Частина 12: Контроль за направленням під час довговічної експозиції
Слабкі об'єкти на небі потребують тривалого часу експозиції. Навіть у цифрову епоху фотографування замість однієї дуже довгої експозиції роблять кілька коротших експозицій, які потім об'єднуються за допомогою програмного забезпечення для обробки зображень, проте використання автоматичного керування астрономічним кріпленням під час роботи з довгими фокусними відстанями не є достатньо точним для надійного створення чітких фотографій.
Тоді під час експозицій необхідно контролювати рух кріплення та у необхідних випадках втручатись коригувально. Цей процес називається контролем за направленням або новим терміном "Guiding", а відповідна дія - «гайдінг». Якщо використовується спеціальна камера для цього процесу, її називають камерою контролю за направленням або "Автогайдером". Контроль за направленням стає необхідним, коли незважаючи на моторне керування кріпленням протягом бажаного часу експозиції зорі відображаються не точково, а трохи у вигляді ліній.
Причини цієї неточності можуть бути різноманітні:
• Механічне виконання кріплення не відповідає вимогам
• Кріплення не правильно налаштоване (див. частину 9 уроку "Астро- та небесна фотографія" (обробка астрономічного кріплення)
• Швидкість моторної наведення не відповідає точно швидкості видимого обертання небес
• Призмовий ефект зволоженого повітря (атмосферна рефракція) зумовлює те, що зорі не стоять точно там, де вони повинні бути
• Рухи в системі, наприклад, легке нахилень окулярного виносу під час експозиції
• Періодична помилка в шнековій передачі, яку кожна приводна шнека виробляє протягом обертання
• Нерівномірність кільця, яке приводиться в рух шнекою
Хоча багато пунктів можна вплинути самостійно шляхом ретельної підготовки, принаймні дві останні згадані проблеми лишаються проблематичними. Будь-яка механіка, навіть найкраща та відповідно дороговата, матиме найменші відхилення від ідеального стану, що раніше чи пізніше вплине на довго експоновані фотографії. Простий розрахунок показує, яку точність наведення теоретично необхідно досягти.
Нехай, як приклад узяти телескоп з фокусною відстанню 1500 мм, до якого підключена цифрова дзеркальна камера. Розмір пікселя датчика вважаємо рівним 5,7 мікрометра, тобто 5,7 тисячних частин міліметра, що відповідає значенню, наприклад, для Canon EOS 400D або EOS 1000D. Припустимо далі, що турбуленція повітря відхиляє місцезнаходження зірки на 4 багатосекундному відрізку, що відповідає добрим умовам у німецьких географічних широтах.
Це означає, що під час часу експонування проходженням повітря кожна зірка утворює круглик з діаметром у 4 багатосекунди. Отже, ми не зможемо відобразити зорі гостріше.
Тепер необхідно обчислити, який кут утворює піксель датчика зйомки. Це відбувається за допомогою наступної формули.
Формула для вирахування кута зображення альфа. У цьому випадку "L" - довжина сторони пікселя, а "f" - фокусна відстань. Обидва значення повинні бути вказані в одиницях виміру (тут метрах).
Масштаб зображення складає 0,8 багатосекунд на піксель. Таким чином круглик зоряної плями матиме діаметр 5 пікселів (еквівалентно 4 багатосекундам) на датчику. Тепер ми встановимо толерантність, яку ми готові допустити, перш ніж буде вважатися, що відбувається легке відображення плями зорі. Я пропоную, що відхилення на 20 відсотків все ще буде прийнятним. Все, що перевищує ці 20%, буде вважатися нечіткістю. Ця толерантність є відносно щедрим компромісом.
Ліворуч ідеальне зображення зорі при оптимальному наведенні. Справа зірка, яка трохи спотворена, а довша вісь перевищує коротку на 20 процентів.
Під час зображення зорі з діаметром п'ять пікселів 20 відсотків відповідають одному пікселю толерантності. Це означає, що в ході часу експозиції направлення повинно відхилятися від ідеального стану всього на 0,8 багатосекунд. 0,8 багатосекунд - це 2,2 десятитисячі градуса (на згадку: Повний місяць має приблизно 0,5 градуса видимого діаметра!). Цей розрахунок може уточнити, яке викликання становить контроль направлення з великими фокусними відстанями та підкреслити необхідність контролю направлення.
