Начална страница | Астрофотография | Биноклите | Спектроскопия за астролюбители | Геометрична оптика | Почистване на оптични детайли | Кометите – как да ги наблюдаваме | Звездното небе и предстоящите астрономически явления | Азбучен указател на оптичните термини
За практиката на любителя
КАК ДА СИ КОНСТРУИРАМЕ ALL-SKY КАМЕРА
Широкоъгълна камера с оптични приставки:
Статията е публикувана във в. Телескоп, с продължения в бр. 17, 18 и 19 / април-май 2007 г.
Идеята да можем да фотографираме цялото небе върху един кадър изглежда доста привлекателна. Представете си например нощният небосвод, обсипан със звезди, обграден от хоризонт със силуети на дървета, сгради, планински възвишения или с разноцветни сияния от далечни нощни светлини. Представете си и Млечният път над всичко това, пресичащ небето диаметрално - както през летните и есенни нощи...
Метеорните наблюдатели също желаят да имат свръхширокоъгълен светлосилен обектив, обхващащ цялото небе при фотоапарат насочен към зенита. Това би спестило доста филми и суетене около няколкото фотоапарата, насочени в разни посоки към небето. За целта най-подходящи са обективите тип „рибешко око” (Fish-eye), имащи обхват 180о и фокусни разстояния между 8 и 16 mm (за кадър лайка-формат). При по-късофокусните от тях, зрителното поле се изобразява като светъл кръг, вписан в рамките на кадъра, а при по-дългофокусните - описан около кадъра, с диаметър съизмерим с диагоналите му. Тези обективи обаче са скъпи. Друга неприятна тяхна особеност е силното изкривяване на образите и прекомерно усилената перспектива, поради особената конструкция на оптиката им. Тези изкривявания няма как да се избегнат и просто трябва да се примирим с тях!
Друг вариант е да си изработите all-sky камера от изпъкнало сферично огледало и фотоапарат с нормален обектив. Препоръчително е огледалото да е с диаметър поне 100 mm и с изпъкналост, позволяваща обзор на 180о. Огледалото се поставя хоризонтално върху подходящ плосък предмет – кутия, сандъче или др., а фотоапарата се фиксира на тънка стойка, на височина най-малко 40 см над него. Факторите, определящи тази височина и оптичните параметри на камерата са разяснени по-нататък, но при условие, че сглобявате установката от подръчни материали, най-добре е да определите височината експериментално. За целта като гледате в огледално-рефлексния визьор или в LCD-дисплея на фотоапарата, огледалото трябва да запълва целия му обхват. Чрез промяна на височината можете да изберете дали кръглото поле на огледалото да е изцяло вписано в рамките на кадъра или обратно - кадърът да е побран в него! Може би ще предпочетете междинен вариант, при който ъглите на визьора остават тъмни (винетирани), а краищата на огледалото излизат извън дългите страни на кадъра. В последните два случая обаче няма да виждате цялото огледало и респ. някои от областите на небето – тези, оставащи ниско до хоризонта. Чрез промяна на височината можете да регулирате ъгловия обхват на камерата в известни граници: С приближаване на фотоапарата до огледалото обхвата расте и обратно. Все пак не намалявайте много височината - тогава уголеменото отражение на фотоапарата в центъра на полето ще закрива по-голяма част от небето около зенита. Добро решение е ако изберете огледало с изпъкналост, позволяваща обхват малко над 180о. Така ще се фотографират обекти, оставащи малко под математическия хоризонт. Тези обекти могат да ви послужат за ориентир или да придадат известна художествена стойност на снимките ви.
Схема на огледална All-sky камера
a и b – точки от диаметрално противоположните краища на огледалото, в които се отразяват два лъча, определящи границите на полето. Ъгълът на падане a между лъча и продължението на радиуса r към точка a, е равен на ъгъла на отражение b;
L – дистанцията между огледалото и фотообектива. Препоръчително е да бъде не по-къса от 40 см, при диаметър на огледалото около 150 mm.
Съществува връзка между изпъкналостта на огледалото, неговият диаметър и ъгловия обхват на системата. За да имате обхват 180о е нужно отношението между диаметъра D на огледалото и радиуса r на повърхностната му кривина да е D/r=1.4. Тъй като фокусното растояние f при сферичните огледала е два пъти по-късо от радиуса на кривината (пренебрегваме ефекта от сферичната аберация), то в едно изпъкнало огледало ще виждаме целия небесен купол, ако отношението D/f=2.8. Например разсейващо огледало с D=150 mm и r=107 mm (т.е. с фокусно f=-53.5 mm) е напълно подходящо за целта. Ако фотоапарата не е твърде високо над това огледало, във визьора ще виждаме обхват малко над 180о. Фотообектива трябва да е възможно по-светлосилен и фокусиран приблизително на разстоянието, на което се намира огледалото под него. Ако диаметърът на огледалото е малък, ще виждаме неговото поле като неголям светъл кръг в центъра на визьора, а образите в него ще са силно умалени, дори неразличими! В такъв случай, за да не приближаваме фотоапарата до огледалото, можем да заменим нормалния фотообектив с по-дългофокусен. Използването на малки огледала обаче не е желателно, тъй като се губи светлосила.
