W astrofotografii, podobnie jak w fotografii konwencjonalnej, to co robimy, to uchwycenie światła w określonym momencie i utrwalenie go za pomocą naszego sprzętu fotograficznego. Dawniej przy użyciu różnych chemikaliów, folii i papierów, a obecnie przy użyciu czujników krzemowych o wysokiej rozdzielczości i dużej zdolności do zbierania światła. Aby właściwie mówić o filtrach w astrofotografii, konieczne jest, abyśmy najpierw porozmawiali o świetle, ponieważ rozumiejąc jego zasady, możemy lepiej zrozumieć, jak działają filtry.
Światło
Światło, tak jak je dzisiaj wiemy, jest kombinacją fala-cząstka czyli ma budowę korpuskularno-falową (wytłumaczenie tego tutaj jest nieco skomplikowane, a moja wiedza z zakresu fizyki kwantowej nie jest tak dobra, jak bym chciał, ale aby to naprawić, mamy Wikipedię). Składa się z „cząstek” zwanych fotonami, które zachowują się jak fala elektromagnetyczna poruszająca się z prędkością światła.
Widoczne widmo
W zależności od częstotliwości fali elektromagnetycznej wiązki światła możemy ją zlokalizować wśród widma elektromagnetycznego. Tylko niewielka część widma elektromagnetycznego jest widoczna dla ludzi, zdefiniowana między długościami fal od 380 nm do 780 nm i nazywana Widmem Widocznym.
Reszta widma elektromagnetycznego
Istnieje jednak wiele częstotliwości widma elektromagnetycznego, które nie są widoczne dla ludzi, chociaż wielu z nas używa ich prawie codziennie.
Długości fal poniżej 380 nm należą do ultrafioletu (jak sama nazwa wskazuje, są to fale poza fioletem). W tej części widma znajdują się promienie UV (które otrzymujemy w niewielkich ilościach z naszego Słońca osłabionego warstwą ozonową), promienie rentgenowskie (wykorzystywane w medycznych technikach diagnostyki radiologicznej) oraz promienie gamma (wybuchy kosmiczne emitują promieniowanie w tej części widma). Wszystkie są promieniami o wysokiej energii, zdolnymi do jonizacji materii i rozrywania wiązań chemicznych, co czyni je niebezpiecznymi dla życia. Długości fal większe niż 780 nm są znane jako podczerwień. Oto fale podczerwone (promieniowanie cieplne z naszego ciała jest emitowane w dużej mierze na tej częstotliwości), mikrofale (które prawie każdy z nas używa do szybkiego podgrzania jedzenia) i fale radiowe (mobilne we wszystkich pasmach, WiFi, częstotliwość radiowa do otwierania garażu, radio, którego słuchamy w samochodzie i wiele innych przykładów).
Wiedząc, jak działają filtry
Teraz, gdy wiemy, jak zachowuje się światło, możemy sobie wyobrazić, jak działa filtr. Zasadniczo, gdy światło przechodzi przez filtr, pewne długości fal są tłumione lub blokowane, podczas gdy inne przechodzą. Zwykle osiąga się to przez powlekanie szkieł filtrujących różnymi pierwiastkami chemicznymi, które blokują niepożądane długości fal.
Dlaczego mielibyśmy chcieć używać filtrów w astrografii?
Filtry są bardzo przydatne w fotografii cyfrowej, a zwłaszcza w astrofotografii. W astrofotografii naukowej wymagane jest wyizolowanie określonych długości fal w celu przeprowadzenia określonych badań lub wyeliminowanie sygnałów, które zakłócają sygnały, które naprawdę chcemy badać. W astrofotografii amatorskiej najczęstszym problemem rozwiązywanym przez filtry jest utrzymanie zanieczyszczenia świetlnego z dala od naszych obrazów, chociaż są one również często używane do izolowania pewnych długości fal w celu ich oddzielnego przetwarzania na zdjęciach, jak ma to miejsce w przypadku wodoru alfa (H-alfa ) emisje.
Promieniowanie podczerwone jest również szczególnie „szkodliwe” dla naszych obrazów. Gwiazdy emitują promieniowanie podczerwone, które powoduje, że wychwytują je znacznie “grubsze” niż to, co widzimy gołym okiem. Efekt ten jest powszechnie nazywany „wzdęciem gwiazd” i można go złagodzić za pomocą filtrów blokujących promieniowanie podczerwone.