Контроль направлення на практиці
Як уже зазначено, існують два основних методи контролю направлення: ручний і за допомогою автогідера.
1. Ручний контроль направлення
Під час ручного контролю направлення використовується окуляр з перекладинами, в середині якого позиціонується зірка. Протягом всього часу експозиції спостерігач тримає "керівну зірку" в полі зору та відслідковує, щоб вона не зміщувалась з центру перекладини. Якщо виявлено зміщення, то зірку негайно повертають у вказане положення за допомогою кнопок керування кріпленням. 
Під час ручного контролю направлення фотограф контролює рух кріплення, спостерігаючи зірку в окулярі з перекладинами під час зйомки. За допомогою коробки ручного керування кріпленням можна втручатися коригувально.
Якщо головний телескоп використовується як оптика для зйомки, додатковий телескоп повинен бути встановлений для контролю направлення, який називається "вести телескопом" або просто "течей". "Течє" встановлюється разом із головним телескопом на одній й тій же кріпленні і більш або менш паралельно. Абсолютна паралельність не обов'язкова. Наспроти, багато "течей" закріплені у так званих кріпильних скобах для течів на головному телескопі, які закріплюють течей у двох скобах за допомогою трьох ручних гвинтів. Шляхом регулювання ручних гвинтів "тече" можна рухати у визначених межах в порівнянні із головним телескопом. Мета такого розташування полягає в забезпеченні знайдення завжди досить яскравої "керівної зірки", оскільки не кожне небесне об'єкт містить у зображенні яскраву зірку.
Пара кріпильних скоб для течів (червоні стрілки), закручених на головний телескоп, дають течі можливість рухатися, щоб поцілити на яскравішу керівну зірку. В кожній скобі передбачено три ручні гвинти, які зафіксовують "тече" в будь-якому положенні. Якщо один з ручних гвинтів розпущений, інший повинен бути заведений, щоб запобігти кошикі.
Для ручного керування післярейковим контролем вам знадобиться наступне:
• a) Керівний телескоп
Якість зображення не відіграє великої ролі, тому підходить навіть недорогий телескоп як керівне телескоп. Важливо, щоб фокусна відстань не була занадто короткою. У ідеалі фокусна відстань керівного телескопа повинна становити удвічі більше фокусної відстані об'єктива. За допомогою барловської лінзи (оптична система схожа на телеконвертер) можна збільшити ефективну фокусну відстань керівного телескопа. Висувний механізм керівного телескопа повинен бути стійким і не повинен тремтіти, оскільки в іншому випадку потрібну точність післярейкового керування не можна досягти.
• b) Віяльно-прядковий окуляр
Прості моделі мають два нитки під кутом 90 градусів; для керування післярейковим важливі моделі з подвійним віяльно-прядковим, в яких керівна зірка в центральному положенні не приховується за нитками. Обов'язково перевірте, чи можна його підсвітити. Це означає, що віяльне прядиво освітлюється через червоний світлодіод, який живиться від батарейок, що дозволяє його бачити навіть на темному нічному небі. Зазвичай система підсвічування може регулюватися.
У віяльно-прядковому окулярі (ліворуч) керівна зірка покривається прядкою. Окуляр з подвійним віяльно-прядковим (праворуч) уникне цієї ситуації.
Віяльно-прядковий окуляр з регульованою підсвічуванням (червона стрілка). Гальванічні батарейки всередині живлять червоний світлодіод з необхідною напругою:
• c) Варіант монтажу для керівного телескопа
Керівний телескоп повинен бути закріплений на основному телескопі якнайстійкіше. Відвороти під час часу експозиції порушили б післярейкове керування. Елегантним рішенням є згадані вище кільця для кріплення керівного телескопа. Порядок дій: Спочатку головний телескоп з підключеною камерою вирішується на небесний мотив. За необхідності шляхом обертання камери у витяжці ок. Оптимізується бажаний ракурс зображення. Тепер необхідні налаштування на камері. Далі здійснюється фокусування, для якого за необхідності слід перейти на яскраву зірку поблизу обраного куска неба.
