CCD-kamerat ja kuvausputken valovoimaisuus (f-lukema)

[Timpe]

Aloitetaanpa tällainen ketju, kun olen itsekin (vanhan polven harrastajana) ollut väärässä käsityksessä putken valovoimaisuuden eduista kuvauskäytössä. Otan ensin keskustelun pohjaksi lainauksen Astronetin sanastosta:
Valovoimainen kaukoputki Valovoimaisella kaukoputkella on pieni aukkosuhde. Esim. peiliteleskooppi, jonka aukkosuhde on f/5, on valovoimainen. Valovoimaisia kaukoputkia käytetään erityisesti tähtitaivaan himmeiden kohteiden valokuvaukseen, sillä ne keskittävät valon pienelle alalle kuvatasoon ja siten saadaan kohteista kuvia lyhyillä valotusajoilla.

Menikö tuo oikein vai pitäisikö tuota(kin) lausetta korjata? Kerron ensin jatkoksi oman aiemman luuloni aiheesta eli näin:
Kun kuvaan jotain deep sky -kohdetta 200mm f10 (SCT) putkella joudun valottamaan kuvaa paljon pidempään saadakseni yhtä kirkkaan kuvan kuin 200mm f5 Newtonilla. Tällöin esim. 30 minuutin valotus Andromedan M31 galaksista tuolla f10 SCT:llä tuottaisi kirkkaudeltaan samanlaisen kuvan kuin 10...12 minuuttia saman apertuurin f5 Newtonilla kuvaten, right? (Newtonin paria pykälää SCT:tä paremman valovoiman takia siis.) Tätä tietoahan on kirjoitettu julki alan kirjoissa ja valokuvausoppaissa iät ajat ja olen sen mukisematta hyväksynyt, mutten enää aivan näin valmiisti...

Yahoon QSI-kameraryhmässä tuli näet juttua tästä asiasta, kun eräs käyttäjä ajatteli vaihtaa kamera/putkikalustoaan paremmin kuvaukseen soveltuvaksi. Tuota kautta eteeni tuli luettavaksi myös tämä linkki:
   http://www.stanmooreastro.com/f_ratio_myth.htm
Ja tämä käytännön testi aiheesta:
   http://www.pbase.com/wjshaheen/fratio_myth__indeed
Tuolla linkeissä todisteltiin, että kuvausputken valovoimaisuudella (f-lukemalla) ei ole mitään tekoa syntyvän kuvan signaali/kohinasuhteeseen (S/N), jos putken apertuuri ja käytetty valotusaika pysyvät samana. CCD-kameroilla kuvatessa on siis se ja sama, kuvaatko kohteesi hitaalla f10 SCT:llä vai nopealla f4 "kuvaus-Newtonilla"! Ainoa asia joka muuttuu on polttovälimuutoksen aiheuttama kuvakulmamuutos (ts. valovoimaisempi putki antaa taivaalta leveämmän kuva-alan kuin pidempi-polttovälinen ("hidas") kuvausputki).
Tämä olettaen, että kuvausputkien apertuuri, käytetty valotusaika ja kuvauskamera pysyvät samoina.

Lainaus tuolta linkistä tiivistää asian näin:
The "CCD f-ratio myth" originates in people's experience with film-based photography, where the exposure-time/f-ratio relation is practically considered a "law of nature".  But that "law" is actually a consequence of some peculiar properties of film emulsions that largely do not affect CCD imaging... (clip)
...The quality of information from an object depends on how many photons are captured and measured by the instrument.  The number of object photons available to the camera is solely determined by:
1)     Object flux (photons/second/square-meter)
2)     Aperture size (square-meters) and efficiency
3)     Exposure time
Focal length (and thus f-ratio) has absolutely no effect on the number of photons collected and delivered.

Mitä mieltä foorumilla ollaan tästä?
Onko syntyvän loppukuvan kannalta yhdentekevä juttu, jos kuvaat kohteita 200mm/f4 tai 200mm/f10 putkella kun muut tekijät pysyvät vakioina?
Olen itse ollut niin vanhojen valokuvaustietojeni vanki, etten ole vielä tätä yllä kerrottua valovoimafaktaa kyseenalaistanut tähtikaukoputkissa...

