Kirjoittaja Aihe: järjestelmäkameroiden objektiivit astrokuvauksessa  (Luettu 2243 kertaa)

0 jäsentä ja 1 Vieras katselee tätä aihetta.

Poissa Pappis

  • Rinnakkaisuniversumi
  • *****
  • Viestejä: 1221
Olen kirjaillut oheen omia subjektiivisia muistiinpanoja ja/tai oppimiskokemuksia erilaisten järjestelmäkameroiden objektiivien sopivuudesta taivas- ja tähtikuvaukseen. Tässä on siis kyse lähinnä widefield-kuvaamisesta, jossa objektiivin polttoväli on suuruusluokkaa 10-300 mm ja se on liitettynä järjestelmäkamerarunkoon. Tämä kombinaatio on sitten jonkinlaisella jalustalla, joka voi olla moottoroitu. Tämä kirjoitus ei siis käsittele "perinteistä" tähtikuvausta kaukoputkella, vaikka saattaakin vertailun vuoksi tehdä rinnastuksia siihen suuntaan.

Minkä tahansa optisen välineen suorituskykyä valokuvauksessa rajoittavat (aakkosjärjestyksessä):
1. Heijastukset
2. Kuvakentän geometriavirheet (vääristymät)
3. Kuvakentän nurkkien valovoiman heikentyminen (vinjetointi)
4. Kuvakentän tasomaisuus kennolla
5. Optiset kuvausvirheet (koma, astigmatismi, pallo- ja väriaberraatiot, jne.)
6. Piirtokyky (resoluutio)
7. Valovoima

Täydellisen optiikan (objektiivin tai kaukoputken) tehtävänä on siis päästää valo kuvauskohteesta kameran kennolle (järjestelmäkamera, planeettakamera, tähtikuvauskamera, jne.) mitään siihen lisäämättä ja mitään siitä pois ottamatta, sekä mitenkään sitä vääristämättä. Täydellistä optiikkaa ei vaan ole olemassa. Käytetyt optiset materiaalit eivät ole ideaalisia: Taittokerroin riippuu mm. valon aallonpituudesta useimmiten epälineaarisella tavalla. Yksittäisen linssin pinnan laatu ja muodon tarkkuus vääristävät valon läpikulkua. Ja kun näitä epätäydellisiä linssejä kasataan optiseksi kokonaisuudeksi, kuvasuvirheitä syntyy pakosta. Joitakin näistä virheistä osataan korjata esim. lisäämällä uusia linssejä. Monesti ne uudet linssit lisäävät kuitenkin uusia virheitä tai muuttavat vanhojen virheiden osuutta, ja kokonaisuutta on puolestaan korjattava joko uusilla linsseillä, tai vaihtamalla materiaaleja, pinnan muotoja, jne.

Tähtitaivaan kuvaamisessa on kutienkin yksi merkittävä etu maanpäälliseen kuvaamiseen: Kaikki kohteet ovat aina "samalla etäisyydellä äärettömyydessä". Tämä "vakioi" monet kuvausvirheet helposti käsiteltävään ja helpommin korjattavaan muotoon. Pelkästään maanpäälliseen kuvaukseen suunnitelluilla objektiiveillä nämä korjaukset riippuvat kuvausetäisyydestä, ja vieläpä useimmiten epälineaarisella tavalla, joten järjestelmäkameroiden objektiivien optinen kompleksisuus (esim. tasaisen kuvakentän APO-putkiin verrattuna) on pikemminkin odotettua.

Käsittelen näitä eri tekijöitä tässä aika lyhyesti, pitäytyen tässä yhteydessä tähtitaivaan kuvaamisessa relevantiksi kokemassani sisällössä. Viittaan toki mielelläni muiden artikkeleihin asiaan liittyen, ja se antakoon lisätietoa niille, jotka sitä kaipaavat.

