天文攝影之自動導(dǎo)星超級入門.doc

天文攝影之自動導(dǎo)星超級入門(日文原創(chuàng)翻譯)天文攝影, 入門, 導(dǎo)星, 超級, 自動星云星團攝影之自動導(dǎo)星“超級”入門 1在長時間曝光的天文攝影中，代替人們完成對天體轉(zhuǎn)動來精密追蹤的就是自動導(dǎo)星。在這個自動導(dǎo)星的世界里，有使用攝像頭的，有通過電腦軟件來控制赤道儀的電機轉(zhuǎn)動等等，在新的時代里價格便宜的產(chǎn)品陸續(xù)登場，都成為了流行的話題。在這里，太高了、太難了、完全不懂等這樣想象而放棄了自動導(dǎo)星的你，不想來挑戰(zhàn)下嗎？用天文望遠(yuǎn)鏡對星云星團的拍攝是天文攝影中的熱門之一。讀者的天文攝影角也好，每個月都有很多星云星團的照片入選。投稿的比例中，壓倒性地超過了其他體裁的天文攝影。絢麗多彩的猶如蒙上層面紗的星云，能讓你感受到宇宙的宏偉的旋渦星系等等之類的照片，我想有很多人都因為憧憬著這等美圖而開始進行天文攝影的吧。但是這里要面臨兩個困難，就是【合焦】和【導(dǎo)星】。合焦方面的話，例如大家很多在使用的單反相機，最近的新出的機器都有“Live View”模式，就當(dāng)作差不多都能解決這個問題了。假如你現(xiàn)在揣著錢準(zhǔn)備入手單反的話，強烈推薦帶有Live View模式的相機。（圖1）剩下的就是導(dǎo)星了。以SBIG公司的ST-4和TSV為開端，使用了冷卻CCD的獨立型自動導(dǎo)星（圖2），和需用電腦的ST-5C和ST-402類似的冷卻CCD自動導(dǎo)星，都是獲得好評且人氣很高的產(chǎn)品。但是，不管多少高價位的裝置，對各種功能都能熟練操作都是需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗和處理能力的，所以對新手來說是很難推薦的。話又說回來，這1、2年里，有使用USB攝像頭，網(wǎng)絡(luò)攝像頭、PC攝像頭等便宜的小型攝像頭，然后用自動導(dǎo)星軟件（免費軟件也有很多）通過電腦來控制赤道儀，另外一個自動導(dǎo)星裝置迅速調(diào)整（正確的來說應(yīng)該是同時進行調(diào)整這個可是內(nèi)外廠家和業(yè)余愛好者通過努力而得到的東西）。讀者的天文攝影角的資料欄中有【用PHD導(dǎo)星】等等【攝星套件】之類進行表示的，就是在實際拍攝中有用電動導(dǎo)星的作品，這些軟件新手也能使用，而且令人高興的是，不算電腦的話，用相當(dāng)少的開銷就可以了。和去年本雜志評測用的赤道儀E-ZEUS化（天文導(dǎo)讀2007年6月號、9月號）一樣，準(zhǔn)備了各種各樣這種自動導(dǎo)星裝置以及相關(guān)聯(lián)的零件，加上筆記本電腦（Windows XPWindows Vista），反復(fù)測試。結(jié)果，雖然和帶冷卻CCD攝像頭的自動導(dǎo)星相比較在星星的亮度方面有點劣勢，但可以知道，在導(dǎo)星的精度和軟件的易用性方面已經(jīng)具備了充分的實力。不管你對自動導(dǎo)星方面有多少的知識和經(jīng)驗，不看下此類文章的話，會多多少少將有些錯誤的手法帶入到新的導(dǎo)星系統(tǒng)中去。因此，和編輯部商量了下，好不容易引進了廉價的導(dǎo)星裝置，對于以前從未使用過導(dǎo)星裝置的，面向“超級”新手的自動導(dǎo)星設(shè)置相關(guān)的文章將在本欄目中連載，為了不再讓你迷茫，本文將盡量采用簡明易懂的文字來闡述。