuten of zelfs een paar uur belichten om genoeg fotosignaal van onze doelen te verzamelen. De luchtachtergrond is echter meestal zo hoog dat het beeld verzadigd wordt wanneer de belichting langer duurt dan 10 minuten of zo (dit is vooral het geval bij een door licht vervuilde lucht). Daarom is wat we doen de lange belichtingstijd in veel kortere (een paar tot 10 minuten) opsplitsen om verzadiging te voorkomen, en vervolgens de korte-belichtingsbeelden stapelen (gemiddeld) in de nabewerking om hun signaal te combineren. Dit geeft een resultaat dat gelijk staat aan een zeer lange belichtingstijd.
Op de telescoop, als de equatoriale montering eenmaal is opgesteld en uitgelijnd met de Polaris, gebruiken we meestal eerst een heldere ster om scherp te stellen. Vroeger was dit een zeer uitdagende taak, maar nu is het heel eenvoudig met de liveweergavefunctie van DSLR. Dan bewegen we onze telescoop / lens om op ons doel te wijzen. We kunnen onze doelconstellatie meestal heel gemakkelijk zien door de zoeker van de camera als we een groothoek- of korte telelens gebruiken. Als we daarentegen een lange telelens of een telescoop gebruiken om deep-sky-objecten te fotograferen, zijn de doelen meestal te zwak om direct te zien. Sommige test korte belichtingen met een zeer hoge ISO kunnen helpen om onze kadrering te verifiëren. Zodra dit is gebeurd, schieten we veel lange bulb-belichtingen weg via een computer of een timerontspanner. Zoals hierboven vermeld, variëren typische belichtingstijden van enkele tot 10 minuten, afhankelijk van hoe snel onze lens is en hoe donker de lucht is. Een veel gebruikte ISO is 1600. Echter, met recente DSLR's met Sony sensoren is het mogelijk om ISO 800 of zelfs 400 te gebruiken en toch zeer goede resultaten te behalen na nabewerking. Het voordeel van lagere ISO's is natuurlijk hun hogere dynamische bereik. Het spreekt voor zich dat we altijd RAW fotograferen.
Naast de belichtingen in de lucht, maken we ook veel "kalibratie" -opnamen om het ongewenste signaal uit de lucht, de optiek en de camera te verwijderen. We nemen bijvoorbeeld opnamen op objecten met een uniforme helderheid (zoals een onbewolkte dag- of schemeringhemel, of een groot LED-paneel). Dergelijke beelden ("flat field" genoemd) kunnen worden gebruikt om vignettering te corrigeren die wordt veroorzaakt door de lens / telescoop in de luchtbeelden, om de uniforme achtergrondhelderheid te herstellen. Aan het begin of het einde van de nacht bedekken we de lens / telescoop volledig en nemen we "donkere" opnamen wanneer de camera onder dezelfde temperatuur is als de opnamen in de lucht. Dergelijke donkere beelden kunnen worden gebruikt om het thermische signaal in de luchtbeelden te verwijderen. Dit is in wezen hetzelfde als de ruisonderdrukking van de meeste digitale spiegelreflexcamera's in de camera, maar we doen dit handmatig om te voorkomen dat de kostbare nachttijd wordt verspild. We nemen ook extreem korte (1/8000 sec) belichtingen ("bias" genoemd) wanneer de lens volledig bedekt is, om rekening te houden met het signaal dat de camera genereert als er geen licht is en ook geen tijd heeft om het thermische signaal op te hopen. Net als de belichtingen in de lucht, nemen we meerdere (van enkele tot enkele tientallen) vlakke, donkere en vertekende belichtingen en het gemiddelde om willekeurige ruis in de beelden te onderdrukken om de signaalkwaliteit te verbeteren. Er zijn veel softwarepakketten (zoals DeepSkyStacker, dat gratis is) die de on-sky, flat-field, dark en bias-afbeeldingen kunnen verwerken en de gekalibreerde on-sky-afbeeldingen kunnen stapelen om een zeer diepe, schone en hoge dynamisch bereik afbeelding. Deze moeten allemaal worden gedaan vanuit RAW-bestanden, aangezien JPEG.webp-afbeeldingen niet lineair zijn en het niet mogelijk maken om dat ongewenste signaal nauwkeurig te verwijderen.
(a) is een onbewerkt bestand dat rechtstreeks in Photoshop is geconverteerd en met wat contrastrek. Hier zien we hints van rode nevels in de afbeelding, maar het meest opvallende kenmerk van deze afbeelding is het vignetteringpatroon veroorzaakt door de telescoop en de camera. (b) is een afbeelding met een "vlak veld" die met dezelfde telescoop is gemaakt in de richting van de schemeringhemel. Het is een afbeelding die niets anders bevat dan het vignetteringpatroon. Wiskundig gezien delen we (a) door (b) om het vignetteringpatroon te verwijderen en deze berekening wordt "flat-field correction" genoemd. (c) is het resultaat van een dergelijke correctie, plus sterke uitrekkingen van contrast en verzadiging. We kunnen zien dat er zonder de vlakveldcorrectie geen hoop is om de zwakke nevels overal in het beeld van (a) naar voren te brengen. Trouwens, de vignetteringcorrectie die in de meeste niet-astronomische beeldverwerkingssoftware (zoals Photoshop of Lightroom) is ingebouwd, is niet nauwkeurig genoeg voor astrofotografie, zelfs als onze lens in de softwaredatabase staat. Daarom moeten we vlakveldcorrectie zelf uitvoeren met software die is ontworpen voor astrofotografie.