PS. Muistutuksena vielä tämä: valokuvausobjektiiveilla valovoiman muutos esim. f2.8 -> f8 tapahtuu himmentimen avulla. Toisin sanoen objektiivin fyysinen aukko (apertuuri) pienenee merkittävästi, jos objektiivia himmennetään f2.8:sta f8:aan, joten tätä tietoa ei voida soveltaa tähtikaukoputkien erilaisia valovoima-lukuja verrattaessa.

[einari]

Hiljattain lueskelin kanssa CN: foorumilta tästä samaisesta aiheesta:
http://www.cloudynights.com/ubbthreads/showflat.php/Cat/0/Number/4673961/page/3/view/collapsed/sb/5/o/all/fpart/1

Voisikin tehdä kanssa proof of concept-kokeilun tässä syksyllä kun illat pimenee.

[Jyrki]

Sama asia on pyörinyt mielessä viime aikoina kun olen lueskellut (etupäässä CN foorumilla) käytyä väittelyä asian tiimoilta. Se mitä itselle on jäänyt asiasta käteen on että erimielisyydet eivät loppujen lopuksi ole kovinkaan suuria. Sekaannusta näyttäisi aiheuttavan enemmänkin muutaman kirjoittajan tarve perustella omaa kantaansa "hinnalla millä hyvänsä", vaikka itse asiassa ollaan pitkälti samaa mieltä. 

Näyttäisi siltä, että focal-ratiolla ei yksinään ole kovinkaan paljoa merkitystä jos samalla ei keskustella resoluutiosta ja kuva-alasta. Olisi mukava kuulla kommentteja kokeneemmilta kuvaajilta.

[Kaizu]

Apertuuri ja valotusaika määräävät kuinka paljon fotoneja kohteesta saadaan kerättyä. Polttoväli määrää kuinka laajalle alueelle ne sirotellaan kuvakennolle tai filmille. Jos em. 200mm on apertuuri tarkoittaa aukkosuhde neljä 800mm:n ja aukkosuhde kymmenen 2000mm:n polttoväliä.
Neloseln aukolla saadaan pintakirkkaudeltaan suurempi mutta pienikokonen kuva verrattuna kympin aukkosuhteeseen. Tämä toimii pintakohteissa, sumuissa tms kohteissa. Tähdet ovat pistemäisiä (hyvällä optiikalla), silloin kuvan kirkkauteen vaikuttaa vain apertuuri ja valotusaika.

Kameraobjektiivien osalta aukkosuhdetta voi säätää myös toiseen suuntaan mutta se edellyttää käyntiä kamerakaupassa eli ostetaan F2.8:n kaveriksi vaikkapa F1.4. Tähtiharrastajien keskuudessa tämä yleinen sairaus on nimeltään aperture fever.

Kaizu

[Timpe]

Apertuuri ja valotusaika määräävät kuinka paljon fotoneja kohteesta saadaan kerättyä. Polttoväli määrää kuinka laajalle alueelle ne sirotellaan kuvakennolle tai filmille....(clip)...
Nelosen aukolla saadaan pintakirkkaudeltaan suurempi mutta pienikokonen kuva verrattuna kympin aukkosuhteeseen. Tämä toimii pintakohteissa, sumuissa tms kohteissa. Tähdet ovat pistemäisiä (hyvällä optiikalla), silloin kuvan kirkkauteen vaikuttaa vain apertuuri ja valotusaika.

Kaizu taitaa tiivistää tuossa olennaisen asian hyvin pariin lauseeseen. CN:n foorumeilla lisäävät tuohon vielä CCD-kennon pikselitiheyden ja sen kuinka monelle pikselille esim. tähden/kohteen valo leviää kennolla eli onko kyseessä esim. kovin ylisamplattu kuva. Olennaista on kuitenkin se, että f10 putki on yhtä hyvä ("nopea") kuvausväline kuin f5 putkikin, eikä f10:n käyttö tarvitse siksi erillistä lisävalotusta f10:n takia. Onpahan yksi asia vähemmän murehdittavana...