Огледална all-sky камера можете да си направите и като ползвате временно обикновен фотографски статив. Изпъкналото огледало 1 е поставено точно под фотоапарата 2, върху сандъчето 3, в което е инсталиран слаб нагревател, захранван от кабела 4. Лекото нагряване предотвратява изпотяването на огледалото при повишена влажност.
При подготовката за работа, може установката да се фокусира предварително през деня по облаците и да се остави готова за нощта на наблюдението. Фокусирането нощем по звездите може да се окаже проблемно, поради неярките им отразени образи. Друг типичен проблем е изпотяването на огледалото по време на метеорни наблюдения, траещи цяла нощ. Причината е, че по принцип all-sky камерата се монтира ниско до земята и при поява на роса, огледалото веднага се намокря! Най-удачното решение е да инсталирате маломощен нагревател в кутията или в сандъчето, върху което поставяте огледалото. Мощноста трябва да е макс. 10 W – колкото да поддържа огледалото леко затоплено. Ако прецените, може само от време на време да включвате подгряването, за да предотвратите евентуално изпотяване. Ако кутията се затваря плътно и не пропуска светлина, може вместо нагревател, да поставите в нея слаба електрическа крушка. Отделената от нея топлина ще е достатъчна. За всичко това обаче трябва да имате достъп до мрежово напрежение или до подходящ преносим ел. източник, с достатъчно голям капацитет!
Най-големият проблем при конструирането на огледална all-sky камера е да се намери или изработи огледалото. Изискванията към неговото качество не са така високи, както при изработката на телескоп-рефлектор, но това не прави задачата много по-лесна! Едва ли лесно ще намерите готово изпъкнало огледало, с характеристики близки до необходимите! Добро решение е да си изработите такова като метализирате изпъкнала повърхност на леща с по-голям диаметър, имаща и нужния радиус на кривината. Друго възможно, но доста по-неефективно решение е да използвате силно вдлъбнато късофокусно огледало, с отношение f/D около 0.35.
Накрая няколко думи за начина на снимане с камерата. Експозициите са като обичайните при фотографски метеорни наблюдения – с трайност от 10 до около 20 минути. Ако прецените, че резултантната светлосила на системата е малка, можете да удължите това време. Поради силно умаления образ и целта на наблюденията – регистриране на по-ярки метеори, водене не ви е необходимо.
Широкоъгълна камера с оптични приставки
Има и още една възможност за любителите, изглеждаща доста по-лоша, но за сметка на това често най-достъпна! След влизането в употреба на минилабовете във фотостудията, старите фотоувеличители станаха излишни! Много от тези, макар и качествени прибори, бяха разпродадени на безценица или изхвърлени от употреба, а други и до днес събират прах по мазета и тавани...
Панорамен обърнат образ, наблюдаван през лещите на оптичен кондензор на прожекционен апарат. Вижда се, че ъгловият обхват на кондензора значително превишава този на фотообектива, с който е заснета снимката.
В тези прибори има един забележителен елемент – оптичният кондензор, намиращ се между лампата и касетата за филма. Той се състои най-често от две масивни плоскоизпъкнали лещи с голяма пречупваща сила, обърнати с изпъкналите си страни една към друга. Общото фокусно разстояние на тези лещи е до няколко сантиметра и е по-късо от техния диаметър! Наистина, кондензорите са с голяма светлосила, но са некоригирани от оптичните аберации и затова употребата им за по-специални цели изглежда невъзможна. Ако обаче погледнем от разстояние в такъв кондензор, ще видим в него умалените обърнати образи на обектите в далечината, при това в твърде впечатляващ панорамен вид. Точно това свойство е важно за нас! Ако поставим кондензора на известно разстояние пред огледално-рефлексен фотоапарат и фокусираме обектива на късо разстояние, във визьора ще видим същата картина с широко поле. Това поле обикновено е около 90 - 100о, но ако към кондензора добавим още една късофокусна събирателна леща, обхватът може да нарастне до 120 - 130о. Колкото по-късофокусен е кондензора и с по-голям диаметър, толкова по-широко поле ще виждаме през него. Остава само да го закрепим подходящо пред обектива на фотоапарата, на разстояние подбрано така, че светлото поле да се побира в рамките на огледалния визьор. За целта можем да закрепим кондензора в единия край на пластмасова тръба, която да поставяме на фотообектива като удължена приставка. С това нашата непретенциозна широкоъгълна камера е готова!