Na de basiskalibratie en het stapelen van afbeeldingen gebruiken we software zoals Photoshop om de gestapelde afbeeldingen verder te verwerken. Het vergt meestal een zeer sterke curve en verzadiging om de vage details in een gestapeld astronomisch beeld naar voren te brengen. Het vereist ook veel vaardigheden en ervaring om dit te bereiken met behoud van nauwkeurige kleuren en een natuurlijke uitstraling van een afbeelding. Het is in wezen hetzelfde als het handmatig helemaal opnieuw verwerken van een RAW-afbeelding, zonder te vertrouwen op onbewerkte verwerkingsengines. Het is niet ongebruikelijk dat we meer tijd besteden aan het verwerken van een afbeelding dan aan de belichtingstijd, en nabewerking is vaak wat een eersteklas astrofotofotograaf onderscheidt van gemiddelde astrofotofotografen.
Brede voorbeelden
Deze foto van Orion is gemaakt met de Sigma 50mm f / 1.4 Art lens en Nikon D800. Het is een composiet van meer dan 60 belichtingen van 4 minuten bij ISO 800 en f / 3.2 t / m f / 4.0. De totale belichtingstijd van meer dan 4 uur is hier nogal extreem. Voor dergelijke opnamen van sterrenbeelden besteden we meestal maar 0,5 tot 1,5 uur. De extreem lange belichtingstijd hier leidt echter wel tot een betere beeldkwaliteit en maakt het mogelijk om zeer zwakke nevels rond Orion te detecteren. Om de rode nevels in Orion efficiënt vast te leggen, is een aangepaste DSLR nodig. Met een ongewijzigde kunnen we echter nog steeds de prachtige kleur van sterren in de sterrenbeelden krijgen. Opstellingen met een groot veld zijn dus geweldige doelen voor beginners die nog niet klaar zijn om hun camera's op te sturen voor de operatie.
Deze opname van de zomermelkweg is gemaakt met een 500mm f / 2.8 telescoop en Canon 5D Mark II. Het is een mozaïek van 110 beelden, dus het gezichtsveld is vergelijkbaar met dat van een 50 mm lens. Ik ben een grote fan van mozaïekafbeeldingen. Ik noem het vaak de grootformaat camera van arme mensen. Een waanzinnig mozaïekpanorama als dit bevat rijke details die veel verder gaan dan wat kan worden vastgelegd met de meest hoogwaardige digitale middenformaat-achterkant. De prijs is dat het erg lang duurt om te schieten en om de beelden te verwerken.
Dit is een uitgebreide versie van de Orion-afbeelding. Het toont de Grote Winterdriehoek en de Melkweg die door de driehoek gaat. Het is gemaakt met Nikon 28-70 mm f / 2.8D bij 50 mm f / 4 en Nikon D800. Het is een mozaïek met vier beelden, dus het gezichtsveld is vier keer groter dan een gezichtsveld van 50 mm. Elk van de mozaïekkaders bevat 16 belichtingen van 5 minuten bij ISO 400.
Dit is een mozaïek met twee opnamen gemaakt met een Mamiya 645 45 mm f / 2.8-lens bij f / 4.0 en Canon 5D Mark II. Het mozaïek met twee afbeeldingen maakt het mogelijk om niet alleen het sterrenbeeld Cygnus vast te leggen, maar ook de grootschalige Melkweg. Elk afzonderlijk mozaïekkader bevat 16 belichtingen van 4 minuten bij ISO 1600. Tijdens de nabewerking heb ik een laag aangebracht om het licht van heldere sterren te vervagen, zodat de vorm van het sterrenbeeld duidelijker wordt. Hetzelfde effect kan worden bereikt met een diffuus filter voor de lens. Filters die vaak voor dit doel worden gebruikt, zijn onder andere Kenko Softon A en Cokin P830.
Deep-Sky-voorbeelden
Deze groothoekopname rond de sterrenhoop Pleiaden (Meissier 45) is gemaakt met een 500 mm f / 2.8-telescoop en Nikon D800. Het is een mozaïek met vier frames en elk frame bevat meer dan 1 uur totale belichtingstijd. De stof- en gaswolken rond de Pleiaden zijn eigenlijk heel zwak. Het vereist niet alleen zeer lange belichtingstijden om ze te detecteren, maar ook een zeer donkere en schone lucht. De beeldkalibratie moet ook met een zeer hoge nauwkeurigheid gebeuren, anders zullen de luchtachtergrond plus de vignettering van de optiek de zwakke nevel volledig wegspoelen. Aan de andere kant hebben blauwe gaswolken zoals deze geen aangepaste DSLR nodig om ze op te nemen. De kern van de wolken rond de Pleiaden kan zeer goede doelen zijn voor mensen die geen aangepaste DSLR hebben.
