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高倍天文攝影 (經驗談)

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發表於 2010-4-9 17:34:23 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
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:



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)。




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
發表於 2010-4-12 22:23:06 | 顯示全部樓層
很有參考價值,等我詳細研究下先。
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