Разбира се, метода има много недостатъци: Доста голям процент от светлината се поглъща в няколкото дебели лещи на кондензора. Макар че последният е твърде светлосилен, до попадането си във фотообектива, светлината значително се разсейва и резултантната светлосила на цялата система остава малка. Има и повишен риск от поява на вътрешни отражения, тъй като лещите на оптичните кондензори най-често не са просветлени. Неотстранените оптични изкривявания (най-вече кома, хроматизъм и сферична аберация) водят до нееднакъв контраст на образа по цялото поле.
Конструирана от автора широкоъгълна камера с приставка пред фотообектива.
Широкоъгълният обектив 1 на приставката, съставен от 3 мощни кондензорни лещи, е поставен в единия край на пластмасовата тръба 2. В другия край на същата е вкаран обектива на фотоапарата 4. За да може фотообектива да се фокусира на къса дистанция, между него и тялото на фотоапарата е поставена удължителната гривна 3. Така изработената приставка по-скоро има вид на телеобектив, но чрез нея фотоапарата обхваща поле от 130о. Оптичната схема на установката е дадена в следващата фигура.
Схема на камера с приставка от събирателни кондензорни лещи
1 – челна плоскоизпъкнала леща, с форма близка до полусфера;
2 и 3 – лещи от оптичен кондензор, свален от стар прожекционен апарат.
a и b – два косо попадащи в обектива успоредни светлинни снопа, излъчени от далечни точкови светоизточници, намиращи се в краищата на полето;
Fa и Fb – образи на светоизточниците във фокалата на първия обектив;
Fa’ и Fb’ – препроектираните от фотообектива образи във фокалата на камерата.
Пречупващата сила на лещите 1, 2 и 3 се сумира и на практика те съставят широкоъгълен свръхсветлосилен обектив, с отношение f/D=0.65! Пречупването на светлината през такава система е като през стъклена сфера – получава се силно издребнен и панорамен образ. За да се постигне плоско поле обаче, последната леща 3, която е най-близка до преките фокуси Fa и Fb, е обърната с плоската си страна надолу и на практика действа почти като леща на Пиаци Смит (коректор за плоско поле).
Фотообективът трябва да е нормален, възможно по-светлосилен и фокусиран на къса дистанция, до получаване на ясен образ в огледално-рефлексния визьор. Ако това не е възможно, между него и тялото на фотоапарата се монтира удължителна гривна.
Въпреки това, такава камера лесно се конструира и покрива по-голямата част от небето. Тя наистина е способна да регистрира появата на по-ярки метеори.
Самоделно конструираният от автора трилещов широкоъгълен обектив, с диаметър 40 mm и фокусно разстояние 26 mm, с отношение f/D=0.65.
Снимка, заснета със самоделната широкоъгълна камера, с обхват 130о.
Същият изглед, заснет нощем.
Това е задължителен, лесен и много информативен тест за качеството на оптиката – как се възпроизвеждат нощните светлини и какви дефекти се наблюдават в краищата на полето (кома, хроматизъм или др.).
Приставка от група разсейвателни лещи
Възможен е вариант на оптична приставка с използване на няколко менискови разсейвателни лещи (изпъкнало-вдлъбнати), подредени стъпално - според диаметъра и собствената си пречупваща сила. Големите по диаметър и по-слаби лещи са първи, преди по-мощните и с по-малък диаметър. Така зрителното поле на системата не се ограничава от диаметъра на първите лещи, а пречупващата сила на цялата приставка е сума от тази на всички изграждащи я компоненти (както при описаната по-горе приставка с кондензорни лещи). Особеното тук е плоско-изпъкналата събирателна леща 4, обърната с изпъкналата си страна към фотообектива 5, която се избира с такава пречупваща сила, че полето на камерата да бъде или изцяло вписано в очертанията на кадъра, или кадърът да е част от полето – според желанието на фотографа. На практика, лещата 4 играе ролята на проксар, т.е. ако разсейвателните лещи се свалят, бихме могли да снимаме обекти от къса дистанция – като на макро. Ако разсейвателните лещи са достатъчно мощни, ъгловият обхват на системата може да бъде между 120 и 150o – едно доста широко поле, обхващащо значителна част от небето.
Схема на камера с приставка от разсейвателни лещи
1, 2 и 3 – разсейващи лещи, подредени последователно според диаметъра и пречупващата си сила;
4 – събирателна леща в ролята на проксар;
a и b – косо попадащи в обектива успоредни светлинни снопове от далечни точкови светоизточници, видими в краищата на полето;
Fa и Fb – образи на светоизточниците във фокалата на камерата;
Всъщност, използването на група от мощни разсейвателни лещи в началото на оптичната система не е необичайна – всички широкоъгълни фотообективи тип „обърнат телеобектив” са построени така. Това дава възможност фокусното разстояние да се скъси много повече от стандартната работна отсечка на фотообектива, което е необходимо при SLR и DSLR-камерите.
Септември 2006 г.
Оптични изкривявания (аберации) на проста леща;
Азбучен указател на някои термини в оптиката;
Тематичен указател на статиите.