Развитие событий в мире фототехники в последние десять лет вполне можно называть «цифровой революцией» и революция эта не обошла стороной и астрономическую фотосъемку, область с более чем полуторавековой историей развития. Цифровые методы получения и обработки изображений наступают по всем фронтам и стремительно вытесняют традиционную аналоговую технику. Появление недорогих цифровых фотоаппаратов и развитие бытовой сети печати цифровых изображений позволяют говорить о скорой грядущей победе новой техники в области массовой фотографии.
В области астрономической фотографии ПЗС-камеры большого размера с охлаждением для уменьшения шумов оказались практически идеальными светоприемниками для большинства задач. Высокий квантовый выход, линейность, удобство последующей обработки привели к тому, что профессиональной, да и в любительской астрофотографии пленка и пластинки используются все реже и реже. Только в одном, пожалуй, традиционная эмульсия оказывается пока вне конкуренции — в области широкоугольных обзоров, так как даже у самых больших ПЗС матриц количество пикселов значительно меньше, чем зерен эмульсии на пластинках астрономических размеров — 30х30 или 40х40 см. Действительно, при характерном для астрономических эмульсий размере зерен около 15–30 мкм (источник: В.П. Щеглов. Проблемы оптической астрономии, М. Наука 1980г. стр. 14, 128), в поле площадью 1 см2 содержится примерно 1.1–4.4*105 элементов изображения, а пластинка 30х30 см содержит их 100–400 миллионов — матриц с таким количеством пикселов пока не выпускают. Правда, появились составные приемники из нескольких матриц, но они пока довольно редки.
Зато в одной области астрофотографии, традиционно представляющей как особый интерес так и особенную трудность для любителей астрономии, преимущества цифровой съемки совершенно неоспоримы — это съемка планет и Луны. Большого размера поля при этом не требуется — угловые размеры планет малы, зато успешно разрешается главная трудность планетной фотографии — необходимость обеспечить достаточный масштаб изображения при нежелательности сильно увеличивать время экспозиции. Поясним сказанное на примере. Допустим, мы хотим организовать фотографирование Марса во время Великого противостояния 2003 года, когда его угловой диаметр d достигал 25". Пусть в нашем распоряжении телескоп диаметром 150 мм с фокусным расстоянием F = 1800 мм, масштаб изображения в фокальной плоскости будет равен:
Тогда диаметр Марса на фотопленке будет равен:
Даже если при печати увеличить изображение в 10–20 раз, на фотографии мы получим диск размером 2–4 мм. Информации на такой картинке будет немного — если размер зерна эмульсии пленки принять за 0.015 мм, то вдоль диаметра Марса уместятся только пятнадцать зерен, то есть, размер изображения, используя компьютерную терминологию, составит 15 на 15 пикселов. Конечно, рассмотреть какие-либо подробности на таком маленьком диске не удастся. Чтобы различить детали, придется увеличить масштаб изображения хотя бы раз в пять, чтобы размер диска Марса на негативе составил около миллиметра. Для этого нужно увеличить эквивалентное фокусное расстояние до 9 метров, применяя линзу Барлоу или окулярное увеличение, тогда относительное фокусное расстояние F/D будет равно 60. Тогда на пленке чувствительностью 100 единиц время экспозиции составит около 0.1 секунды (источник: В.А. Бронштэн. Планеты и их наблюдение. М. Наука, 1979, стр. 175) или более. Если мы хотим увеличить диаметр изображения еще вдвое, мы должны удвоить эквивалентное фокусное расстояние, при этом время экспозиции возрастет вчетверо. Чем больше время экспозиции, тем больше на изображении сказывается турбулентное движение атмосферы, замывающее мелкие детали изображения. Кроме того, увеличение времени экспозиции повышает требования к точности механической части телескопа и часового ведения. Попытка же сократить время экспозиции за счет использования более чувствительных фотоматериалов приводит к другой проблеме — более чувствительные материалы имеют больший размер зерна эмульсии, поэтому требуют еще большего увеличения масштаба изображения — а, следовательно, снова увеличения времени экспозиции. В результате, любительские фотографии планет особым качеством не отличались, а для фотографирования Марса рекомендовался как минимум 200 миллиметровый телескоп, но даже лучшие результаты той поры не могут идти в сравнение с заурядными современными (источник: Л.Л. Сикорук, М.П. Шпольский. Любительская астрофотография, М, Наука 1986г. стр. 168–175).
Для улучшения качества фотографий планет был предложен способ печати одного позитива с нескольких лучших негативов из серии. При этом качество возрастало как квадратный корень из числа использованных негативов, при условии, что отобраны действительно хорошие негативы. Тем не менее, при соблюдении всех предосторожностей и использовании только лучших инструментов и качественных материалов, в лучших атмосферных условиях оказывалось, что изображения планет показывают в 3–5 раз меньше деталей, чем можно рассмотреть визуально и зарисовать, используя тот же инструмент (источник: Ж. Вокулер. Астрономическая фотография, пер с англ., М. Наука, 1975г., стр. 60–61). Причина, конечно, в том, что во время визуальных наблюдений астроном использует даже краткие мгновения, когда изображение успокаивается, периоды же плохих изображений им мысленно отбрасываются, фотоэмульсия же накапливает изображение и в спокойные и в неспокойные моменты, усредняя картину и замывая мелкие детали.
Так какие же преимущества у цифровой съемки планет? Первое и, возможно, самое главное — размер пиксела цифровых светоприемников, ПЗС-матриц и иных, как правило, существенно меньше, чем размер зерна эмульсии у чувствительных пленок — 5–10 мкм против 15–30 мкм у пленок достаточно для этих целей высокой чувствительности. Это означает, что для достижения того же размера изображения (в пикселах), что при съемке с пленкой, можно применять фокусное расстояние примерно втрое меньше. При этом электронные приемники как минимум не уступают пленке в чувствительности, поэтому приемлемое количество сигнала удается накопить за время 1/25–1/50 секунды и менее, что уменьшает влияние атмосферной турбулентности, одного из главных врагов качества, на результат. Соответственно, с «укорачиванием» и облегчением инструмента снижаются требования к качеству механики и часового ведения телескопа. И, наконец, возможность снимать продолжительными сериями позволяет получить десятки, сотни, а то и тысячи изображений планеты, а потом отобрать из них лучшие и использовать при «сложении» для уменьшения влияния шумов и атмосферы. Не забудем и о том, что процесс обработки цифровых изображений несравнимо проще, чем негативов и позитивов, в том числе и благодаря наличию большого количества доступных программ самого разного уровня, реализующих все мыслимые варианты обработки. Конечно, эти же методы обработки пригодны и для классических фотоматериалов, но для этого их необходимо предварительно отсканировать, для чего требуется изрядное время и дополнительное оборудование.
Общая методика получения цифровых изображений планет довольно полно описана в любительской литературе, правда, в основном, англоязычной. В общих чертах, ее основные этапы таковы:
Продолжение: 2. Немного математики для успешной работы