Готовясь к Великому противостоянию Марса 2003, мы, члены группы «Марс-патруль» Московского астрономического клуба, планировали съемку приближающейся планеты, и вопрос выбора цифрового приемника изображения был действительно самым важным.
Известно, что профессионалы и многие западные любители серьезного уровня пользуются астрономическими ПЗС камерами — специализированными, как правило «черно-белыми», приемниками с большими чувствительными матрицами, обладающими большим динамическим диапазоном (12–16 бит). Для уменьшения шумов такие матрицы обычно охлаждаются до отрицательных температур. Эти камеры позволяют использовать времена экспозиции от долей секунды до длительных (минуты и десятки минут). Часто они бывают оборудованы приспособлениями для быстрой смены светофильтров. Камера подключается к компьютеру, на котором и сохраняются изображения, причем для самых больших камерах время их загрузки может достигать нескольких секунд, что для съемки планет не очень удобно. Безусловно, это лучший выбор для большого класса задач астрофотографии, но стоимость этих камер — от почти тысячи долларов за камеры типа ST-5C, самых маленьких по площади (их размеров, тем не менее, для фотографирования планет вполне достаточно), до десятков тысяч долларов, и среди любителей астрономии в России они мало распространены.
Вторая возможность — использование для фотографирования планет бытовых цифровых фотокамер. Сейчас их выпускается огромное количество с размером матрицы от 1 до 12 мегапикселей, с ПЗС матрицами — они более чувствительны — и с КМОП (CMOS) матрицами, на сегодняшний день менее чувствительными (хотя в камерах класса Canon EOS 300D и 10D применяются КМОП матрица такого качества, что с прошитыми в фотоаппарате алгоритмами работы даже на сыром кадре уровень шумов находится на уровне шумов лучших фотокамер с ПЗС матрицами в качестве светочувствительного элемента). Матрицы эти цветные, довольно чувствительные, имеют хороший динамический диапазон, но не охлаждаются. Самые дорогие камеры имеют корпуса со сменными объективами и допускают возможность использования телескопа в качестве такового, все прочие могут использоваться только для фотографирования через окуляр, что приводит к значительным светопотерям (объектив телескопа — окуляр — объектив камеры). Цифровые камеры не нуждаются в постоянном соединении с компьютером во время съемки, так как оборудованы тем или иным видом энергонезависимой памяти для сохранения изображений, которые впоследствии могут быть переданы на компьютер для дальнейшей обработки. Не все такие аппараты имеют возможность съемки большого количества изображений за небольшое время, что несколько ограничивает их применимость для фотографирования планет. Любители астрономии во всем мире с большим успехом используют различные цифровые фотоаппараты для астрофотографии (и планетной съемки особенно). Появились также и недорогие устройства, сделанные на основе черно-белых ПЗС-матриц и выводящие информацию в виде видео-сигнала, вроде переделанных для астрономии охранных ТВ-камер или специальных «электронных окуляров», например MEADE Electronic Eyepiece, первые опыты работ с которым — с неплохими результатами — члены клуба имели еще за год до Великого противостояния.
Существует так же возможность применения как бытовых, так и профессиональных аналоговых и цифровых видеокамер для астросъемки через окуляр телескопа. Видеокамеры обладают рядом преимуществ — они полностью автономны, т.к. питание осуществляется от аккумуляторной батареи большой емкости, а изображение сохраняется на магнитной ленте видеокассеты и связь с компьютером во время наблюдений не обязательна. Цифровые видеокамеры записывают на ленту уже оцифрованный сигнал со светочувствительного элемента, это означает, что для сброса данных в компьютер не требуется специальной платы видеозахвата, а достаточно простого очень дешевого контроллера интерфейса IEEE 1394 (он же iLink или FireWire). Современные цифровые видеокамеры верхнего ценового диапазона снабжены тремя ПЗС матрицами для регистрации изображения, при этом каждая матрица регистрирует излучение только в красном, зеленом и синем диапазоне спектра видимого света. Такая схема регистрации изображения позволяет получать картинку с широким динамическим диапазоном и высоким качеством передачи цветовых оттенков. Чувствительность видеокамер позволяет снимать планеты через окуляр телескопа с экспозицией каждого отдельного кадра до 1/25 секунды с частотой 25 кадров в секунду (для системы PAL) и меньше даже при относительном отверстии А ~ 50. Во многих моделях камер существует также режим так называемой «ночной съемки», когда из оптической схемы камеры выводится фильтр, отрезающий инфракрасную часть спектра. При этом можно говорить об увеличении чувствительности камеры, поскольку ПЗС матрицы часто обладают значительной чувствительностью в инфракрасном диапазоне. Основным недостатком цифровых видеокамер является их высокая стоимость и сложность получения с их помощью снимков объектов дальнего космоса в виду отсутствия в видеокамерах длительных выдержек. Однако можно рекомендовать любителям астрономии, владеющим цифровыми видеокамерами, использовать их для съемок Солнца, Луны, планет и даже ярких туманных объектов.