究竟為什么非得用【導(dǎo)星】呢？話題就此展開（文章好像也太菜鳥了，算了算了，請往下看吧）地球以每86164.09秒自轉(zhuǎn)一周。與自轉(zhuǎn)軸可以平行調(diào)整的【極軸】裝置的赤道儀，極軸以每86164.09秒/周自轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)的話，望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)直視界（向著望遠(yuǎn)鏡的中心視界）應(yīng)該可以一直朝著同個天體，這個就是赤道儀最大的特長。你有連帶極軸驅(qū)動馬達(dá)的赤道儀的話，就是真正的天體追蹤裝置了。所以如圖4，在裝載于有極軸驅(qū)動馬達(dá)的赤道儀上的天文望遠(yuǎn)鏡的直焦上拍攝的話，就可以簡單地進行長時間曝光的星云星團拍攝了。但是！實際該怎么說呢，只要不是短時間的曝光，那單單這樣拍攝的話也是拍不好的。如圖5，圖像都有拖線了，到底是什么地方不對呢？你的問題？在新手中常有的就是由于赤道儀的調(diào)整誤差引起的。很多赤道儀極軸里都內(nèi)藏了極軸鏡，用極軸鏡看到北極星，把赤道儀正確地調(diào)整到讓極軸指向北天極（圖6）。這時，調(diào)整的誤差大的話，時間一長望遠(yuǎn)鏡就不準(zhǔn)直了。拍攝的時候就會發(fā)現(xiàn)有拖線的現(xiàn)象了。調(diào)整誤差的影響，在望遠(yuǎn)鏡的焦距越是長的類型上越是能看得清楚，因曝光時間，調(diào)整的誤差的方向和多少，天球上的天體的位置等等因素的影響而改變（單單看數(shù)字上稍微有點難，有興趣的人請參考【2008年版 天文年鑒】P.328頁）但是，也可以斷言因為你自己而引起赤道儀的調(diào)整誤差的事也是有的。因為極軸鏡的調(diào)整偏差這種事很少見。說起【你的問題】這種場合，也有因為望遠(yuǎn)鏡的擺放場所不對等原因，如地面比較軟，腳下頂著霜柱等地面，還有調(diào)整望遠(yuǎn)鏡而影響準(zhǔn)直偏離。器材的問題？就算已經(jīng)完美地調(diào)整好赤道儀了，因為器材的這個那個原因而引起拖線的事也常常發(fā)生，這個就不是你的問題，是器材的問題了。首先是【周期性曲線】。極軸以一定的速度在旋轉(zhuǎn)，但是由于齒輪嚙合的誤差，導(dǎo)致周期性的步進延遲。這個就是周期性曲線（圖8）。雖然是極其微小的步進延遲，但是連接在焦距在數(shù)百毫米以上的望遠(yuǎn)鏡上的，具有百萬千萬像素的圖像傳感器來拍攝如同針尖大小的星星，稍微有點步進延遲也會被很清晰的記錄下來。步進延遲的多少，因機種和個體差異各不相同。另一方面，構(gòu)成鏡筒和赤道儀的材料發(fā)生彎曲，接口部分的間隙等等，都會成為形成拖線的原因（圖9）。長時間曝光過程中，因為追蹤天體運動的望遠(yuǎn)鏡經(jīng)常需要移動，伴隨著這個望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)直也在一點一點的變化，圖像就會產(chǎn)生一點點拖線的現(xiàn)象。另外拍攝過程中強風(fēng)一刮，器材就會抖動，我想是攝影愛好者的都有這樣的經(jīng)歷。在材料和技術(shù)上下功夫的話，也可以擁有結(jié)實精密的構(gòu)造，但也會苦于搬運的器材太重，或者是成為難以下手的高價商品。一點點的缺點用自己的技術(shù)實力來彌補也是很快樂的事情。大氣的問題？另外一個棘手的問題就是“大氣蒙差現(xiàn)象”。