Після фокусування знову перевіряється ракурс зображення, що полегшується дослідженням з допомогою випробовувальної експозиції з можливою тривалістю експозиції однієї хвилини, без використання післярейкового керування. Лише після цього керівний телескоп разом з віяльно-прядковим окуляром пересувається в коліна свого кільця для керівного телескопа, поки достатньо яскрава зірка не стоїть в центрі віяльно-прядкового перехрестя. Тепер віяльно-прядковий окуляр в своїй оболонці треба обертати до відповідності напрямку руху двох осей монтажу (годинної і деклінаційної осей). Для цього швидкість руху двигунів на управлінні встановлюється приблизно в 16 разів більше швидкості і підвищено вчиняється монтаж навколо годинної осі. Окуляр має обертати до тих пір, поки керівна зірка не рухатиметься вздовж нитки у віяльно-прядковому перехресті.
Перегляд через віяльно-прядковий окуляр з керівною зіркою (ліворуч). Напрямок руху монтажних осей позначений гелевими стрілками. Обертання окуляра у витяжці допомагає досягти відповідності напрямку руху з віяльним перехрестям (праворуч).
За допомогою моторів монтажу керівна зірка переноситься на центр віяльно-прядкового перехрестя, і потім швидкість моторів знижується знову до прозорих (1х) або половинного (0,5х) зіркового руху. Потім вам слід точно запам'ятати, яку кнопку на управлінні натискати, щоб зоря рухалася вліво, вправо, вгору та вниз, щоб в момент виникнення відхилень керівної зірки з центру віяльно-прядкового негайно і цілеспрямовано їх компенсувати. Після короткого тренувального періоду цей стан буде досягнутий. Потім все готово: Експозиція розпочинається. Після відкриття затвору камери керівну зірку слід постійно спостерігати.
Якщо вона виходить з центру віяльно-прядкового перехрестя, негайно натискайте правильну кнопку управління, щоб повернути її до центру. У випадку монтажів з хорошими показниками післярейкового керування може трапитися так, що коригуючі рухи будуть потрібні лише рідко, в монтажах з відносно неточним приводом можливо потрібні корекції в інтервалі всього кількох секунд. Тоді ручне керування післярейковим керуванням перетворюється на роботу, яка потребує високого рівня концентрації на тривалий час.
Чотири вирішальні кнопки на управлінні монтажем для ручного керування післярейковим контролем. За допомогою них зірка в окунє у віяльному окулярі в будь-якому напрямку для компенсації виявлених відхилень керівної зірки.
Завдяки високому збільшенню віяльно-прядкового окуляру та довгій фокусній відстані керівного телескопа навіть найменші відхилання від ідеального стану стають помітні, перш ніж вони призведуть до відображення зірки у вигляді смужки на знімку. Тобто не кожне невелике відхилення керівної зірки від центральної позиції у віяльно-прядковому перехресті негайно зіпсує фото. Однак, звичайно, розумно відразу вирішувати будь-які виявлені неточності коригуючими рухами. Тільки після завершення експозиції можна завершити післярейкове керування.
Якщо планується зробити декілька знімків, між експозиціями можна встановити коротку паузу для відпочинку очей. З деякою практикою та досвідом через ручне керування післярейковим керуванням вдасться зробити тривалі експозиції, підключивши камеру до телескопа з довгою фокусною відстанню. Практично неминуча неточність ходу монтажів під час моторного керування компенсується технікою ручного керування післярейковим керуванням, так що в ідеальних умовах зорі на фото будуть докладно відображені в точковій формі. Максимальна але практично цікава тривалість експозиції при використанні цифрових дзеркальних камер становить приблизно 15-20 хвилин, залежно від моделі камери. Ручне керування післярейковим впродовж такого часу може бути важким завданням. Тому слід дбати про комфортний кут огляду в віяльно-прядковому окулярі та приємну висоту огляду, якщо це можливо. Для багатьох об'єктів неба одного знімку з максимальною експозицією недостатньо. Тоді потрібно зробити кілька фотографій, які потім додаються (див. ч. 16 серії "Астро- і небесної фотографії": "Управління електронним зображенням шуму").
