高倍天文攝影 (經驗談)
本帖最後由 mca 於 2010-5-2 11:25 編輯--- 每吋放大率 Power per Inch ---
不要單看望遠鏡的口徑，更重要是每吋口徑的放大能力，好的鏡即使放大至每吋 100X 也不會慘淡收場。遇過而真正達到每吋 100X 的有 高橋產品、Royce 10 吋 f/6 和 12.5 吋 f/6 反射鏡、Orion 6 吋 f/8 牛頓鏡 (中國制造)、William Optics 7 cm 短身 APO (唐國華先生的那一支，中國制造，比 Meade ETX-90 Maksutov 稍勝)。通常較準後的折反射鏡可達每吋 ~ 50X 水準，平價小鏡和看深空天體的大口徑f/4 ~ f/5 反射鏡又差些，往往未夠 50X / inch 已出現色散、像散、對焦不肯定等情況，用家收不收貨依用途及經費而異，以經驗談，用這些鏡看深空天體、太陽、掩星和中低倍攝影還可以，高倍攝影難達筆者的要求 (例如要三吋大的哥白尼環形山或木星像)。
--- 格速 Frames per Second (fps) ---
一部 USB 2.0 或 Firewire 接口的 CCD 相機，最高可用的數碼傳送速度是 450 M bits/sec 左右，一組 8-bit RGB pixels 已用去 8 x 3 = 24 bits 了，若以 60 fps 計，640 x 480 pixels 需要 24 x 60 x 640 x 480 = 442 M bits /sec，所以理論上 60 fps 只能應付 640 x 480 pixels，30 fps 只到 1024 x 768 pixels，15 fps 只到 1280 x 960 pixels。假如廣告說某 USB 2.0 相機是 60 f/s 而又有 1024 x 480 pixels 以上，它的影像一定不是 raw mode (bmp 或 TIFF) 而是大量壓縮後的 DV 或 jpeg。要求最高質素的行星月球攝影常常以 raw mode 錄存，所以 640 x 480 pixels @ 60 f/s、1024 x 760 pixels @ 30 f/s、1280 x 960 pixels @ 15 f/s 已到 USB 2.0 或 Firewire 的極限了。
話雖如此，對高倍行星月球攝影而言，實際上 60 f/s 幾乎是用不着的，因為拍攝時往往要顧及影像暗位 (例如木星雲邊的黑氣和在明暗邊界的月紋)，曝光都要求在 1/30 sec 以下，這時 60 f/s 用不着要下調至 30 f/s 才可以，即使相機有 60 f/s 也等於無。(當然太陽十分光亮，60 f/s 還會常用)。選購 60 f/s 相機時宜有 raw mode 及格速下調功能，叠相 (stacking) 軟件亦能與影片的錄存制式兼容，聽說 AVI Stack (http://www.avistack.de/) 比 Registax 有更多制式選擇，但筆者沒有嘗試過。
--- 每格影像的視場 Field of View ---
視場與相機的解像度 (像數) 無關，只和 CCD chip size 有關，在同一焦距下，chip size 越大，視場必定越寬。Chip size 可以從它的規格找出來，例如 ToUcam 相機用 640 x 480 Sony 晶片 ICX098BQ，規格說每像素佔 5.6 x 5.6 microns，它的 chip size 便是 3.58 x 2.68 mm。
攝影系統的視場由下圖的三角關係決定：
http://www.alanchuhk.com/FOV_formula.jpg
例一： Sony CCD (3.58 x 2.68 mm) 配 Celetron 8 吋 f/10 + 2X Barlow (有效焦距 4000 mm)，這套系統的視場約為
θ (長邊) = 3.58 / 4000 x 57.3 = 0.0513 度 = 3.08 角分
θ (短邊) = 2.68 / 4000 x 57.3 = 0.0384 度 = 2.30 角分
視場相當於月面視直徑的 1/10 ~ 1/13。
例二：DMK41AU02 相機用 Sony CCD ICX205AL，1280 x 960 像素，每像素佔 4.65 x 4.65 microns，因此 chip size = 5.95 x 4.46 mm，配 Celetron 8 吋 f/10 + 2X (有效焦距4000 mm) 時的視場約為