Но в последние годы, что оказалось несколько неожиданным, многие любители астрономии стали с большим успехом использовать для лунно-планетной съемки «ПЗС для бедных», т.н. Web-камеры (источник: M Davis, D Staup. Shooting the planets with Webcams, in Sky&Telescope, 2003, june, p 117), недорогие массовые устройства, состоящие из ПЗС (реже КМОП) матрицы 640*480 пикселов в простейшем корпусе, короткофокусного объектива и интерфейса (как правило, USB). Они бывают как черно-белыми (8 битовыми), так и цветными (24 битовыми, по 8 бит на каждый канал). Недостатки этих камер — небольшой динамический диапазон, отсутствие длительных выдержек и большие шумы при отсутствии охлаждения. Однако для планетной съемки эти недостатки окупаются возможностью получать большое количество (до 15) кадров размера 640*480 в секунду. Даже искушенные мастера планетной фотографии, такие как Thierry Legault (
http://perco.club-internet.fr/legault) и Tan Wei Leong (http://www.sg-planets.org) используют Web камеры наряду с астрономическими ПЗС камерами, или вообще перешли на Web камеры. К тому же цена наиболее приемлемых для использования в астрономии Web камер, таких, например, как наиболее подходящая для наших целей Philips PCVC740K To Ucam? Pro летом 2003 была около 3000 рублей и их легко было купить в магазинах электроники. Доступность Web камер, невысокая цена, великолепные результаты, получаемые с их помощью, а так же возможность последующей доработки для фотографирования с большими выдержками — все эти аргументы определили выбор группы «Марс-патруль» — мы будем осваивать именно эту технику. И вот, в клубе появились две камеры Philips PCVC740K ToUcam Pro. Размер пиксела для ее матрицы 5.6 мкм, значит, для согласования камеры и телескопа, последний должен иметь относительное фокусное расстояние
Поскольку обычно телескопы имеют относительное фокусное расстояние от 5 (короткофокусные Ньютоны) до 15 (Кассегрены, в том числе катадиоптрические, и ахроматические рефракторы), для согласования необходима линза Барлоу.
Для начала придется решить задачу крепления камеры к окулярному узлу телескопа. Объектив камеры легко выкручивается из корпуса, и для крепления необходим переходник резьба камеры – посадочное отверстие окулярного узла, например, для стандартного диаметра отверстия «дюйм с четвертью». Переходники любезно согласился изготовить подмосковный любитель астрономии Антон Дрокин, который одним из первых в России стал применять Web камеры в астрономии. Антон разработал и применил на практике технологию доработки таких камер для фотографирования с длительными выдержками (http://www.astronica.ru) и рассказал о полученных результатах на фестивале Астро Фест? в апреле 2003 г. Но для фотографирования планет нет необходимости в подобной доработке, поскольку времена экспозиции при такой съемке невелики. На рисунке 2 показаны камера с переходником и линза Барлоу, на фоне ноутбука, с которым обычно производилась съемка.
Для получения высококачественных изображений планет зарубежные любители астрономии используют, как правило, телескопы диаметром 250 — 400 мм. К сожалению, в распоряжении участников группы «Марс-Патруль» подобного инструмента на тот момент не оказалось. В результате, основным рабочим инструментом нашей программы стал телескоп Интес МК-67 (Максутов-Кассегрен, D = 150 мм, F = 1800мм, A = 12), принадлежащий А. Остапенко. Для согласование с Web-камерой была применена двукратная линза Барлоу, что позволило получить эквивалентное относительное фокусное расстояние A = 24. Телескоп обладает оптикой весьма высокого качества и достаточно мобилен, что позволило использовать его как с балкона городской квартиры, так и в полевых условиях:
Продолжение: 4. Детали процесса съемки