Підказка: Спеціалізовані магазини пропонують як альтернативу керівному телескопові так звані офф-аксисні керівники. Ці пристрої встановлюються між телескопом і камерою і містять невелике дзеркало, яке прокидає світло зірки далеко від оптичної вісі, поза зоровим полем камери, під кутом 90 градусів. Теоретично завдяки цьому можна використовувати основний телескоп як керівний телескоп під час експозиції. На жаль, якість зображення більшості телескопів далеко від вісі виявляється досить поганою, тому чистий зображення керівної зірки не видно. Крім того, пошук кері
2. Автоматичний контроль за настеженням
Насправді, ручний контроль за настеженням - це досить монотонна робота. Швидко виникає переконання, що цю діяльність можна автоматизувати за допомогою технічних інструментів. Хороша новина полягає в тому, що це працює, а саме за допомогою спеціальних цифрових камер, які називаються "автодиректорами". Погана новина полягає в тому, що у сфері автодиректування не існують рішення типу "вставка і використання", тобто просте підключення та підключення кабелів недостатньо, щоб директор виконував те, чого від нього очікується.
У точковому директуванні крест драбинчатого окуляра замінюється автодиректором.
Потрібно буде врахувати початковий етап, коли ще не створюються астрофото, але директор має бути налаштований на роботу з використаною монтуванням. Без досвіду для цього може знадобитися досить багато годин або навіть ночей! Технічно процес директування працює наступним чином: як директор використовується спеціальна цифрова камера або відео- чи веб-камера. Сенсор цих камер, як правило, дуже малий, а кількість пікселів низька. На сенсор директора проектується зірка, позицію якої визначає програмне забезпечення. Сенсор директора періодично вибирається в коротких інтервалах, і позиція зірки знову вимірюється.
Якщо направляюча зірка відхиляється від своєї початкової позиції, програмне забезпечення може вмикати протимотори монтажу та відводити зірку назад до своєї бажаної позиції. Для цього необхідно підключити директора або комп'ютерний контролер крізь кабель до керування монтуванням. Керування монтуванням, з свого боку, повинно мати інтерфейс директора, тобто можливість підключення.
Приклад підключення (схематично). Цифрова дзеркально-відеокамера підключена до ПК за допомогою USB-кабеля (темно-червоний, 2). Для передачі зображення автодиректор використовує ще один порт USB ПК (синій, 3). Для виконання корекційних рухів монтажу контрольної програми керування необхідний ще один кабель (червоний, 1), у цьому випадку серійний зв'язок (COM1). Оскільки сучасні ноутбуки часто не мають серійного порту, може допомогти адаптер USB-серійний. Залежно від використовуваного монтажу та директора підключення може відрізнятися від цієї схеми.
Те, що у теорії здається досить тривіальним, на практиці виявляється досить складним завданням. Це починається з того, що інтерфейси директора не є стандартизованими і спочатку потрібно переконатися, що є наявним підходящий кабель. Також розташування контактів не є фіксованим, однаковим є сумісність з директором "SBIG ST-4", позначений, наприклад, як "інтерфейс директора, сумісний зі ST-4".
Інтерфейс директора монтування (справа) з відповідним кабелем для директора (зліва).
Цей контролер (ліворуч) має зовсім інший роз'єм для підключення директора, тому також потрібен інший кабель (праворуч):
"Автодиректори автономного типу", тобто пристрої, які працюють без підключеного комп'ютера, майже не продаються на ринку. Зазвичай такий пристрій можливо використовувати лише з комп'ютером (на місці - з ноутбуком). Налаштування включає такі кроки:
а) Знаходження направляючої зірки в лейт-трубі і приведення її до центру поля з видимістю за допомогою креста драбинчастого окуляра.
б) Встановити директора замість креста драбинчастого окуляра.
Тут призначений директор "Lunar-Planetary-Imager" від Meade. Для розширення фокусної відстані лейт-та барлова лінза використовується з п'ятикратним збільшенням.
в) Достосування фокусування направляючої зірки за допомогою програмного забезпечення директора на ноутбуці.
г) Вибір низької швидкості руху моторів на керуванні монтуванням (наприклад, швидкість одного руху зірки).
д) Розташування направляючої зірки приблизно в центрі поля зображення.
е) Запуск "процедури калібрування" програмного забезпечення директування, яка рухає мотори монтування в усіх напрямках, виявляє напрям руху направляючої зірки та "вчиться" тим самим, яким чином треба керувати монтажем, щоб змінювати направлення направляючої зірки у бажаний спосіб.