天體的位置越是靠近地平，受大氣折射的影響就越大。而真正的位置則是在其上面的一點點的地方（詳請參照【2008年版 天文年鑒】P.329）。因為這個現(xiàn)象，用86164.09秒以一定的速度旋轉(zhuǎn)一周的天體周日視運動，根據(jù)天球上的位置，這個速度會有微妙的變化（圖10）?？梢砸?6164.09秒/周的恒星時運動進行跟蹤的區(qū)域也就只有天頂，其它的話不是比恒星時運動慢的就是比恒星時運動快的區(qū)域（大部分區(qū)域都是慢的。詳請參照【2008年版 天文年鑒】P.329）。因為這個原因，最近有很多的速度校正赤道儀，采用比恒星時運動（86164.09秒/周）慢一點點的運行速度。這樣，在觀測地點天赤道和子午線相交的位置上，就可以和天體的周日視運動速度一致。北緯35度上以86188.09秒/周，相當(dāng)于延遲了0.03%（就差這么一點點？但是，這么一點點卻可以帶來很大的效果）。這樣，天球上大部分的區(qū)域里平均誤差就可以小了。星云星團的正確追蹤并不是這么簡單任由恒星時運動的赤道儀來拍攝的時候，將常見的失敗原因要一一寫出來?？偠灾?，要知道任由恒星時運動的赤道儀來追蹤，是拍不出不拖線的星云星團照片來的。這之后，你初次使用自動導(dǎo)星時，我想會有這樣那樣的不成功，當(dāng)你以自己能力就可以查出這個是什么原因的時候，像這樣的預(yù)備知識對你有少許幫助吧。超過人類的本領(lǐng)令人期待的高精度“自動導(dǎo)星”由于任由恒星時運動的赤道儀來跟蹤拍攝的話是拍不出好作品的，在長焦點，長時間曝光的情況下拍星云星團的話，就必須進行追蹤誤差的修正的工作。典型的導(dǎo)星實踐圖11是實際導(dǎo)星的樣子，在裝載著攝影用的主望遠(yuǎn)鏡的側(cè)面，同時架著一個導(dǎo)星用的小望遠(yuǎn)鏡（導(dǎo)星鏡）。導(dǎo)星鏡在高倍率情況下，視界中能夠看見十字亮絲之類的刻度。觀察這個刻度和視界中的被導(dǎo)的星星的偏離情況，如果認(rèn)可這個偏離情況的話，按下赤道儀的掌上控制器的【極軸增速按鈕、極軸減速按鈕】【赤緯+微動按鈕、赤緯微動按鈕】按鈕對天體追蹤的誤差進行修正。俗稱“半自動導(dǎo)星”。用望遠(yuǎn)鏡進行一會兒工夫的拍攝的話，以數(shù)十秒一回的頻率對偏離情況進行觀察就差不多了，但是望遠(yuǎn)鏡的焦距越是長的情況下，就必須得持續(xù)觀察偏離情況?！鞍胱詣訉?dǎo)星”類型，在寒冷的地方以及臨近黎明昏昏欲睡的時候就會顯得很痛苦了。不過在心情愉快的情況下攝影，而且并不是一整晚在持續(xù)的拍攝的情況下，負(fù)擔(dān)可能會比較小。意外的是，也有很多人說做這種工作還是很高興的。當(dāng)然，比起完全不用導(dǎo)星來攝影的話，好照片的出片率會好很多。拍攝黃昏的西方天空的彗星等時候，到家后慌慌忙忙地出去拍攝，往往會沒有時間去設(shè)置調(diào)整自動導(dǎo)星。所以最近初試天文攝影的人也算是熟練地掌握著操作技術(shù)，按下微動按鈕時對赤道儀的反應(yīng)也了如指掌（例如赤緯微動的無反應(yīng)時間等）。自動導(dǎo)星所做的事也是一樣的接下來，一聽到【用電腦來控制望遠(yuǎn)鏡自動導(dǎo)星】的時候，有很多人都會覺得可以自動幫我做怎么了不起的事很厲害啊。的確，自動導(dǎo)星代替人們來自動做這種導(dǎo)星的苦差事，而且可以一直保持著高精度。了解結(jié)構(gòu)構(gòu)造的話，就可以知道其實所做和“半自動導(dǎo)星”是一樣的事。