1. Heijastukset

Pinnoittamaton lasi päästää tyypillisesti lävitsee noin 96% sen pintaan kohtisuoraan osuvasta valosta (riippumatta siitä, meneekö valo lasista ilmaan vai ilmasta lasiin). Loput (noin 4%) heijastuu, sekä etu- että takapinnalla. Jos tämä (käytännössä vähintään kahteen kertaan) heijastunut valo pääsee kennolle, kuvaan jää jälkiä linssiheijastumista. Joskus kokemattomammat taivas/yökuvaajat erehtyvät luulemaan näitä linssiheijastumia joksikin muuksi, koska päivällä otetuissa valokuvissa ne ovat taustaan verrattuna yleensä heikompia. Lisää asiasta (myös  useita hyviä kuvia): https://en.wikipedia.org/wiki/Lens_flare

Modernit kiinteäpolttoväliset järkkäriobjektiivit sisältävät tyypillisesti 10-15 linssielementtiä (yksittäistä linssiä, eli 20-30 optista pintaa), ja zoom-objektiivit 15-25 linssiä (30-50 heijastavaa pintaa). Tämän takia yksittäiset linssit täytyy monikalvopäällystää heijastumatta läpi pääsevän valon osuuden kasvattamiseksi. Esim. Canonin modernit Super Spectra pinnoitteet päästävät yhdestä linssistä heijastumatta läpi (siis kahden heijastavan pinnan läpi) jopa 99,9% näkyvästä valosta. Esim. Sigman suosittu 50 Art sisältää 13 elementtiä (yhteensä 26 heijastavaa pintaa), ja Canonin 70-200 f/2.8 (uusin III-versio) sisältää peräti 23 elementtiä (46 heijastavaa pintaa). Jos nuo objektiivit olisi toteutettu pinnoittamattomilla linsseillä, ne päästäisivät suoraan läpi vain 35% tai 15% valosta heijastumatta kertaakaan. Mutta, modernein monikalvopäällystein niiden valon läpäisy onkin jo luokkaa 98,7% tai 97,7%. Ja silti, vastavaloon kuvatessa niidenkin kuvissa on nähtävissä linssiheijastuksia!

On toki muitakin tapoja vähentää heijastumia, mm. vastavalosuojan käyttö tai voimakkaiden valonlähteiden välttäminen kuva-alueella ja/tai sen läheisyydessä. Mutta, tähtikuvauksen kannalta olennaisinta on yksittäisen linssipinnan heijastuskyvyn minimointi. Vastavalosuoja auttaa toki hajavaloon, mutta ei esim. yhden kirkkaan tähden kuvakentässä aiheuttamiin heijastumiin. Siksi tähtikuvaajatkin tykkäävät monikalvopäällystetystä optiikasta.

2. Geometriavirheet

Geometriavirheillä tarkoitetaan efektiä joka vääristää kuva-alan suoria linjoja ei-niin-suoriksi. Nämä vääristymät ovat tyypillisesti suurimpia kuvakentän reunoilla ja etenkin nurkissa. Kts. lisää:  https://en.wikipedia.org/wiki/Distortion_(optics) Tynnyri- ja tyynyvääristymät ovat tavallisimpia järjestelmäkameroiden objektiiveja vaivaavia geometriavirheitä. Pahempiakin muotoja on, esim. revontulikuvaajien suosimat Samyangin lyhytpolttoväliset linssit kärsivät tyypillisesti nk. viiksivääristymästä.

Geometrisia virheitä ei voi oikein itse korjata kuin vaihtamlla objektiivi parempaan, tai käyttämällä modernien järkkärirunkojen ja/tai kuvaeditointiohjelmien sisältämiä kuvageometrian korjaustoimintoja. Nämä toiminnot perustuvat kuitenkin nk. objektiiviprofiileihin, eli tietoon siitä, miten objektiivi vääristää kuvaa. Ellei tuota tietoa rungossa/ohjelmassa ole, ei näitä vääristymiä oikein voi, tai ole helppoa korjata.

3. Vinjetointi

Vinjetoinnissa kyse on vain siitä, että kkameran kennolla kuvakentän nurkat eivät saa yhtä paljon valoa, kuin keskiosa. Tämä johtuu tyypillisesti objektiivin (tai kaukoputken) konstruktiosta: Valon "tie", eli linssistö on vaan kooltaan pienempi kuin tarvitsisi koko kennon täyttämiseksi tasaisesti valolla. Tämä korjataan nykyään järkkäreillä käyttämällä modernien runkojen ja/tai kuvaeditointiohjelmien sisältämiä korjaustoimintoja (nk. objektiiviprofiilit). Astrokuvaajat puolestaan tapaavat korjata kaukoputkiensa vinjetoinnin tyypillisesti "flattejä" käyttäen. Sama tapa sopii toki järjestelmäkameran objektiiveillekin.

