В астрофотографии активно используются светофильтры разных типов и для разных нужд. Начинающему сложно разобраться во всем этом разнообразии. Поэтому, поговорим о светофильтрах и о том, в каких случаях они применяются.
Назначение любого светофильтра - удалить какую-то специфическую часть спектра, выделив, тем самым, нужную.
Одними из самых частых в использовании являются фильты, позволяющие блокировать световое загрязнение. Мало кому доступно очень темное небо - для этого нужно уехать на сотню и более километров от населенных пунктов. Поэтому, световое загрязнение - неотъемлемый атрибут съемки. Большинство источников света, создающих световое загрязнение, имеют характерный спектр. Если уменьшить фильтром интенсивность именно таких длин волн, то в кадр попадет меньше паразитного света, что благоприятно скажется на результате. Разница может быть весьма значительной. Ниже пример съемки Млечного Пути в зоне с сильной засветкой без фильтра и с фильтром от засветки.
Тут нужно понимать, что применение такого фильтра ограничивает свет не только от засветки, но и от самого снимаемого объекта. Т.е. это всегда приводит к цветовому искажению. Производители стараются подбирать такие характеристики фильтров, чтобы это было менее заметно. Но чудес не бывает и такое искажение есть всегда. Фильтры могут вырезать часть спектра менее или более агрессивно. Если вы ведете съемку из зоны с сильной засветкой, то и фильтр нужно подбирать такой, который вносит больше изменений.
С фильтрами от засветки нет общих рекомендаций. Тут придется подбирать свой вариант самостоятельно, ориентируясь на условия съемки. Для оценки темноты неба используется шкала Бортля. В ней самое засвеченное небо имеет индекс 9 (небо в городе), а самое темное небо имеет индекс 1. Есть много онлайн инструментов для этого (например, https://www.lightpollutionmap.info/). Чем хуже (светлее) небо, тем более агрессивный фильтр от засветки нужно использовать. У них немного разный спектр пропускания для блокировки разных комбинаций засветки. В основном, они вырезают часть желтого, в котором высвечивают натриевые лампы уличного освещения.
Перед тем, как продолжить разговор о фильтрах, стоит поговорить о свете, который до нас доходит от космических объектов. Выбор фильтров напрямую обусловлен спектром этого света. Т.е. от спектра самих объектов съемки.
Все DeepSky объекты можно разделить на объекты с широкополосным и узкополосным спектрами. В свете первой группы присутствуют почти все длины волн видимого диапазона. Это звездные поля, отражательные туманности и галактики.
Эмиссионные туманности относятся ко второй группе. Они содержат много газовых облаков, атомы которых при возбуждении излучают на строго определенных частотах (узкие эмиссионные полосы излучения).
Если вы снимаете на цветную камеру объект с широкополосным спектром, то ограничивать спектр нет особого смысла. Фильтр от засветки будет оптимальным вариантом. Если же у вас черно-белая камера, то для получения цветных изображений придется использовать красный, зеленый и синий фильтры. Сам процесс съемки усложняется (замена фильтров, флат-кадры для каждого фильтра), а при обработке придется потратить немного больше времени.
Основная проблема съемки через RGB фильтры не в дополнительных усилиях, а в засветке, о которой говорилось выше. Сама засветка почти всегда неравномерна. Представьте, что вы стоите в поле. Вокруг вас есть какие-то населенные пункты (или прочие источники света). Каждый такой источник засвечивает определенный участок неба. В течении ночи вы снимаете какой-то объект на небе. Но за это время он будет перемещаться (вращение земли) по небу, а засветка неба постоянна. Получается, что в разное время в кадре будет разный "узор" засветки. Потом вы стекируете исходные кадры для каждого фильтра. Но для каждого фильтра этот суммарный "узор" засветки будет разный. Это может добавить проблем при обработке. На цветной камере в каждом кадре сразу фиксируется три канала, поэтому суммарно для всех кадров "узор" засветки будет одинаков.