在“半自動導(dǎo)星”里用【眼睛】對被導(dǎo)的星進行觀測以【能力】對星星的偏離情況進行判斷操作用【手指】對掌上控制器進行操作有了這樣一連串的動作配合后，再看下在這里集中連載的自動導(dǎo)星系統(tǒng)，如圖12【網(wǎng)絡(luò)攝像頭】代替【眼睛】【導(dǎo)星軟件】代替【能力】【繼電器】代替【手指】就變成了這樣來處理導(dǎo)星工作。推動赤道儀的驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)就和原來一樣使用，操作方法和“半自動導(dǎo)星”一樣。圖13中，是用于星云星團攝影的望遠(yuǎn)鏡和與其架在一起的自動導(dǎo)星安裝好的樣子。這個自動導(dǎo)星的繼電器內(nèi)藏于網(wǎng)絡(luò)攝像頭的盒子里，依靠電腦的導(dǎo)星軟件使其運轉(zhuǎn)起來?！緦?dǎo)星套件】【攝星套件】等都介紹過了，接下來會是什么呢。在這個集中連載中（新產(chǎn)品也會有在一開售時就中斷的情況，這個還請原諒），也介紹下其余原定登載的2種機種。圖14是高橋制作所的【-SRG 】，在正式版中，附帶有以肯高的電子目鏡Pro來作為攝像頭，現(xiàn)在用的測試版本是Celestron公司的Nexlmage，當(dāng)然軟件是日文的，而且導(dǎo)星偏離的表示功能、溫度傳感器機能等，連相機快門的快門鋼絲頂針之類都有裝備。圖15是天文攝影發(fā)燒友間的知名網(wǎng)站【星空】銷售的，面向DIY人群的繼電器基板，米德的CCD彩色攝像頭DSI（左）和黑白攝像頭DSIpro（照片里的是去掉了濾鏡盒）。我在使用的是免費導(dǎo)星軟件【PHD導(dǎo)星】，用這套組合在E-ZEUS化的MS4赤道儀上來自動導(dǎo)星，特別是DSIpro的高感光度里，即使是很暗的星星也能使用，PHD導(dǎo)星軟件很好用，雖然是英文版的，不過不管是誰都可以馬上習(xí)慣使用。在之后的連載里有提到PHD導(dǎo)星軟件的時候，就用日語菜單形式來登載。關(guān)于自動導(dǎo)星的導(dǎo)星高精度有很多人認(rèn)為稍微忍忍的話“半自動導(dǎo)星”也不錯的啊。我也認(rèn)為自動導(dǎo)星的操作好好地寫著是為什么呢，拍出可以自己的作品就是攝影的成功，一直為此樂此不疲的話，倒是也沒什么關(guān)系。但是，為了達(dá)到某種目標(biāo)，想讓好片的出片率提高之類，覺得長焦點的拍攝時“半自動導(dǎo)星”的精度不夠高等等，這個時候，使用自動導(dǎo)星系統(tǒng)方為上上之策。說到這個導(dǎo)星的精度，也來稍微說一下吧。相機的圖像傳感器也好，導(dǎo)星用的攝像頭的圖像傳感器也好，都是由數(shù)英寸大小的像素構(gòu)成。正如之前說的，把由于各種原因引起的晃動的星像，在不超過圖像傳感器的1個像素范圍內(nèi)，或者不超過2X2像素3X3像素范圍內(nèi)進行導(dǎo)星的話，想想也知道不是這么容易的吧。導(dǎo)星用的網(wǎng)絡(luò)攝像頭的圖像傳感器，也是一樣不讓星像超出1個像素范圍來進行導(dǎo)星嗎，其實不然。它是通過計算多少像素X多少像素中得到的被導(dǎo)星像的明暗程度的平衡來進行偏離推算，偏離的檢測精度要比單單的像素尺寸高得多。從讀者的天文攝影角的數(shù)據(jù)來看，可以知道用的導(dǎo)星鏡是比攝影用的望遠(yuǎn)鏡的焦距來得短，這個也是根據(jù)前面的道理得出的。這次，能大概理解導(dǎo)星失誤的原因以及代替人們來完成自動導(dǎo)星的原理就OK了。