4. Kuvakentän tasomaisuus

Kuvakentän tasomaisuus on tuttu suure linssikaukoputkien omistajille. Kuvakentän tasoittajaksi kutsuttu korjauslinssi(stö) korjaa kuvakentän käyryyden tasomaiseksi kameran kennolle, ja niin onni ja autuus koittaa taivaskuvaamiseen! Kuvakentän käyryydessä on käytännössä kyse siitä, että reaalilinssin paksuudesta johtuen sen polttoväli riippuukin aksiaalisesta poikkeamasta: Sivussa (reunalla) olevalle kohteelle linssin polttoväli on erilainen, kuin linssin akselilla (kuvakentän keskellä). Yksinkertainen kuvaus asiasta löytyy mm. https://en.wikipedia.org/wiki/Petzval_field_curvature ja https://en.wikipedia.org/wiki/Field_flattener_lens

Käytännössä järkkäriobjektiiveja ei useinkaan korjata kovinkaan hyvin kuvakentän tasoittamiseksi kahdesta syystä: Ensinnäkin, kuvauskohteet ovat lähellä ja/tai vaihtelevilla etäisyyksillä, ja ne ovat useimmiten kolmiulotteisia. Näistä kahdesta seuraa se, että käytännön maanpäällisessä valokuvauksessa ollaan todella harvoin tilanteessa, jossa odotetaan/edellytetään koko kuva-alan kaikkien kohteiden olevan yhtäaikaa terävänä ja tarkennettuna. Vaikka kuvaisit tiiliseinää kohtisuoraan, niin kaikki kuvassa näkyvät tiilet eivät silti ole samalla etäisyydellä kennosta, joten ne eivät välttämättä ole myöskään kennon nurkkia myöten objektiivin terävyysalueella. Astrokuvauksessa kohde on käytännössä aina äärettömyydessä ja kaikki kuvattavat kohteet ovat "samalla" etäisyydellä, joten kuvakentän kaarevuudesta johtuva virhekin on käytännössä ennustettava, ja siten myös helpommin korjattava.

Tärkein poikkeus tästä on makrokuvaus, ja etenkin focus stacking -tekniikalla. Tästä syystä makrokuvaukseen suunnatut linssit suunnitellaankin vartavasten tasomaista kuvakenttää ajatellen (eli kuvakentän käyryys korjataan). Ja tämä on samalla myös syy sille, miksi makrolinssit useimmiten sopivat loistavasti myös tähtitaivaan kuvaamiseen (edellyttäen, että niiden tarkennus toimii riittävän hyvin äärettömässä).

Maanpäälliseen valokuvaukseen rakennetuilla objektiiveillä on toinenkin tähän läheisesti liittyvä ominaisuus, jota on usein vaikea erottaa puhtaasta kuvakentän käyryydestä. Kyse on tarkennetun kuvakentän käyryydestä. Astrokuvauksessa kohde on äärettömässä, joten kuvakentän kaarevuus on helposti laskettavissa. Kun kohde tuodaan lähelle (esim. metrejä) kuvakentän käyryys kennolla alkaakin riippua myös objektiivin rakenteesta, linssistön ryhmittelystä, yksittäisten linssien muodosta ja taittoominaisuuksista. Ja kun yksittäisiä linssejä alkaa olla yli 10 kpl, niin kuvakentän käyryys (oli tarkennus kohdillaan tai ei) onkin jo melko villi konstruktio. Ilmiö on tyypillisesti pahin zoom-linsseillä, mutta ei mitenkään rajoitu vain niihin.

Tästä on julkaistu pari hyvää artikkelia DPReview:in sivuilla:
- https://www.dpreview.com/articles/1351719699/roger-cicala-field-curvature-for-fun-and-profit
- https://www.dpreview.com/opinion/7031211310/roger-cicala-field-curvature-pt-2

Rogerin artikkeleissaan ehdottama tapa määrittää tarkennetun kuvakentän käyryys omalle objektiiville (kuvaamalla tasaista hiekka- tai nurmikenttää) on todella yksinkertainen ja käytännön valokuvaukseen hyvinkin riittävän tarkka menetelmä. Tulokset auttavat hahmottamaan sitä, sopisiko se oma objektiivi taivaskuvaukseenkin.