Ниже показана предполагаемая траектория объекта по небу за время съемки. Хорошо видно, что для разных фильтров засветка будет разной. В общем, при съемке на монохромную камеру через фильтры RGB эта проблема имеется.
В отличии от объектов с широкополосным спектром эмиссионные туманности излучают свет на определенных длинах волн. Больше всего во Вселенной водорода. Эмиссионные водородные туманности в видимом диапазоне излучают на двух основных линиях - линия Hα (656,28 нм) и линия Hβ (486,1 нм). Обычно, линия Hα на порядок ярче. В эмиссионных туманностях часто много дважды ионизированного кислорода, который тоже имеет в видимом диапазоне две близких к друг другу линии излучения OIII (495,9 нм и 500,7 нм). Так же, в видимом диапазоне высвечивает ионизированная сера SII (672 нм). Конечно, есть много других линий разных элементов (с разной ионизацией), но в видимом диапазоне эти четыре линии самые яркие.
Если использовать соответствующий узкополосный фильтр для выделения одной из этих линий, то можно получить очень контрасное изображение. Такие узкополосные фильтры используются с монохромными камерами. Допустим, вы хотите получить снимок в линии водорода Hα и используете соответствующий фильтр. У монохромной камеры все пиксели одинаковы и все будут задействованы при съемке. В цветной камере перед матрицей стоит фильтр Байера. Какие-то пиксели будут реагировать на красный свет, какие-то на синий, какие-то на зеленый. Если поставить перед цветной камерой узкополосный фильтр Hα, то будут работать только красные пиксели (посмотрите какого цвета эта линия на рисунке выше). Синие и зеленые пиксели не будут использоваться. Обычно в фильтре Байера один красный, два зеленых, и один синий пиксели (RGGB). Значит, на цветной камере с фильтром Hα будет использоваться только четверть пикселей. Это нерационально. Поэтому, узкополосные фильтры с одной полосой пропускания используются только с монохромными камерами.
В последнее время на рынке появились узкополосные фильтры с двумя полосами пропускания. Это позволило использовать узкополосную съемку с цветными камерами. Допустим, фильтр пропускает линию Hα и линию OIII. Красные пиксели будут фиксировать линию Hα, а зеленые и синие пиксели линию OIII (её цвет зелено синий). С таким двухдиапазонным фильтром (DualBand фильтр) используются все пиксели матрицы и накопление света идет быстрее. Полученное цветное изображение можно разделить на каналы. В канале R будет водород, а в каналан G и B кислород (30% + 70%). Есть двухдиапазонные фильтры с комбинацией Hα + SII и другие варианты.
Спектр пропускания двухдиапазонного фильтра выглядит так:
При выборе узкополосного фильтра следует обращать внимание на ширину полосы пропускания. Для визуальных наблюдений это окно может быть довольно широким. Для астрофотографии очень желательно использовать фильтры с полосой пропускания минимальной ширины (3-7 нанометров).
Так зачем при съемке выделять все эти узкие линии? Посмотрите на картинку ниже. Слева - RGB изображение участка галактики Андромеды. Справа та же картинка, но на неё наложено изображение, полученное через фильтр Hα. Сразу проявились области, где атомы водорода возбуждаются светом голубых гигантов. Это области активного звездообразования.
На фотографии ниже были использованы фильтры RGB+Hα+OIII. Кроме водородных облаков хорошо просматриваются области с ионизированным кислородом.
Линии Hα и SII расположены очень близко. Если снимать обычной цветной камерой, то их на снимке невозможно будет различить. Но если выполнять съемку с узкополосными фильтрами, то кадры с Hα и с SII можно разместить в разных каналах.
На фото ниже эмиссионная туманность Сердце, снятая в RGB. Основной компонент яркости приходится на линию Hα. Поэтому, все подобные туманности в розовом цвете. Небольшое количество кислорода (линия OIII) добавляет в центральной части зелено голубого, что в смеси с красным дает белесые участки.
