Koło filtrowe - po co jest w astrofotografii?

Elektroniczne koło filtrowe, czyli EFW - Electronic Filter Wheel, pozwala automatycznie umieszczać kolejne filtry przed sensorem kamery.
 
W systemie mono może obsługiwać np.:
 
• L - luminance,
• R - red,
• G - green,
• B - blue,
• H-alpha,
• OIII,
• SII.
 
Dzięki temu program sesji może przez całą noc zmieniać filtry bez dotykania teleskopu.
 
Koło filtrowe nie jest jednak tylko "magazynkiem na filtry". Jego:
 
• średnica otworów,
• grubość,
• liczba pozycji,
• gwinty,
• położenie względem sensora
 
wpływają na backfocus, winietowanie i projekt całego toru.
 
Jeżeli dopiero rozważasz system mono, zacznij od Kamera mono czy kolorowa OSC?.

Koło filtrowe czy szuflada filtrowa?

Szuflada filtrowa jest znakomita, gdy:
 
• używamy OSC,
• zmieniamy pomiędzy UV/IR-cut i dual-band,
• mamy jeden lub dwa filtry,
• zależy nam na minimalnej masie i prostocie.
 
Koło filtrowe wygrywa, gdy:
 
• mamy kamerę mono,
• używamy LRGB,
• chcemy H-alpha/OIII/SII,
• sesja ma być zautomatyzowana.

5, 7 czy 8 pozycji?

Najprostsza decyzja wynika z liczby filtrów.
 
5 pozycji wystarcza np. na:
 
• LRGB + H-alpha,
• RGB + H-alpha + OIII,
• H-alpha + OIII + SII + dwa filtry dodatkowe.
 
7 pozycji to naturalny standard dla:
 
LRGB + H-alpha + OIII + SII.
 
8 pozycji daje jeszcze jedno miejsce np. na:
 
• dark / blank,
• IR-pass,
• filtr fotometryczny,
• dodatkowy narrowband.

Aktualne koła ZWO - jakie formaty obsługują?

Współczesna rodzina ZWO EFW obejmuje warianty dla:
 
• 1,25" / 31 mm - 5 lub 8 pozycji,
• 36 mm - 7 pozycji,
• 2" / około 50 mm - 5 lub 7 pozycji,
• 50 × 50 mm square - 7 pozycji.
 
Większość nowych okrągłych modeli zajmuje około 20 mm toru mechanicznego. Wariant 50 mm square ma około 16 mm efektywnej grubości.
 
To ważne przy projektowaniu klasycznego 55 mm backfocusu.

Player One Phoenix - podobna filozofia

Aktualna rodzina Phoenix obejmuje m.in.:
 
• 8 × 1,25",
• 7 × 36 mm,
• 5 × 2",
• 7 × 2",
• 7 × 50 mm.
 
Phoenix 7 × 36 mm ma około 21 mm grubości i gwinty M48 × 0,75 po obu stronach.
 
Phoenix 7 × 50 mm również ma około 21 mm grubości, ale używa szerszego toru M54 i producent podaje około 49 mm wolnej średnicy.

Rozmiar filtra nie jest tym samym co rozmiar sensora

Nie można powiedzieć:
 
"APS-C zawsze potrzebuje 36 mm"
 
albo:
 
"full frame zawsze wystarczy 2 cale".
 
Potrzebna średnica filtra zależy jednocześnie od:
 
• przekątnej sensora,
• światłosiły,
• odległości filtra od sensora,
• rzeczywistej wolnej apertury oprawy,
• geometrii reducera / korektora.

Przekątne popularnych sensorów

Format / przykład	Przekątna około
IMX585	12,8 mm
IMX533	16 mm
4/3"	21-22 mm
APS-C / IMX571	28,3 mm
Full frame	43,3 mm

Dlaczego filtr musi być większy od przekątnej sensora?

Filtr znajduje się przed sensorem. W miejscu filtra stożek światła jest szerszy niż dokładnie na powierzchni matrycy.
 
Im dalej filtr od sensora i im szybszy teleskop, tym większej wolnej średnicy potrzebujemy.

Prosty wzór orientacyjny

Dla prostego stożka światła można wykonać szybkie przybliżenie:

potrzebna średnica ≈ przekątna sensora + odległość filtra od sensora / liczba f

Przykład: APS-C 28,3 mm, filtr 20 mm od sensora, teleskop f/4:
 
28,3 + 20 / 4 = 33,3 mm.
 
