Sensor i pole widzenia - dwa parametry, które najczęściej się mylą

W astrofotografii bardzo często mieszamy dwa różne zagadnienia:
 
• pole widzenia,
• skalę obrazu.
 
Pole widzenia zależy przede wszystkim od:
 
• fizycznego rozmiaru sensora,
• ogniskowej teleskopu.
 
Skala obrazu zależy przede wszystkim od:
 
• rozmiaru pojedynczego piksela,
• ogniskowej.
 
Dlatego dwie kamery mogą mieć identyczny rozmiar piksela, ale zupełnie inne pole widzenia, jeżeli jedna ma mały sensor, a druga APS-C.
 
Szczegóły dotyczące skali obrazu znajdziesz w Sampling i skala obrazu w astrofotografii.

Większy sensor nie daje większego powiększenia

To jedna z najważniejszych zasad.
 
Jeżeli do tego samego teleskopu założymy:
 
• mały sensor,
• APS-C,
• full frame,
 
to centralny fragment obrazu powstaje z tej samej ogniskowej i przy tym samym powiększeniu liniowym.
 
Większy sensor po prostu rejestruje większą część płaszczyzny ogniskowej.
 
Nie "przybliża" bardziej. Nie zwiększa fizycznej ogniskowej teleskopu. Nie poprawia automatycznie rozdzielczości.

Mniejszy sensor daje efekt crop

Jeżeli mały sensor rejestruje tylko środkowy fragment obrazu, otrzymujemy węższe pole widzenia.
 
Może to wyglądać jak większe przybliżenie, ale optycznie nic nie zostało powiększone.
 
To po prostu crop - wycięcie mniejszego fragmentu pola.

Przykład: ten sam teleskop, dwa sensory

Załóżmy teleskop 500 mm.
 
Sensor A:
 
• szerokość 11,3 mm.
 
Sensor B:
 
• szerokość 23,5 mm.
 
Druga kamera obejmie ponad dwa razy szerszy fragment płaszczyzny ogniskowej.
 
Jeżeli oba sensory mają piksel 3,76 µm, ich sampling pozostanie taki sam. Zmieni się wyłącznie liczba pikseli i pole widzenia.

Podstawowy wzór na pole widzenia

Dokładny kąt pola dla jednego wymiaru sensora:

FOV = 2 × arctan(rozmiar sensora / (2 × ogniskowa))

Dla typowych astronomicznych pól możemy wygodnie użyć przybliżenia:

FOV [°] ≈ 57,3 × rozmiar sensora [mm] / ogniskowa [mm]

Osobno liczymy:
 
• szerokość,
• wysokość,
• przekątną pola.

Przykład: APS-C przy 500 mm

Przyjmijmy sensor około:
 
23,5 × 15,7 mm
 
i teleskop 500 mm.
 
Szerokość:
57,3 × 23,5 / 500 ≈ 2,69°.
 
Wysokość:
57,3 × 15,7 / 500 ≈ 1,80°.
 
Pole to około:
2,7° × 1,8°.

Przykład: full frame przy 500 mm

Full frame:
 
36 × 24 mm.
 
Szerokość:
57,3 × 36 / 500 ≈ 4,13°.
 
Wysokość:
57,3 × 24 / 500 ≈ 2,75°.
 
To znacznie większy fragment nieba niż APS-C przy tej samej ogniskowej.

Przykład: IMX533 przy 500 mm

IMX533 ma kwadratowy sensor około:
 
11,3 × 11,3 mm.
 
Przy 500 mm:
 
57,3 × 11,3 / 500 ≈ 1,30°.
 
Otrzymujemy więc około:
1,3° × 1,3°.

Ogniskowa działa dokładnie odwrotnie

Im dłuższa ogniskowa:
 
• węższe pole widzenia,
• większy detal kątowy przy tym samym pikselu.
 
Im krótsza:
 
• szersze pole,
• większe obiekty mieszczą się w jednym kadrze.