Эмиссионные туманности часто снимают через DualBand фильтры Hα+OIII. Эти две линии составляют бОльшуя часть спектра эмисионных туманностей.
Та же туманность, но снятая через узкополосные фильтры SII, Hα и OIII. Кадр с серой добавлен в канал R, кадр с водородом в канал G, кадр с кислородом в канал B. Такой микс сокращенно называется SHO палитрой. Можно использовать другие палитры. Это вопрос художественного вкуса.
В лунно-планетной съемке используются свои специализированные фильтры. Например, чтобы снять хоть какие-то детали атмосферы Венеры, используют УФ фильтры. ИК фильтры позволяют избавиться от сильного контраста при съемке планет. Существуют отдельные фильтры для увеличения четкости при съемке Луны. Не буду развивать эту тему, т.к. не имею достаточного опыта лунно-планетной съемки.
Фильтры Hβ редко используются при съемке DeepSky объектов. Но зато незаменимы при при съемке Солца.
Съемка с узкополосными фильтрами дает еще один существенный бонус - почти полностью блокируется паразитная засветка неба.
Про установку фильтров. Есть разные способы. Это зависит от оборудования. Если объектив небольшой, то фильтр можно прикрепить непосредственно к нему. Мне не очень нравится этот вариант, т.к. фильтр остается открытым. Несмотря на современные покрытия, его легко повредить. На фильтр неминуемо прилипает пыль. Может осесть роса. Чистить его весьма сложно из-за хрупкости покрытия. Еще одна проблема - подобрать фильтры под диаметр объектива. Это самое печальное в такой схеме крепления.
Если в качестве камеры используется фотоаппарат, то подойдут клиповые фильтры. Они ставятся непосредственно перед матрицей и их конструкция, естественно, зависит от модели фотоаппарата. Тоже не самый удачный вариант. Установка фильтра требует некоторой сноровки и аккуратности. Если в домашних условиях это делается достаточно легко, то ночью в поле на съемке это будет определенно сложнее. И такой фильтр можно использовать только с конкретной моделью фотоаппарата.
В некоторых телескопах сразу предусмотрены узлы для размещения фильтров. И этот вариант не самый оптимальный. Обычно фильтр вкручивается в один из переходников перед блоком камеры. Для его замены нужно будет отключить блок камеры, вывинтить его, вывинтить фильтр, ввинтить новый фильтр, ввинтить блок камеры, подключить всё обратно. Пробовал - не понравилось.
Для упрощения операции замены фильтра применяются специальные чейнжеры. Обычно, это некий вращающийся элемент, в который установлено несколько фильтров. На фото ниже показано подобное устройство. В астрофотографии такие устройства часто автоматизированы (управление производится с компьютера), а корпус полность изолирует внутренности от внешнего паразитного света. Очень удобно. Нажал кнопку - фильтр поменялся. Из недостатков - габариты. Также, из-за массы устройства увеличивается нагрузка на фокусер. Слышал о случаях, когда стенки со временем немного деформировались, а это наклон матрицы со всеми вытекающими искажениями. В какой-то момент я отказался от такого чейнжера и перешел на вариант, описанный ниже.
Еще один способ менять фильры. Это специальный бокс, который вставляется в оптический тракт. В него вставляются держатели, на которых установлены нужные фильтры. Они на магнитах. Достаточно компактно. Небольшие габариты и масса.
Процедура замены фильтра очень проста. Нужно только позаботиться об удобном кейсе, где в оправках будут храниться фильтры.
И на последок фотография чейнжера фильтров телескопа имени Джеймса Уэбба. 18 разных фильтров. Обратите внимание - на всех фильтрах стоят маски по форме главного зеркала. Это чтобы никакого лишнего света не пропустить. Крутотень!
Надеюсь, что данная статья будет полезна для начинающих астрофотографов и позволит соориентироваться в теме светофильтров.
Темного вам неба!