Filtry w aparatach cyfrowych
Jeśli korzystałeś z kompaktowego aparatu cyfrowego, lustrzanki cyfrowej lub aparatu w smartfonie, używałeś filtrów i prawdopodobnie nawet o tym nie wiedząc. Aparaty cyfrowe wykorzystują czujniki krzemowe (matryce) z milionami maleńkich detektorów fotonów. Kiedy robimy zdjęcie i otwieramy migawkę, czujnik zlicza liczbę fotonów, które do niego docierają w każdym detektorze i dodaje je do swojej pamięci wewnętrznej. Zamykając migawkę i kończąc przechwytywanie, aparat przekształca te zliczenia fotonów na wartości w matrycy, która buduje ostateczny obraz, który otrzymujemy. W procesie jest o wiele więcej etapów i wiele elementów i czynników, których nie wprowadziłem, aby ułatwić zrozumienie pojęcia.
Kamery monochromatyczne rejestrują tylko natężenie światła w każdym pikselu bez uzyskiwania informacji o długości fali wykrywanych fotonów. Oznacza to, że odrzucają część informacji o obrazie, więc nie mogą samodzielnie uzyskać informacji o kolorze. Jednak za pomocą filtrów możemy łatwo uzyskać informacje o kolorze.
Kolor w fotografii cyfrowej
W fotografii cyfrowej wykorzystuje się addytywną właściwość kolorów tak, że przy użyciu tylko trzech kolorów możemy uzyskać wszystkie pozostałe. Te kolory są podstawowymi kolorami w systemie dodatków światła i są to kolory czerwony, zielony i niebieski, które są zwykle nazywane RGB.
Zasada ta jest stosowana w telewizorach kolorowych, projektorach, ekranach smartfonów i oczywiście w czujnikach kamer cyfrowych.
Kamery kolorowe lub aparaty OSC (One Shot Color) i lustrzanki cyfrowe już zawierają sposób na uchwycenie koloru. Czujnik aparatu jest pokryty mikroskopijnymi filtrami RGB, które tworzą wzór na kolektorach światła czujnika. Ten wzór nazywa się Bayer Matrix lub Bayer Mosaic, wynaleziony przez Bryce’a Bayera, pracującego w firmie Kodak.
Macierz Bayera
Zasada działania tej matrycy polega na tym, że każdy piksel uzyskuje wartość dla koloru wzoru, a następnie za pomocą algorytmu interpolacji określa, jaki kolor powinien mieć dany piksel na podstawie wartości jego samego i sąsiednich pikseli. Można powiedzieć, że kamera kolorowa to kamera z filtrem i z tego powodu są one zwykle mniej czułe niż kamery czarno-białe. Ponadto kamery kolorowe posiadają filtr, który zapobiega wykryciu promieniowania podczerwonego przez czujnik. Problem z tym filtrem polega na tym, że filtruje on znaczną część sygnału czerwonej i bliskiej podczerwieni z obrazu, który emituje wiele obiektów z nieba. Dlatego bardzo często astrofotografowie „astrokonwertują” swój aparat, aby usunąć ten filtr i zastąpić go bardziej odpowiednim lub po prostu całkowicie go usunąć.
Rodzaje filtrów astronomicznych
Chociaż istnieje wiele różnych filtrów astronomicznych, wymienię tylko najczęściej używane filtry w astronomii amatorskiej i ich zastosowania. Istnieje wiele z nich odpowiednich do wszelkiego rodzaju zastosowań.
Filtry stosowane w aparatach monochromatycznych
Filtr luminancji : Filtr używany do uzyskania najwyższego możliwego sygnału monochromatycznego na fotografowanym obiekcie. W rzeczywistości jest to filtr, który przepuszcza tylko widmo widzialne i blokuje podczerwień i ultrafiolet.
Filtry RGB : Są to trzy filtry, które pozwalają na niezależne przepuszczanie tylko częstotliwości czerwonej, zielonej i niebieskiej. Połączone zastosowanie tych filtrów wraz z sygnałem uzyskanym za pomocą filtru luminancji pozwala na uzyskanie kolorowych obrazów za pomocą kamer monochromatycznych.