Відображення програмного забезпечення "MaxIm DSLR" (http://www.cyanogen.com) під час процедури калібрування. Перед початком зображення зірки знаходилося в позиції, позначеній лівим зеленим стрілками. Під час калібрування обидва вісі монтування рухаються послідовно один після одного (сині стрілки) та назад. Після цього зірка знаходиться більш-менш у своєму першоначальному місці (права зелена стрілка). Те, що вона вкладена не точно на початковому місці, пов'язується з мертвою зоною редукторів («гратчасті грати»). Після калібрування програмне забезпечення "знає", які рухи виконувати, щоб змінювати направлення направляючої зірки в бажаний спосіб.
ж) Запуск функції автодиректування: Якщо усі кроки виконані правильно, директор автоматично виконує фотозйомку одне за одним в швидкій послідовності, в залежності від обраного часу експозиції. Оптимальний час експозиції становить від двох до п'яти секунд і зосереджений, перш за все, на яскравості направляючої зірки.
Він не повинен бути перенасичений, щоб уникнути того, щоб сенсор директора в зоні зірки перегрівався. З іншого боку, він повинен бути достатньо яскравим, щоб програмне забезпечення могло точно визначити його позицію.
Занадто короткий час експозиції створює ризик того, що через внутрішнє турбуленція повітря направляючий зірку зміщується і директор намагається слідувати за цим "шалапуттям". Занадто довгий час експозиції позбавляє можливості директору швидко реагувати на раптове нестачання точності монтування.
Після кожної окремої фотозйомки програмне забезпечення визначає положення направляючої зірки з субпіксельною точністю і може реагувати на найменші відхилення від вказаної позиції. Тому для автодиректування достатньо лейт-труби з меншою фокусною відстанню. Якщо у лейт-трубі половина фокусної відстані головного телескопа, то цього виявиться достатньо при оптимальному функціонуванні директора.
Якщо програмне забезпечення встановлює дрейф направляючої зірки, воно керує цим за допомогою приводних моторів монтування в протилежному напрямку та компенсує неточність настеження. Після запуску функції директування системі слід дати близько хвилини часу для досягнення стабільного стану.
Під час спостереження відслідковується відображення, яке показує відхилення напрямку зірки-лідера або у вигляді послідовності чисел, або графічно. Якщо відхилення знаходяться в очікуваному діапазоні, можна почати експозиції.
Екранне відображення програмного забезпечення MaxIm під час ведення. В правому верхньому куті відображається поточне зображення захопленої зірки-лідера з сітчастою сіткою. Нижче граф показує виявлені відхилення зірки-лідера від своєї позиції кожною з координатних вісей.
На жаль, у рамках посібника неможливо скласти ще більш точний посібник крок за кроком, оскільки конкретні камери автономного ведення відрізняються досить суттєво у деталях відповідно до використаної камери автоведення. Тому потрібно звернутися до посібника з експлуатації відповідних моделей камер.
Однак декілька загальних порад для успішного автоведення:
a) Багато камер для автоведення працюють тільки або принаймні краще, коли їх встановлюють так, щоб напрямок руху осей підвіски узгоджувався з рядами та стовпцями пікселів.
b) Пункт калібрування, перерахований у вищеперерахованому списку під f, повинно бути повторено, коли телескоп повернуто на іншу область неба.
c) У багатьох випадках у програмному забезпеченні потрібно встановити, скільки секунд під час калібрувального переходу має рухати вісь ведення автоведення, перш ніж позиція зірки-лідера буде знову визначена. Цей проміжок часу повинен бути розрахований так, щоб зірка з одного боку не покидала площу сенсора, а з іншого боку зазнавала достатньо сильних змін позицій, щоб програмне забезпечення могло однозначно визначити напрямок, і можливе гри зазубріння в підвісці не мали великого впливу. В ідеальному випадку зірка-лідер під час калібрування повинна бути переміщена з середини сенсора близько до краю сенсора.