Ten sam APS-C przy 250, 500 i 1000 mm

Ogniskowa	Pole około
250 mm	5,4° × 3,6°
500 mm	2,7° × 1,8°
1000 mm	1,35° × 0,90°

Reduktor zmienia pole, bo zmienia ogniskową

Jeżeli teleskop 600 mm otrzyma reducer 0,8×:
 
600 × 0,8 = 480 mm.
 
Pole widzenia wzrośnie w każdym wymiarze około:
 
600 / 480 = 1,25×.
 
Czyli kadr będzie około 25% szerszy i 25% wyższy.
 
Więcej: Flattener, reducer i korektor komy.

Barlow zawęża pole

Barlow 2×:
 
• podwaja efektywną ogniskową,
• zmniejsza pole widzenia około dwukrotnie w każdym wymiarze.
 
Dlatego w fotografii planetarnej mały sensor może być całkowicie wystarczający.

Crop factor - przydatny, ale często źle rozumiany

Crop factor porównuje przekątną danego sensora z pełną klatką 36 × 24 mm.
 
Full frame ma przekątną:
 
około 43,3 mm.
 
Jeżeli sensor ma przekątną 28,3 mm:
 
43,3 / 28,3 ≈ 1,53×.
 
Mówimy więc o crop około 1,5×.

Crop factor nie zmienia ogniskowej teleskopu

Teleskop 500 mm z APS-C nadal ma:
 
500 mm ogniskowej.
 
Nie staje się fizycznie teleskopem 750 mm.
 
Po prostu APS-C pokazuje pole podobne do tego, jakie pełna klatka uzyskałaby przy około 750 mm.
 
To porównanie kadru, nie zmiana optyki.

Przekątna sensora - najważniejsza liczba dla image circle

Przekątna prostokątnego sensora:

d = √(szerokość² + wysokość²)

Przykład APS-C:
 
23,5² + 15,7² ≈ 798,
√798 ≈ 28,3 mm.
 
To przekątna określa, jak daleko od osi znajdują się narożniki sensora.

Image circle - co oznacza?

Image circle to średnica obszaru obrazu, który teleskop lub korektor może oświetlić i/lub skorygować.
 
Trzeba jednak rozróżnić:
 
• illuminated image circle - obszar fizycznie oświetlony,
• corrected image circle - obszar, w którym aberracje są utrzymywane na akceptowalnym poziomie.
 
Teleskop może oświetlić 44 mm, ale niekoniecznie dawać idealne gwiazdy w całym tym polu.

Sensor mniejszy niż image circle

Jeżeli sensor ma przekątną 16 mm, a korektor dobrze pracuje do 30 mm:
 
• wykorzystujemy tylko środkową część pola,
• aberracje brzegowe są mniej widoczne,
• wymagania wobec tiltu są mniejsze.

Sensor większy od dobrze skorygowanego pola

Jeżeli pełna klatka 43,3 mm trafia do układu skorygowanego realnie do 28 mm:
 
• centrum może wyglądać świetnie,
• rogi mogą mieć komę, astygmatyzm albo krzywiznę,
 
mimo że sama kamera działa poprawnie.
 
To nie jest problem, który rozwiąże zmiana gainu albo guidingu.

Większy sensor jest bardziej wymagający dla optyki

Mały sensor ukrywa problemy brzegowe.
 
Przejście z IMX533 do APS-C lub full frame może ujawnić:
 
• tilt,
• zły backfocus,
• niewłaściwy flattener,
• niedostateczną korekcję pola,
• winietowanie.
 
Zobacz Gwiazdy w rogach - backfocus, tilt czy kolimacja?.

Większy sensor jest bardziej wymagający dla mechaniki

Jeżeli sensor ma 43 mm przekątnej:
 
• narożnik leży ponad 21 mm od osi,
 
więc nawet małe:
 
• przekoszenie,
• ugięcie,
• nieosiowość
 
stają się bardzo widoczne.