W prostym modelu 36 mm daje więc rozsądny zapas.
 
Reducer, korektor i złożona optyka mogą zmieniać geometrię wiązki, dlatego jest to wzór orientacyjny, a nie gwarancja.

APS-C + 36 mm - kiedy działa bardzo dobrze?

IMX571 ma przekątną około 28,3 mm. Jeżeli filtr 36 mm znajduje się bardzo blisko sensora, w typowym f/4-f/7 często daje bardzo dobre pokrycie.
 
Dlatego 36 mm stało się bardzo popularnym formatem dla APS-C mono.

APS-C f/3 - 36 mm robi się bardziej wymagające

Dla APS-C 28,3 mm i filtra 20 mm od sensora:
 
28,3 + 20 / 3 ≈ 35,0 mm.
 
To już bardzo blisko nominalnych 36 mm. Jeżeli realny otwór uchwytu jest mniejszy albo filtr znajduje się dalej, może pojawić się mocniejsze winietowanie.

Dlaczego filtr powinien być jak najbliżej sensora?

W przykładzie APS-C f/4:
 
filtr 10 mm od sensora → 30,8 mm,
filtr 30 mm od sensora → 35,8 mm.
 
Sama zmiana odległości może zdecydować, czy 36 mm ma komfortowy zapas.

OAG najlepiej przed EFW

W typowym systemie mono:
 
korektor → OAG → EFW → kamera
 
jest bardzo logicznym układem.
 
Zalety:
 
• filtr pozostaje blisko sensora,
• guider pracuje przed filtrem narrowband,
• H-alpha 3 nm nie ogranicza gwiazd prowadzenia.
 
Szerzej: OAG czy lunetka guidingowa?.

Full frame - 43,3 mm przekątnej

Przykład: sensor 43,3 mm, filtr 20 mm od sensora, f/4:
 
43,3 + 20/4 = 48,3 mm.
 
Dlatego pełna klatka bardzo szybko wykorzystuje prawie całą wolną aperturę dużych filtrów.

2" nie znaczy automatycznie 50,8 mm wolnego szkła

"2 cale" opisuje standard mechaniczny. Filtr w celi M48 ma mniejszą rzeczywistą wolną aperturę niż zewnętrzna średnica oprawy.
 
Przy full frame f/4-f/3 różnica kilku milimetrów ma znaczenie.

50 mm unmounted a 2" mounted

Filtr 50 mm bez oprawy może wykorzystać większą część własnej średnicy. Filtr 2" w oprawie ma gwint i pierścień mechaniczny.
 
Dlatego w wymagającym full-frame 50 mm round unmounted albo 50 mm square może dawać większą swobodę.

1,25", 31 mm i 36 mm

1,25" jest ekonomiczne dla małych sensorów i IMX533, jeśli filtr siedzi blisko sensora.
31 mm unmounted może mieć większą użyteczną wolną powierzchnię niż 1,25" w oprawie.
36 mm jest bardzo dobrym kompromisem dla APS-C, ale nie jest naturalnym wyborem dla full frame.

Czy winietowanie jest zawsze dyskwalifikujące?

Nie. Łagodny spadek jasności może być dobrze skorygowany flatem.
 
Problem pojawia się, gdy róg jest mocno fizycznie zasłonięty i flat musi bardzo mocno wzmacniać ten obszar, a wraz z nim szum.
 
Flat wyrówna jasność, ale nie odzyska fotonów, których filtr mechanicznie nie przepuścił.
 
O kalibracji: Dark, flat, bias i dark-flat.

M42, M48, M54 i M68

Duży filtr nie pomoże, jeśli przed nim znajduje się wąski adapter.
 
Przy większych sensorach zwracamy uwagę na cały tor:
 
• M42,
• M48,
• M54,
• M68 i większe.
 
Najwęższy element może stać się rzeczywistą przysłoną systemu.

Backfocus koła filtrowego

Koło ma określoną grubość mechaniczną.
 
Przykład układu 55 mm:
 
OAG 10 mm
+ EFW 20 mm
+ kamera 17,5 mm
= 47,5 mm.
 
Pozostaje 7,5 mm na adaptery.
 
Szczegóły: Backfocus w astrofotografii.

Filtr ma grubość optyczną, nie tylko mechaniczną

Szkło filtra zmienia drogę optyczną.
 
Praktyczna reguła:
 
przesunięcie optyczne ≈ 1/3 grubości szkła.
 
Dla szkła 2 mm daje to około 0,67 mm.