Voisikin tehdä kanssa proof of concept-kokeilun tässä syksyllä kun illat pimenee.

Tämän voisin testata itsekin, jos 0.6x lyhennin toimii kelvollisesti omassa f10 Santelissa. Näkisin erot 180/1080mm (f6) ja 180/1800mm (f10) putkien välillä kuvauskäytössä.

[Lauri Kangas]

Lisätäänpä soppaan vielä yksi lusikka: Osavalotusten pituus pitää aina mitoittaa niin että suurin osa kohinasta on taivaalta tulevaa poissonia eikä kameran lukukohinaa, eli valotetaan riittävän pitkä valotus jotta taustataivas nousee tiettyyn vähän kaikesta (mm. kamerasta) riippuvaan ADU-lukemaan. Taustataivas on pintakohde joten se valottuu pienemmällä aukkosuhteella nopeammin.

Kun kuvataan joko ilman autoguidausta tai sitten vaikkapa kapeakaistasuotimilla, tuohon taivasrajoittuneeseen osavalotukseen on usein vaikea päästä ja tässä valovoimainen aukkosuhde helpottaa.

[Jyrki]

Sekoitetaan pakkaa vielä hieman lisää...
Jonkin sortin yksimielisyys näyttäisi vallitsevan siitä että F-lukema ei itsessään kovin paljoa merkitse vaan moni muukin asia on huomioitava. Moni laskeekin kuumeisesti polttovälin ja kameran pikselikoon suhdetta. Jonkinlainen nyrkkisääntö näyttäisi olevan että 1 kaarisekuntti/pikseli on tavoiteltava kompromissi (silloin ei olla yli eikä alle sämplätty) ja saadaan aikaan hyvä resoluutio.

Jos sitten katsoo vaikka tätä Thomas Davisin kuvaa, jossa värit on otettu 3.7"/pikseli ja luminanssi 1.6"/pikseli niin voi hyvin kysyä, että kuinka suuri merkitys sillä suhdeluvulla lopulta on, ja onko niissä valovoimaisissa putkissa sittenkin jotain taikaa 

http://www.tvdavisastropics.com/astroimages-1_0000e5.htm

[einari]

Valovoimaisissa putkista on taikaa pintakohteissa ja väri-informaatio voidaan ottaa huonommallakin kaaarisekunti/pikseli-suhteella koska yksityiskohdat tulee luminanssikanavasta.

[Jyrki]

Valovoimaisissa putkista on taikaa pintakohteissa ja väri-informaatio voidaan ottaa huonommallakin kaaarisekunti/pikseli-suhteella koska yksityiskohdat tulee luminanssikanavasta.

Näin se varmasti pitkälti on. Toisaalta eräs arvostetuimmista (kuvaus) linssiputkista on Takahashi FSQ 106 ja niillä otettuja loistavia (ja teräviä) kuvia näkee paljon. Kuitenkin sen polttoväli on 530 mm, joka tekee suositulla Kodakin 8300 chipillä 2.1"/pikseli. Lisäksi putkella kuvataan paljon myös täyskokoisilla kennoilla, joissa on usein 9 mikronin chippi jolloin suhdeluvuksi saadaan 3.5"/pikseli.   

Jos tämä kaarisekunti/pikselisuhde olisi oltava jossain 1 pinnassa yksityiskohtien esiin kaivamiseksi niin silloin paljoa alle 1000 mm polttovälin putkilla ei kannattaisi yrittää saada teräviä kuvia edes Kodakin 8300 pieni pikselisellä chipillä (saatika sitten täyskokoisilla kennoilla)

[rintape]

Tuolla linkeissä todisteltiin, että kuvausputken valovoimaisuudella (f-lukemalla) ei ole mitään tekoa syntyvän kuvan signaali/kohinasuhteeseen (S/N), jos putken apertuuri ja käytetty valotusaika pysyvät samana. CCD-kameroilla kuvatessa on siis se ja sama, kuvaatko kohteesi hitaalla f10 SCT:llä vai nopealla f4 "kuvaus-Newtonilla"!3)   