5. Optiset kuvausvirheet

Optisissa kuvausvirheissä on pohjimmiltaan kyse siitä, että pistemäisen valonlähteen kuva kennolla ei optiikan läpi kuljettuaan enää olekaan pistemäinen. Varsin kattava ja asiallinen kuvaus näistä löytyy https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_aberration Kuvausvirheitä on kuitenkin eri asteisia, ja niistä puhutaan edistyneemmissä piireissä mm. 1., 2. tai 3. asteen astigmatismina, jne. Lisää esimerkkejä näistä löytyy mm. https://www.dynasil.com/optical-components/understanding-optical-aberrations/ ja https://www.allaboutvision.com/conditions/aberrations.htm

Yhteistä kaikille optisilla virheille on se, että optisten elementtien määrän lisääntyessä kasvavat myös optiset kuvausvirheet, ellei niitä uusia linssejä lisätä juuri em. virheiden korjaamiseksi (esim. komakorjain). Tyypillisesti laajakulmaisia (lyhytpolttovälisiä) linssejä vaivaa eniten koma ja zoom-linssejä erilaiset värivirheet.

Tähtikuvaajille tuttu tähtitestaus (tarkennus kohdillaan, sekä myös "epätarkennetut" kuvat) on hyvä tapa tutkia myös kameraopbjektiivien suorituskykyä tähtitaivaan kuvaamisessa. Asiata löytyy useita hyviä sivujanetissä, joista tässä pari havainnollista esimerkkinä:
- https://www.telescope-optics.net/star_testing_telescope.htm
- https://www.skyatnightmagazine.com/advice/how-to-star-test-a-telescope/
- https://www.bbastrodesigns.com/JoyOfMirrorMaking/StarTesting.html

6. Piirtokyky (resoluutio)

Optisella piirtokyvyllä tarkoitetaan tavallisesti objektiivin (kaukoputken) optista resoluutiota, eli sitä kuinka pieniä yksityiskohtia sillä otetusta kuvasta voidaan tietyllä kuvausvälineellä (filmi, digikameran kenno) erottaa. Maanpäällisen valokuvauksen alueella mittarina on usein lpm/lpmm-arvo, eli "lines per mm". Perinteisen kinofilmin resoluutio vastaa parhaimmillaan noin 5k-6k -kuvaa, eli n. 20-25 Mpix digikameran kennoa. Täten objektiivin erottelukyvyn pitäisi olla vähintään 4000/24 (tai 6000/36) eli noin 167 lpm, jotta optinen suorituskyky olisi vähintään filmin tai sitä vastaavan digikameran kennon erottelukyvyn tasolla.

Kyse ei kuitenkaan ole vain lpm-arvosta, sillä erottelukykyyn vaikuttaa myös kontrasti. Vaikka linssi piirtäisi 100 lpm, mutta kontrasti on liian huono, niin mustavalkoinenkin viivajoukko näyttää tasaisen harmaalta. Tästä syystä maanpäällinen valokuvaus tykkää käyttää ns. MTF-käyriä kuvaamaan linssien suorituskykyä. Asiasta lisää helposti ymmärrettävässä muodossa täältä: https://www.nikonusa.com/en/learn-and-explore/a/products-and-innovation/what-is-a-lens-mtf-chart-how-do-i-read-it.html tai täältä: https://www.edmundoptics.eu/knowledge-center/application-notes/imaging/modulation-transfer-function-mtf-and-mtf-curves/

Tähtikuvaajille optinen resoluutio ei kuitenkaan yleensä ole ensisijainen kuvanlaadun mittari, koska seeing rajoittaa parasta mahdollista erottelukykyä huonommaksi kuin optisen suorituskyky antaisi myöten. Mutta, niinä harvoina hetkinä kun seeing on erinomainen, pääsee paremmalla optiikala myös parempiin tuloksiin kuin huonommilla.

7. Valovoima

Valovoiman merkitys tähtitaivaan kuvaamisessa on helppo ymmärtää: Valovoimaisempi laitteisto kerää valoa enemmän vakioajassa, tai nopeammin tietyn signaalikohinasuhteen saavuttamiseksi lopullisessa kuvassa. Peilikaukoputkilla valovoiman lisäämisen on helppoa: Otetaan isompi peili, mutta ei kasvateta polttoväliä samassa suhteessa.

Linssikaukoputket ja järkkärien objektiivit kärsivät kuitenkin samoista yhteisistä teknologisista, fysikaalisista ja optisista rajoitteista: Isommat ja nopeammat linssit kärsivät enemmän kaikenlaisista optisista vääristymistä ja virheistä, minkä takia konstruktio tarvitsee enemmän ja/tai erilaisista optisista lasilaaduista tehtyjä linssejä niiden korjaamiseksi "näkymättömiin". Lopputuloksena valovoimainen ja hyvin korjattu linssi ei ole enää halpa eikä yksinkertainen. Kaukoputkilla asiaa helpottaa kovasti se, että kaikki kohteet ovat käytännössä samalla etäisyydellä äärettömyydessä, mikä näkyy siten että laadukkaan linssikaukoputken tasaisella kentällä ja vähäisillä optisilla virheillä löytää jo 4-6 elementin konstruktiolla, kun vastaava maanpäälliseen valokuvaukseen suunniteltu kiinteäpolttovälinen objektiivi tarvitsee sen 10-15 linssiä.