Filtry RGB nie mają sensu w przypadku kamery kolorowej, ponieważ zawierają je w matrycy Bayera, a dwukrotne filtrowanie koloru spowoduje utratę sygnału. Jednak filtr luminancji zapobiega wzdęciom gwiazd poprzez blokowanie promieniowania podczerwonego i jest również stosowany w kamerach kolorowych, które nie zawierają filtra podczerwieni.
Filtry wąskopasmowe
Filtry wąskopasmowe, jak sama nazwa wskazuje, przepuszczają tylko niewielką część widma. Wiele obiektów głębokiego nieba emituje w seriach długości fal interesujących astronomów, dlatego dla tych częstotliwości stworzono specjalne filtry, aby odizolować te sygnały i przetwarzać je oddzielnie. Najczęstsze to:
Filtr H-alfa :
Filtr H-Alpha blokuje wszystkie emisje z wyjątkiem obszarów w pobliżu widma przy 656,28 nm. Ta szczególna częstotliwość jest emitowana przez zawartość zjonizowanego wodoru w chmurach gazowych w kosmosie. Jest również szeroko stosowany w astronomii słonecznej w połączeniu z filtrem podczerwieni, aby zapobiec niszczeniu powłoki filtra H-Alpha przez promienie podczerwone.
Filtr OIII :
Filtr OIII lub Double Ionized Oxygen dopuszcza tylko długości fal od 500,7 nm do 495,9 nm, które odpowiadają kolorom turkusowym i cyjan. Są bardzo przydatne do obserwacji mgławic planetarnych i dyfuzyjnych, w których występują duże stężenia OIII.
Filtr SII :
Filtry zjonizowanej siarki umożliwiają przechodzenie światła między 671,7 nm a 673 nm emitowanego przez niektóre mgławice.
Te trzy filtry razem pozwalają na obróbkę obrazów za pomocą tzw. Hubble Palette, pozostawiając obrazy o aspekcie zbliżonym do zdjęć teleskopu kosmicznego. Filtry te mogą być używane zarówno w kamerach monochromatycznych, jak i kolorowych, ponieważ izolują bardzo wąskie długości fal.
Filtry do stosowania w kamerach kolorowych
Filtry IR/UV:
Zasadniczo jest to ten sam filtr luminancji, który jest używany w kamerach monochromatycznych, aby zapobiec rozbłyskiwaniu gwiazd na obrazie.
Filtry podwójne, potrójne, wąskopasmowe … :
Filtry podwójne, potrójne i inne filtry wąskopasmowe są przydatne w przypadku kamer kolorowych, ponieważ kombinację wąskopasmowych można uchwycić w jednym ujęciu. bez konieczności robienia każdego z osobna.
Filtry zanieczyszczeń świetlnych
Filtr CLS :
Filtry CLS lub „City Light Supression” to filtry, które częściowo blokują długości fal emitowanych przez najczęstsze światła w miastach, takie jak lampy sodowe. Obecnie istnieją filtry CLS, które blokują część emisji światła LED i innych źródeł niepożądanego oświetlenia.
CLS-CCD :
Ten typ filtra jest specyficzny dla kamer, które nie mają jeszcze filtrów IR/UV. Ten filtr łączy w sobie zdolność filtrowania podczerwieni i ultrafioletu z możliwością blokowania tych samych częstotliwości, co normalny filtr CLS.
Filtry wąskopasmowe:
Chociaż filtry wąskopasmowe nie są „per-se” filtrami zanieczyszczenia światłem, blokują zdecydowaną większość widma i dlatego mogą być używane do przechwytywania obrazów w miejscach silnie zanieczyszczonych światłem.
Wnioski
Istnieje wiele filtrów używanych w astronomii (zwłaszcza planetarnych) do konkretnych zastosowań, których nie uwzględniłem w tym opisie artykule, zwykle skupiam się na astrofotografii głębokiego nieba. Może w przyszłości mógłbym napisać więcej o konkretnych filtrach, ponieważ dowiem się o nich więcej i będę mógł je wypróbować i porównać efekty aby opisać ich zastosowanie na konkretnych przykładach.
Mam nadzieję, że ten artykuł rzucił trochę światła (ba-dum-tss) na temat filtrów, abyśmy mogli lepiej zrozumieć, które filtry nas interesują zgodnie z przeznaczeniem, jakie chcemy im nadać.