Tuota mun on vaikea uskoa. Jos käytetään samaa valotusaikaa niin kameran tuottama kohina molemmissa tapauksissa on sama (kunhan on laadukas kenno). Mutta. Jos vaikka annetaan kennon kohinalle arvo 1 ja f10:llä saadaan fotoneita kaksinkertainen määrä niin S/N suhde on silloin 2/1. Jos nyt otetaan toinen kuva f4 putkella niin fotoneita saadaan yli kahdeksan kertainen määrä (jos homma siis toimii yhtään niinkuin kameralla. Valokuvauksessahan aukot menee f4/ f5,6/ f8, ja tuleekohan sitten f10 vai 12 en muista. Jokainen f-arvon pienennys puolittaa saadun valon määrän).

Jos nyt siis varovasti arvioidaan, että tuolla f4:llä saadaan nelinkertainen määrä valoa niin S/N suhde on 8/1.

Viittaan myös viisaampiini. Cloydy Nights sivuilla on Graig Starkin artikkelisarja "fishing for photons" jota itse ainakin pidän oikein vakuuttavan esityksenä. Siinä S/N suhteen hyvin syvällisen pohdinnan jälkeen todetaan, että yksi parhaita ja helpoimpia (ja kalleimpia) tapoja parantaa tuota suhdetta on kasvattaa kuvausputken valovoimaa.

Voisiko kuitenkin olla niin, että jos kummassakin edellisessä tapauksessa kohde on niin pieni, että se ei likimainkaan täytä ruutua niin tuo pidempi polttoväli tuottaisi ikäänkuin yhtä valoisan kuvan, koska kohde on kuvassa isompi?

Itse ainakin olen tuon Kaitsun mainitseman taudin pahasti riivaama, enkä ole valmis hylkäämään f-arvon kaiken parantavaa voimaa.

Petri

[einari]

Petri:
Muisteletkohan valokuvauksen wanhaa aikaa jolloin aukkosuhde tarkoitti sitä että itse aukkoa pienennetään (toki tällöin kennolle tulee vähemmän fotoneja).
kaupkoputkissa kun on samankokoinen optiikka mutta eri aukosuhde niitä fotoneja kertyy sama määrä.

Jyrki:
Täytyy ottaa huomioon myös olosuhteet. Parhaimmillaan ilmakehä voi olla sellainen että 1 kaarisekunnin erotuskyvystäkin on jotain iloa, mutta normaalisti se on 2 kaarisekunnin (tai Suomessa usein jopa 3 kaarisekuntia tai huonompi).

[rintape]

Petri:
kaupkoputkissa kun on samankokoinen optiikka mutta eri aukosuhde niitä fotoneja kertyy sama määrä.

Joo mulla menee varmaan asiat hiukan sekaisin. Tuota lausetta mun pitää oikein työstää ja yrittää ymmärtää.

Petri

[PetriKe]

Tietysti tähän kokonaisuuteen vaikuttaa myös kamera ja sen pikselin koko. Jos meillä on kaksi 10-tuumaista putkea eri aukkosuhteella (vaikka f10 ja f5), mutta kummassakin käytetään samanlaista kameraa kuvaamiseen, niin on selvää, että pienemmällä aukkosuhteella varustetulla 10" putkella saadaan samaa valotusaikaa käyttäen parempi kuva s/n-suhteeltaan.

Miksi? Koska pienemmällä aukkosuhteella kerätään valoa isomalta alalta taivasta per pikseli. Tämä tarkoittaa sitä, että tähden/kohteen valo jakautuu vähempään määrää pikseleitä ja näin yksittäiseen pikseliin rekisteröityy enemmän fotoneita = parempi s/n ratio.

[GaryP]

Keskustelu tuntuu sekavalta kun ei puhuta samalla myös FOV:sta.

Kari

EDIT. Sekavalta, hämäävältä, harhaanjohtavalta...

[Jyrki]

Keskustelu tuntuu sekavalta kun ei puhuta samalla myös FOV:sta.

Kari

EDIT. Sekavalta, hämäävältä, harhaanjohtavalta...

Eikös Petri juuri edellisessä kommentissa siitä puhunut...