LRGBSHO - dlaczego siedem pozycji jest tak popularne?

Pełny standard:
 
L / R / G / B / Ha / OIII / SII
 
dokładnie wypełnia koło siedmiopozycyjne.
 
Użytkownik może robić LRGB, SHO, HOO i HaRGB bez przebudowy koła.

8 pozycji - co dać jako ósmy filtr?

Przykłady:
 
• IR-pass,
• NII,
• H-beta,
• filtr fotometryczny,
• clear,
• dark / blank.

Masa koła ma znaczenie

Duże koło, siedem filtrów 2", OAG i kamera full frame tworzą ciężki tor.
 
Może to wpływać na:
 
• ugięcie wyciągu,
• tilt,
• balans montażu,
• nośność focusera.
 
Aktualne ZWO 7 × 2" waży około 720 g.

Koło powinno być możliwie blisko kamery

Z dwóch powodów:
 
1. Mniejsza potrzebna średnica filtra.
2. Sztywniejszy, krótszy tor.
 
Dlatego współczesne systemy często pozwalają przykręcić EFW bezpośrednio do korpusu kamery.

Mounted vs unmounted

Filtry w oprawach są łatwiejsze w montażu i lepiej chronione.
 
Filtry bez oprawy 31/36/50 mm mogą wykorzystać większą część średnicy szkła, ale wymagają ostrożniejszego montażu.
 
Nie dokręcamy pierścieni dociskowych z dużą siłą - szkło ma być stabilne, ale nie naprężone.

Którą stroną włożyć filtr?

Nie ma jednej bezpiecznej reguły dla wszystkich producentów i wszystkich filtrów.
 
Przy unmounted filter kierujemy się dokumentacją producenta, nie kolorem odbicia "na oko".

Filtry fast optics

Filtry interferencyjne zmieniają charakterystykę przy dużym kącie padania światła.
 
W f/2-f/3 może wystąpić:
 
• przesunięcie centralnej długości fali,
• spadek transmisji wybranej linii.
 
Dlatego istnieją wersje high-speed / fast optics / pre-shifted.
 
Rozmiar filtra i band shift to dwa osobne problemy.

Parfokalność i filter offsets

Filtry nie muszą być idealnie parfokalne. Współczesny autofocus może przechowywać offset pozycji focusu dla każdej pozycji koła.
 
To szczególnie przydatne przy LRGBSHO i mieszaniu filtrów różnych producentów.
 
Zobacz Autofocus i EAF.

Każdy filtr potrzebuje własnego flata

Dla LRGBSHO przygotowujemy osobno:
 
• flat L,
• R,
• G,
• B,
• Ha,
• OIII,
• SII.
 
Dust motes mogą być różne dla każdej pozycji koła.

Koło musi pozycjonować filtr powtarzalnie

Nowoczesne koła stosują silniki krokowe i czujniki położenia, aby filtr wracał dokładnie w to samo miejsce.
 
Player One Phoenix wykorzystuje czujniki Halla do pozycjonowania carousela.

USB-C nie oznacza USB 3.0

Koło przesyła minimalną ilość danych, więc USB 2.0 jest całkowicie wystarczające.
 
Aktualne ZWO EFW korzystają z pojedynczego USB-C i zasilania 5 V z USB, bez dodatkowego zasilacza.

Koło a kamera OSC

EFW można używać także z OSC do UV/IR-cut, dual-band, multi-band czy IR-pass, ale przy dwóch filtrach szuflada jest zwykle prostsza i lżejsza.

Koło do fotografii planetarnej

Kamera mono planetarna może używać małego koła:
 
• R,
• G,
• B,
• IR-pass,
• CH4.
 
Tu zwykle wystarczą filtry 1,25", ponieważ sensory planetarne są małe.

Koło na Newtonie f/4

Szybki Newton zwiększa wymagania:
 
• filtr musi być blisko sensora,
• duża kamera + EFW mocno obciąża wyciąg,
• tilt staje się widoczny,
• spacing korektora musi pozostać prawidłowy.
 
Przy APS-C 36 mm jest często atrakcyjne, ale przy f/3 trzeba policzyć geometrię bardzo dokładnie.

Koło na SCT / RC

W wolniejszych systemach f/7-f/10 wymagana średnica filtra rośnie wolniej wraz z dystansem od sensora.
 
Długie ogniskowe często oznaczają jednak OAG, duży sensor i rozbudowany tor, więc kluczowy staje się backfocus i wolna apertura adapterów.

Jak dobrać filtr do IMX533?