За допомогою двох полів „Час калібрування“ визначають в MaxIm, скільки секунд програмне забезпечення під час калібрувального проходження органів підвіски пропускає:
d) Керуюче програмне забезпечення багатьох автоведущих включає кілька параметрів для оптимізації ведення. Важливий аспект — „агресивність“. Вона визначає, чи вже в наступному кроці намагається відновити позицію зірки-лідера, яка скинула або чи програмне забезпечення повинно намагатися наблизитися до цільового значення у менших кроках. З високо встановленою агресивністю може статися таке, що система розбурхується і зірка-лідер постійно коливається навколо цільового значення через перекоси. Якщо вона занадто низька, постійний дрейф в одному напрямку майже не компенсується. Тобто тут слід знайти середнє значення на основі практичного досвіду, що залежить від властивостей використовуваної підвіски і фокусної відстані лідерського труби.
Налаштування „агресивності“ в модулі ведення MaxIm. Значення „8“ означає, що відхилення зірки-лідера від цільової позиції вже у наступному кроці коригується на 80 відсотків. Сто відсотків корекції часто призводить до розгойдування системи.
Які камери підходять для автоведення?
Той, хто шукає автономний автоведучий, який працює без підключеного комп'ютера, має для нового пристрою фактично тільки один варіант: Baader LVI-SmartGuider, http://www.baader-planetarium.de/sektion/s21/s21.htm.
„LVI SmartGuider“ - це автономний ведучий“, який не потребує ПК/ноутбука для роботи.
Важливо зазначити, що це нововведений продукт і поки що не існує підтверджених практичних досвідів. На даний момент я не можу радити або відганяти від цього пристрою.
Нижче перераховуються кілька автоведучих, які вимагають ПК для роботи:
Alccd ALccd 5 Autoguider http://www.astrolumina.de
Imaging Source: DMK 21AU04.AS та інші моделі, відеомодулі http://www.astronomycameras.com.
Відеокамера DMK від ImagingSource. У комплекті для астрофотографів є адаптер для телескопа (в правому верхньому куті), однак відсутня програма для використання камери як автоведучого.
SBIG ST-402ME: Камера із ПЗ CCD http://www.sbig.de
Meade DSI 2 Deep Sky Камера,
CCD-камера, різні моделі http://www.meade.de
„Deep Sky Imager PRO II“ від Meade - це CCD-камера для астрознімків, проте її сенсор у порівнянні з дзеркальною бездзеркальною камерою малий. Хто хоче використовувати її як автоведуть, може радіти, оскільки необхідне програмне забезпечення включено до поставки.
Перед придбанням однієї з цих камер необхідно визначити, які кабелі та, головне, яке програмне забезпечення, може бути додатково необхідним для використання їх як автоведучих. Як перевага цих камер слід відзначити, що вони можуть служити не лише як автоведучі, але й як камери, переважно для фотографування планет (див. випуск № 14 серії „Астро- та небесна фотографія“: „Знімання планет за допомогою веб-камери“), хорошу службу.
Класичні автономні автоведучі моделі - моделі SBIG ST-4 та SBIG ST-V, які, на жаль, більше не виробляються. Як б/у обидва можуть бути рекомендовані без обмежень!
Тільки як б/у: SBIG ST-4, старий, але працьовитий робочий конь серед автономних автоведучих. Шестизначний дисплей - це сухе користувацьке інтерфейс, який початково вимагає звикання.
Прикладні зйомки
Щоб запечатліти кулястий зоряний скупчення "Мессьє 13" в сузір'ї Геркулеса на матриці Canon EOS 450D повністю у форматі, знадобилося шість метрів фокусної відстані. 10 хвилин знімали при ISO 400. Наведення здійснювалося за допомогою зорового трубка та камери автоматичного наведення SBIG ST-4.
Це фото Туманності Оріона було зроблене за допомогою модифікованої для астрозйомки камери Canon EOS 400D. Загальний час експозиції склав півтори години при ISO 800. Фокусна відстань становила 600 міліметрів при діафрагмі 1:6,0. Замість зорового трубка було використано 300-міліметровий фотооб'єктив, до якого можна було підключити камеру автоматичного наведення SBIG ST-4.
Це зображення Галактики Андромеди також було зняте на модифікованій камері EOS 400D. Оптика зйомки - лінзовий телескоп лише з 60 міліметрами діаметру та 350 міліметрами фокусної відстані. 1 годину 40 хвилин знімали при ISO 400. У відсутності автонаведення використовувалось керівництво по плавному перенаправленню за допомогою зорового трубка з сітчастим перехрестям.