以后，購入這種類型的自動導(dǎo)星時，必要的器材如圖16所示的概念圖一樣。電腦的操作系統(tǒng)不管Windows VISTA或者Windows XP也好都沒關(guān)系，想要來搞搞測試的還是選擇XP好，少點麻煩。并不需要強大的電腦，用二手的B5筆記本也足夠了，在寒冷惡劣的野外環(huán)境中使用二手的也不心痛吧。我愛用的那個舊IBM的XP機器，就是用4萬日元買到的B5筆記本。因為是XP系統(tǒng)用Hyperterminal模式，E-ZEUS系統(tǒng)的恒星時驅(qū)動速度的設(shè)定還是比較容易。下載 (303.28 KB)2009-1-9 22:58圖1推薦帶Live View功能的單反相機現(xiàn)在真正的把圖像傳感器得到的圖像顯示在機體背面的液晶顯示屏上的功能就是【Live View】。就算觀察最最放大的恒星圖像，也能非常正確的合焦。最近如圖里的那種相機，在電腦上也可以用Live View功能之類，也可以控制相機曝光量等功能的相機也有很多。不管哪種在自動導(dǎo)星的時候都要用電腦，所以希望能夠選可以通過電腦來控制相機的那種。圖2曾經(jīng)風(fēng)靡一時的自動導(dǎo)星創(chuàng)始產(chǎn)品ST-4這個就是美國的SBIG公司的自動導(dǎo)星ST-4，那時候?qū)I(yè)人士用的運用光電管可以夸張的自動導(dǎo)星的調(diào)整和判斷功能，冷卻CCD拍到的圖像可以進行原始性的軟處理，最早提供的連業(yè)余愛好者也能導(dǎo)入的自動導(dǎo)星裝置?？刂坪袃?nèi)，包含冷卻CCD的螺絲刀，工作和設(shè)定用必要的開關(guān)也全部有了，不需要另外的電腦也是一個特色，由于這樣的特性，至今為止還有很多人在用。圖3新時代廉價的自動導(dǎo)星裝置，愛好者的便攜導(dǎo)星裝置取代真正的冷卻CCD而使用廉價的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用導(dǎo)星軟件讓繼電器工作，打開驅(qū)動馬達(dá)的開關(guān)的新時代的自動導(dǎo)星裝置。在國外的網(wǎng)站上將其有名的導(dǎo)星軟件免費公開。赤道儀制造商以及相對應(yīng)機種的繼電器盒都進行了廉價的販賣。照片里的是望遠(yuǎn)鏡店愛好者所出售的便攜導(dǎo)星裝置，用日語表示的設(shè)法不管讓誰都能簡單操作，連相機的快門都能控制。加上是專門的店所販賣的，對新手提供支持那方面也可以放心。下載 (307.42 KB)2009-1-9 22:58圖4這樣就應(yīng)該可以簡單地進行星云星團的拍攝了吧，但是編輯部的測試用的MS4赤道儀具有極其高的精度，長時間曝光天頂附近的天體的話也很不錯。就連這個赤道儀，對于長焦距的望遠(yuǎn)鏡和跟蹤較低的天體時也很失敗。圖5咋的一看好像導(dǎo)星非常成功，但是導(dǎo)星的成功與否決定了一張照片的好壞，這張圖片咋的一看上去好像非常好，但是，大倍率放大下就會發(fā)現(xiàn)沿赤經(jīng)方向有拖線。圖6赤道儀的極軸一定要盡可能的朝向北天極許多小型赤道儀的極軸（帶有幾號的旋轉(zhuǎn)軸）上都有內(nèi)藏小望遠(yuǎn)鏡（極軸鏡）。用這個極軸鏡看北極星，準(zhǔn)確地調(diào)整赤道儀。小心地慢慢地調(diào)的話，到幾角分的誤差也是容易的。大家經(jīng)常拍的從天頂?shù)侥厦娴奶祗w，特別要注意極軸的正確調(diào)整，赤緯方向可以有少許誤差。