Het Andromedastelsel (Meissier 31) is een doelwit dat nooit door een astrofotograaf wordt gemist. Dit is gemaakt door de telescoop met mijn eerste opstelling en Canon 5D Mark II. Het is een mozaïek met twee frames. Elk frame bevat ongeveer 40 belichtingen van 5 minuten bij ISO 1600. Ongemodificeerde DSLR's kunnen fatsoenlijke foto's maken van sterrenstelseldoelen zoals deze. Als we echter goed naar de afbeelding kijken, zien we veel kleine rode objecten langs de spiraalarmen van het Andromedastelsel. Dit zijn de gigantische gasnevels die geïoniseerde waterstof bevatten. Om het rode licht van deze nevels efficiënt op te vangen, is nog steeds een aangepaste DSLR vereist.
De Paardekopnevel bevindt zich pal naast de gordel van Orion en maakt deel uit van de eerder gepresenteerde afbeelding van Orion. Het kan worden gezien door middel van matig grote telescopen onder donkere lucht. Deze opname nam meer dan 4 uur belichtingstijd in beslag op de Canon 5D Mark II op de telescoop vanaf mijn eerste opstelling. De rode kleur op de afbeelding is afkomstig van geïoniseerde waterstof. Het vereist een aangepaste DSLR om het rode licht efficiënt op te nemen.
De Noord-Amerikaanse nevel bevindt zich in Cygnus en maakt deel uit van de bovenstaande afbeelding van Cygnus. Het is een vrij grote nevel en hij past mooi in het gezichtsveld van een 400mm lens (FF). Deze vergrote opname is gemaakt met de telescoop uit mijn eerste opstelling en de Canon 5D Mark II. Het is een mozaïek met 4 frames en de totale belichtingstijd van elk frame is 2,5 uur. De nevel is niet helemaal rood. Er zijn ook blauwe componenten ingebed in het rode licht, dat afkomstig is van geïoniseerde zuurstof. Als een niet-gemodificeerde DSLR wordt gebruikt, ziet de nevel er paars of roze uit.
Meissier 22 is een bolvormige sterrenhoop in Boogschutter. Het bevat ongeveer 300 duizenden sterren. Het zit tegen de zomer Melkweg, dus er zijn ook talloze sterren op de achtergrond van deze afbeelding. Deze opname is gemaakt met de telescoop uit mijn eerste opstelling en Nikon D800. De totale belichtingstijd is 1,5 uur. Voor het cluster zelf is deze belichtingstijd onnodig lang, aangezien het cluster relatief helder is. Ik heb extra tijd in dit veld doorgebracht om het grote aantal zwakke achtergrondsterren vast te leggen die tot de Melkweg behoren. Stellaire doelen zoals deze hebben geen aangepaste DSLR nodig. Een ongewijzigde kan het even goed doen.
Het Pinwheel Galaxy (Meissier 101) is een nabijgelegen sterrenstelsel en lijkt daarom relatief groot aan de hemel in vergelijking met de meeste andere sterrenstelsels. Het is echter nog steeds erg klein. Het helderdere deel heeft een afmeting die ongeveer een halve volle maan is. Deze foto is gemaakt met de telescoop uit mijn eerste opstelling en de Canon 5D Mark II. Het is bijgesneden en het bijgesneden beeldveld is gelijk aan dat van een 3000 mm-lens. Het bevat in totaal 8,5 uur normale belichtingstijden, plus nog eens 3 uur belichtingen onder een waterstof-alfa (656,3 nm) smalbandfilter. Het smalbandige filterbeeld is bedoeld om de kleine stukjes rode nevels langs de spiraalarmen te versterken. Helaas is dit geen erg efficiënte manier om een DSLR te gebruiken, aangezien slechts een kwart van de pixels actief fotonen ontvangt onder zo'n dieprode filter. Op de achtergrond van deze afbeelding zien we veel kleine gele stippen. Dat zijn talloze zeer verre sterrenstelsels. Sommige sterrenstelsels zijn zo ver weg dat de tijd die het licht nodig heeft om van die sterrenstelsels naar ons te reizen langer is dan de leeftijd van onze zon.
Deze gastpost werd bijgedragen door Wei-Hao Wang, een astronoom die werkzaam is in een nationaal onderzoeksinstituut in Taiwan, en momenteel een bezoek brengt aan de Canada-France-Hawaii-telescoop op het grote eiland van Hawaï. Hij is ook astrofotograaf en begon deze hobby in 1990. Een verzameling van zijn recente astrofoto's is hier te vinden.