Johtopäätöksiä

Mitä tämä kaikki tarkoittaa taivaskuvaajalle? Minkälainen on hyvä, tähtitaivaan kuvaamiseen soveltuva järjestelmäkameran objektiivi?

Joitakin tekijöitä satunnaisessa järjestyksessä:
- Äärettömyyteen tarkennettuna riittävän tasainen kuvakenttä kennolla.
- Pienet geometriset virheet on sallittuja.
- Optiset virheet (koma, värivirheet, astigmatismi, jne) pitäisi olla hyvin korjattuja/kurissa.
- Manuaalinen tarkennus äärettömyyteen kameran LiveView-näytöllä on riittävän helppoa (tarkennusrenkaan liikerata on riittävän iso äärettömyyden lähellä).
- Valovoima on vähintään kohtuullinen (luokkaa f/4 - f/6).
- Piirtokyky riittää pitkissä valotuksissa tuomaan esiin heikompiakin tähtiä kameran kennon kohinasta.
- Objektiivi on kiinnitettävissä seurantajalustalle (joko omalla jalalla tai kameraan kiinnitettynä).

Siinä sen pitäisi olla. Kuulostaa helpolta, mutta kaikista kaupan olevista objektiiveista vain osa täyttää nämä kriteerit. Niistä lisää erillisessä ketjussa: https://www.avaruus.fi/foorumi/index.php?topic=19194.0
« Viimeksi muokattu: 23-02-2021, 11:11:40 kirjoittanut Pappis »

Poissa Pappis

  • Rinnakkaisuniversumi
  • *****
  • Viestejä: 1221
Vs: järjestelmäkameroiden objektiivit astrokuvauksessa
« Vastaus #1 : 13-02-2021, 15:57:20 »
Mistä sitten tunnistaa potentiaalisesti hyvän objektiivin? Muutamia vinkkejä:

MTF-käppyrät ovat korkealla ja tasaisia keskeltä reunalle. Laskeva trendi ei sinänsä ole iso ongelma, jos lasku on maltillista. Jyrkemmät mutkat tai lasku kielivät kuvanlaadun nopeasta heikkenemisestä keskeltä reunalle mentäessä.

LensTip-sivuston testeissä kannattaa katsella miten resoluutiokäyrät käyttäytyvät aukon mukana (keskellä vs. reunassa). Esim. Samyang 135 f/2.0 lasilla resoluutio käyttäytyy samalla tavalla (aukon pienentyessä) niin keskellä kuin reunoillakin, ja erot ovat pieniä. Kun objektiivin muutkin kuvausvirheet ovat erittäin pienet, ei pahasti voi erehtyä epälevän kyseisen objektiivin soveltuvan hyvin tähtien alle.

Toinen esimerkki, mutta tällä kertaa huonompi lasi: Samyang 50 f/1.4. Resoluutiokäyrät ( https://www.lenstip.com/419.4-Lens_review-Samyang_50_mm_f_1.4_AS_UMC_Image_resolution.html ) paranevat odotetusti aukon pienetessä, mutta ne paranevat keskellä paljon nopeammin kuin reunoilla (epähomogeenisesti), reunojen käytännössä pysyessä pehmeinä kaikilla aukoilla. Objektiivilla on lisäksi havaittavaa komaa, joten siirtyisin jo tässä vaiheessa katselemaan muita vaihtoehtoja (mulla on Canon, joten vaikka Canon 50 f/1.8). Tällä Samyangilla ei ole myöskään kovin hyvää mainetta taivaslasina.

Canon 50 f/1.8 käyttäytyy melko samoin tavoin, mutta kuva-alan resoluutio paranee aukon pienenemisen myötä homogeenisemmin. Komaa on, ja siitä pääsee riittävissä määrin eroon himmentämällä aukolle f/4 - f/5, mikä riittää vallan hyvin. Lisäksi tämä Canon on lyömättömän halpa ja selvästi parempaa etsivälle se parempi vaihtoehto on käytännössä Sigman 50 Art.