Przekątna około 16 mm daje duży komfort. Dobrze zaprojektowany system może korzystać z 1,25" mounted albo 31 mm unmounted również przy dość szybkich teleskopach, jeśli filtr jest blisko sensora.

Jak dobrać filtr do IMX571 APS-C?

Najczęściej rozważamy:
 
• 36 mm - kompaktowo i ekonomicznie,
• 2"/50 mm - większy zapas dla bardzo szybkiej optyki lub dalszego położenia koła.
 
36 mm jest świetnym punktem startowym, ale f/3-f/3,5 wymaga policzenia geometrii konkretnego toru.

Jak dobrać filtr do full frame?

Najczęściej:
 
• 2" mounted,
• 50 mm unmounted,
• 50 mm square.
 
Przy f/4 i szybciej sprawdzamy rzeczywisty clear aperture, a nie tylko nazwę rozmiaru.

Tabela: sensowny punkt startowy

Sensor	Format do rozważenia
Małe sensory planetarne	1,25".
IMX533	1,25" lub 31 mm; większy przy bardzo szybkiej optyce.
4/3"	31/36 mm zależnie od f-ratio i dystansu.
APS-C / IMX571	36 mm typowo; 2"/50 mm dla większego zapasu.
Full frame	2", 50 mm unmounted lub 50 mm square.

Tabela: liczba pozycji

Liczba	Praktyczne zastosowanie
5	LRGB + Ha albo uproszczony narrowband.
7	Pełne LRGBSHO.
8	LRGBSHO + filtr specjalny / blank.

Procedura doboru koła filtrowego

1. Ustal sensor i jego przekątną.
2. Ustal liczbę f teleskopu po reducerze / korektorze.
3. Ustal odległość filtra od sensora.
4. Oszacuj potrzebną wolną aperturę.
5. Sprawdź rzeczywisty clear aperture koła i oprawy.
6. Wybierz liczbę pozycji według planowanych filtrów.
7. Sprawdź grubość EFW i cały backfocus.
8. Sprawdź gwinty M42/M48/M54/M68.
9. Sprawdź masę i nośność focusera.
10. Po złożeniu wykonaj flaty i oceń rzeczywiste winietowanie.

Najczęstsze błędy

• "APS-C = 36 mm bez liczenia",
• "full frame = każdy filtr 2 cale",
• ignorowanie odległości filtra od sensora,
• kupowanie 5 pozycji przy planie LRGBSHO,
• wybór dużych filtrów przy torze ograniczonym przez M42,
• nieuwzględnienie grubości EFW w backfocusie,
• odsuwanie filtra daleko od sensora bez potrzeby,
• za ciężkie koło dla słabego focusera,
• brak uwzględnienia fast-optics band shift,
• traktowanie flata jako sposobu na naprawę całkowicie zasłoniętych rogów.

Czy warto kupić większe filtry "na przyszłość"?

Czasem tak.
 
Jeżeli dziś mamy IMX533, ale planujemy APS-C, 36 mm może oszczędzić późniejszej wymiany kompletu.
 
Jeżeli planujemy full frame, 2"/50 mm może mieć sens od początku.
 
Nie warto jednak automatycznie kupować 50 mm do małej kamery, jeśli zwiększa to koszt i masę bez realnej korzyści.

Najważniejszy wniosek

Koło filtrowe wybieramy jako część całego toru kamera-filtry-optyka, a nie według samej liczby otworów.
 
Najważniejsze zasady:
 
• 7 pozycji jest naturalnym wyborem dla pełnego LRGBSHO,
• 36 mm jest bardzo dobrym kompromisem dla wielu kamer APS-C, ale zależy od f-ratio i odległości od sensora,
• full frame zwykle prowadzi do 2"/50 mm/50 mm square,
• filtr powinien znajdować się możliwie blisko sensora,
• OAG zwykle warto umieścić przed EFW,
• największy filtr nie pomoże, jeśli tor jest wcześniej ograniczony małym gwintem,
• fast optics wymaga sprawdzenia nie tylko średnicy, ale również band shiftu narrowbandu.
 
Najbardziej praktyczna decyzja wynika z trzech liczb:
 
przekątna sensora + światłosiła + odległość filtra od sensora.
 
Dalsze artykuły: Kamera mono czy OSC?, Filtry astronomiczne, Backfocus w astrofotografii, Autofocus i EAF, OAG czy lunetka guidingowa?, Klatki kalibracyjne oraz Jak wybrać kamerę astronomiczną?.