θ (長邊) = 5.95 / 4000 x 57.3 = 0.0852 度 = 5.11 角分
θ (短邊) = 4.46 / 4000 x 57.3 = 0.0639 度 = 3.83 角分
DMK41 的 1280 x 960 像素是 ToUcam 的兩倍 (每邊計)，但是 pixel size 比 ToUcam小，所以 DMK41 的視場並非擴展兩倍而只是每邊多 66 %。
--- 最佳有效焦距 (Optimum Focal Length) ---
根據 Nyquist sampling 理論，最佳有效焦距是讓兩個相連像素的視角 (下圖的 Φ) = 望遠鏡的分辨率 (Dawes limit)。
http://www.alanchuhk.com/OptimumFL_formula.jpg
例子： ToUcam 配 C8 f/10 (口徑 200 mm，Dawes limit 0.58 角秒 = 0.00016 度)，求這套組合的最佳有效焦距。
答案： ToUcam 兩個相連像素的長度 = 2 x 5.6 microns = 0.0112 mm
兩個相連像素的視角Φ = (兩個相連像素的長度 / 有效焦距 FL) x 57.3 度
= (0.0112 mm / FL) x 57.3 度
最佳有效焦距的條件是令 Φ = 望遠鏡的分辨率，因此
(0.0112 mm / FL x 57.3 度) = 0.00016 度
FL = 0.0112 x 57.3 / 0.00016 = 4000 mm
最佳有效焦距約是 4 米，相當於望遠鏡以f / 20 焦比拍攝，因此 C8 選用 2X Barlow
會達到最佳效果 (最佳影像分析力)。用 3X Barlow 也可以 (俗稱 over-sampling)，
但它只會放大影像，不能增強影像的細節，不小心時更可能弄巧反拙。
實際上 2X Barlow 不是常常用得着，大氣 seeing 欠佳時要改用 1.5X 甚至不宜加任何 Barlow。有時為了遷就視場，最佳有效焦距也不用，只用 "次選" 配搭算了。
--- 高倍放大用 CCD 攝影機的比較 ---
ToUcam DFK21AU04 DMK31AU03 DMK41AU02
(Color) (Color) (Monochrome) (Monochrome)
PC Interface USB 1.0 USB 2.0 # USB 2.0 # USB 2.0 #
Max useable frames/s 15 fps 60 fps 30 fps 15 fps
Sensitivity 0.10 lux 0.10 lux 0.05 lux 0.05 lux
CCD Chip (Sony) ICX098BQ ICX098BQ ICX204AL ICX205AL
CCD format 1/4 type 1/4 type 1/3 type 1/2 type
Effective Pixel Qty 640 x 480 640 x 480 1024 x 768 1280 x 960
Pixel size (microns) 5.6 x 5.6 5.6 x 5.6 4.65 x 4.65 4.65 x 4.65
CCD chip size (mm) 3.58 x 2.69 3.58 x 2.69 4.76 x 3.57 5.95 x 4.46
FOV at 4000 mm FL 3.08’ x 2.30’ 3.08’ x 2.30’ 4.09’ x 3.07’ 5.11’ x 3.83’
Optimum Focal Ratio * f / 20 f / 20 f / 16.7 f / 16.7
Registax compatible yes yes yes yes
AVIstack compatible yes yes yes yes
Price ~ HK$ 600 Check http://www.theimagingsource.com/en_US/
# 與 Microsoft Windows 的 USB 2.0 不兼容，必須用廠方提供的 “非標準” USB driver。
* 望遠鏡的 Dawes limit 以 4.56 arcsec per inch (25.4 mm) 計算 很有參考價值，等我詳細研究下先。
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