極軸方向有大偏離的話，就算是用自動導(dǎo)星，被導(dǎo)的星星也會繞中心視野旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)拖線現(xiàn)象。下載 (271.49 KB)2009-1-9 22:58圖7讓極軸旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)和齒輪口徑2025cm級別的反射望遠(yuǎn)鏡也可以搭載的固定型赤道儀的極軸驅(qū)動裝置。上方可見的半圓的尺輪是蝸輪，與其嚙合的螺絲一樣的是蝸桿。馬達(dá)輸出的力通過傳動裝置傳到蝸桿，再帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)。這些齒輪的制作誤差和調(diào)整誤差，配合間隙等原因引起周期性的步進延遲。圖8周期性曲線的樣子這個表示的是東西方向步進延遲的極軸周期性曲線（故意讓極軸偏，南面天空的恒星用長焦拍攝就出來這個樣子了）。蝸桿是長周期動作的話，傳動齒輪就是短周期的動作來配合。優(yōu)秀的赤道儀的步進延遲誤差正負(fù)數(shù)角秒，差一點的可以超出正負(fù)30角秒。雖然這點步進延遲，星象也會往東西方向拖線。圖9各種器材的微微歪斜以及接續(xù)部分的間隙等都是引起導(dǎo)星誤差的原因。圖片里的望遠(yuǎn)鏡是為直焦拍攝而特別設(shè)計的，為了在曝光中盡量不發(fā)生器材的歪斜震動，各個部分都做得很結(jié)實。一般這樣的牛頓式反射都比較容易發(fā)生歪斜，鏡筒部分，目鏡的端，相機轉(zhuǎn)接環(huán)的接續(xù)部分（強化過的轉(zhuǎn)接環(huán)好像在專賣店有賣，我是沒見過所以不知道了），主鏡座，副鏡座周圍等都是檢查的重點。下載 (293.58 KB)2009-1-9 22:58圖10所看到周日視運動的速度樣子因方向不同而不同天球以約86164.09秒/周的速度旋轉(zhuǎn)。但由于大氣蒙差現(xiàn)象的影響，因方向的不同，有著極微小的速度差。這個圖為了讓速度明顯地區(qū)分出來，天頂附近（淡藍(lán)色）的以恒星時在運轉(zhuǎn)。追蹤速度與在天赤道和子午線的交點上的某個天體的速度一致的叫做【速度校正型】，比恒星時稍微慢了點的86188.09秒/周（在北緯35度的場合）。速度校正型的在圖片中淡灰色附近調(diào)整比較好。容易觀測的天域覆蓋了廣闊的區(qū)域，許多赤道儀的中心速度采用的是這種速度校正型。暗灰色部分是稍微慢一點的區(qū)域，由于大氣蒙差的現(xiàn)象以及視寧度的影響比較大，那片區(qū)域?qū)潜容^難。從北極附近到北面（藍(lán)色），與上面相反的是，這里是旋轉(zhuǎn)速度稍微快的區(qū)域。圖11一直以來的導(dǎo)星的樣子轉(zhuǎn)載著相機用來拍攝用的望遠(yuǎn)鏡的旁邊，有個可以微調(diào)的導(dǎo)星鏡轉(zhuǎn)接環(huán)，這個環(huán)就是用來裝導(dǎo)星鏡的，導(dǎo)星鏡上裝著導(dǎo)星用的目鏡，它可以在曝光中一直觀測導(dǎo)星的偏離情況，觀測到超出了容許范圍的時候，按下控制器的微動開關(guān)，對適當(dāng)?shù)姆较蜻M行追蹤修正。習(xí)慣性的一般以焦距為400-500mm的望遠(yuǎn)鏡導(dǎo)星比較容易，照經(jīng)驗來說，超過這個焦距就越來越難了，800mm、1000mm等就是具有非常高的難度了。下載 (229.35 KB)2009-1-9 22:58圖12自動導(dǎo)星的概念意外的