Bruset inom astrofotografering

Brus i astrofotografering? Den här artikeln belyser bakgrunden

Brus är en av de största utmaningarna för astrofotografer. Trots den senaste tekniken och till och med artificiell intelligens förblir det en envis störningsfaktor som försämrar bildkvaliteten. Men vad ligger bakom detta fenomen? Varför uppstår det och vilka former finns det? I den här artikeln belyser vi olika typer av brus och dess orsaker och ger dig praktiska tips på hur du kan optimera dina astrofoton.

Vad är brus?

Brus avser slumpmässiga variationer i signalen som inte innehåller någon användbar information och som försämrar bildkvaliteten. Det visar sig som till synes slumpmässiga variationer i ljusstyrka eller färg som inte ingår i det fotograferade motivet. Signal-brusförhållandet (SNR) är avgörande för bildkvaliteten och beräknas på följande sätt:

SNR = A_signal / σ_noise

Där A_signal representerar amplituden hos det signal som sensorn registrerar, det vill säga ett medelvärde av signalen, medan σ_noise betecknar det fruktade bruset. Ett SNR-värde på 1 innebär att signalen inte går att skilja från bruset; ett SNR-värde på 10 eller högre anses vara ”bra”. Denna information är särskilt användbar vid valet av ledstjärnor. Modern programvara beräknar automatiskt de ”bästa” stjärnorna i fältet utifrån FWHM (halvbredden vid halvmaximum i stjärnprofilen) och SNR.

Olika typer av brus

Inom astrofotografering är främst tre typer av brus relevanta:

Mörkerbrus (Dark Noise)

Mörkerbrus är en störningssignal som uppstår till följd av termiska fluktuationer i sensorn. Dessa fluktuationer ”aktiverar” sensorn och ger upphov till oönskat brus som inte går att kontrollera. Vid fotografering måste exponeringstiden beaktas, eftersom ju längre exponeringstiden är, desto fler termiska fluktuationer registrerar sensorn. Mörkerbrus är starkt temperaturberoende, därför finns det idag sofistikerade kylda sensorer som kan reducera detta brus till ett minimum.

Dessutom kan mörkerbruset minskas ytterligare genom att man tar så kallade mörkbilder. Dessa mörkbilder måste tas under samma förhållanden som de egentliga ljusbilderna, det vill säga med samma exponeringstid, samma förstärkning/ISO och samma temperatur.

Elektroniskt brus

Elektroniskt brus uppstår till följd av slumpmässiga avläsningsfel i sensorn och varierar kraftigt från system till system. Hos CCD-sensorer tilldelas varje pixel en kvadratisk medelvärdesavvikelse, som kallas avläsningsbrus. Elektroniskt brus blir särskilt relevant när man fotograferar mycket svaga motiv, eftersom det kan överlagra och störa signalerna från dessa svaga motiv.

Skottbrus eller kvantbrus

Skottbrus, även kallat kvantbrus, är kanske den mest kritiska av de tre typerna av brus. Det uppstår på grund av ljusets diskreta natur, som består av fotoner. Antalet fotoner som registreras under en integreringstid ”t” följer en statistisk fördelning av fotonräkningarna.

För att illustrera detta kan man föreställa sig en mycket regnig dag då vi ställer upp tusen lika stora hinkar i en stor trädgård för att samla upp regnvattnet. Dessa hinkar står tätt intill varandra, ungefär som pixlarna på en astronomisk sensor. Vi räknar hur många regndroppar som faller i varje hink under en viss tidsperiod. Antalet droppar i varje hink kommer att variera; i en hink kan det vara 100 droppar, i en annan 90 eller kanske 110.

Ju längre hinkarna står ute, desto mer vatten samlas det i dem (förutsatt att hinkarna inte svämmar över!). På samma sätt är det med ljus: fotonerna träffar inte varje pixel på sensorn jämnt, och fotonräkningen följer en statistisk fördelning. För monokromatiskt ljus (som från en laser) är detta vanligtvis en Poisson-fördelning.

Med utgångspunkt i signalens kvantmässiga natur blir antalet räkningar:

Räkningar = fotonflöde × QE × t

där ”QE” är sensorns kvanteffektivitet, det vill säga den procentandel av ljuset som omvandlas till en signal, och ”t” är integreringstiden. Därav följer signal-brusförhållandet:

SNR ∝ √t

Denna formel visar att ju längre exponeringstiden är, desto högre blir signal-brusförhållandet och desto lägre blir bruset. Även om detta är en förenkling (eftersom astrofysiska signaler kan ha mer komplexa fördelningar) kvarstår kärnpoängen: Vill du ha mindre brus i din bild? Förläng då exponeringstiden.

Att ta hundratals mörkbilder eller biasbilder kan endast i begränsad utsträckning minska bruset, eftersom det upplevda bruset huvudsakligen härrör från ljusets kvantmässiga natur. För att få en djup himmelsbild med lite brus bör du förlänga exponeringstiden så mycket som möjligt, beroende på dina behov. Om du till exempel har exponerat ett objekt i 2 timmar kommer ytterligare 10 minuter eller till och med en timmes extra exponering inte att ge någon väsentlig förbättring. Som en grov riktlinje måste du minst fördubbla exponeringstiden för att uppnå betydande förbättringar. Det innebär att vid en initial exponeringstid på 2 timmar bör du förlänga den till minst 4 timmar för att uppnå en märkbar kvalitetsförbättring.

Vid exponeringstider på 20 timmar eller mer kan detta bli ett problem, men tack vare modern teknik finns det alternativ. ”Snabba” teleskop, såsom det extremt snabba teleskopet från Omegon, halverar den nödvändiga exponeringstiden.

Bländarvärdet f/2,8 möjliggör kortare exponeringstider (även om det inte innebär att mer ljus samlas in – detta bestäms av bländaröppningen). Det är alltså som om det ”magiskt” skulle regna kraftigare när man byter hinkar.

Sammanfattning

Det finns olika källor till brus, i huvudsak tre huvudtyper: mörkerbrus, elektroniskt brus och kvantbrus. Kvantbruset minskar med ökande integreringstid och beror, till skillnad från de andra två, inte på instrumentets inneboende egenskaper. Tumregeln lyder därför: längre integreringstid = vackrare bilder.

Klara nätter och lycka till med astrofotograferingen!

Emanuele är astrofotograf och studerar fysik vid universitetet i Palermo.

Emanuele har varit astronomientusiast sedan barnsben. Idag är han en talangfull astrofotograf vars bilder uppskattas och publiceras på internet och i facktidskrifter. Hans studier och passion garanterar den bästa rådgivningen för specialiserade produkter inom amatörastronomi!

Språk: italienska, engelska