Formaty popularnych sensorów

Przykład	Wymiary około	Przekątna około
IMX585	11,2 × 6,3 mm	12,8 mm
IMX533	11,3 × 11,3 mm	16,0 mm
4/3"	około 17,7 × 13,4 mm	około 22 mm
APS-C / IMX571	około 23,5 × 15,7 mm	28,3 mm
Full frame	36 × 24 mm	43,3 mm

IMX533 - dlaczego kwadrat jest popularny?

Kwadratowy sensor:
 
• upraszcza kadrowanie,
• nie wymusza tak mocno konkretnej orientacji,
• dobrze nadaje się do wielu galaktyk i mniejszych mgławic.
 
Jego ograniczeniem jest po prostu mniejsze pole niż APS-C.

APS-C - bardzo dobry kompromis

APS-C:
 
• daje duże pole,
• nadal jest relatywnie łatwe do obsłużenia filtrowo i mechanicznie,
• nie wymaga tak ogromnego corrected image circle jak full frame.
 
Dlatego IMX571 stał się jednym z najpopularniejszych formatów DSO.

Full frame - kiedy ma sens?

Pełna klatka ma sens, gdy:
 
• teleskop rzeczywiście oferuje duże skorygowane pole,
• chcemy szerokiego kadru bez skracania ogniskowej,
• akceptujemy większe wymagania mechaniczne i filtrowe,
• cały tor M54/M68/2" nie ogranicza pola.

Full frame nie zawsze jest ulepszeniem

Jeżeli:
 
• korektor dobrze pracuje tylko do APS-C,
• filtry są za małe,
• wyciąg mocno winietuje,
 
full frame może dać większy plik, ale nie lepsze użyteczne zdjęcie.

Sensor i filtr - wspólna geometria

Większy sensor potrzebuje większej wolnej apertury filtrów.
 
Dlatego przy:
 
• małych sensorach często wystarcza 1,25",
• APS-C często używa się 36 mm,
• full frame zwykle kieruje nas w stronę 2"/50 mm.
 
Nie jest to jednak sztywna reguła - liczy się również światłosiła i odległość filtra od sensora.
 
Zobacz Koło filtrowe EFW - jak dobrać rozmiar filtrów.

Winietowanie - czym jest?

Winietowanie oznacza spadek jasności ku brzegom pola.
 
Może wynikać z:
 
• samej optyki,
• zbyt małego wyciągu,
• zbyt małego filtra,
• korektora,
• adaptera,
• OAG,
• rozmiaru lustra wtórnego Newtona.

Flat może skorygować umiarkowane winietowanie

Jeżeli rogi mają np. 70-80% jasności centrum, dobry flat może bardzo skutecznie wyrównać pole.
 
Jeżeli róg jest fizycznie prawie zasłonięty, flat musi bardzo mocno wzmacniać jego sygnał i szum.
 
Kalibracja nie odzyskuje utraconych fotonów.
 
Więcej: Dark, flat, bias i dark-flat.

Sensor a rozmiar filtrów w szybkim teleskopie

Przy f/3-f/4 stożek światła szybko rozszerza się przed sensorem.
 
Dlatego ten sam APS-C może:
 
• działać świetnie z 36 mm w jednym układzie,
• wyraźnie winietować w innym, jeżeli filtr jest dalej od matrycy.

Sensor a OAG

Duży sensor zostawia mniej wolnego miejsca przy krawędzi pola na pryzmat OAG.
 
W full frame:
 
• pryzmat trzeba ustawić dokładniej,
• potrzebny jest większy tor,
• łatwiej o cień na sensorze.
 
Zobacz OAG czy lunetka guidingowa?.

Sensor a backfocus

Sam większy sensor nie zmienia wymaganego backfocusu korektora.
 
Ale ujawnia znacznie mocniej błąd spacingu, ponieważ korzysta z dalszej części pola.
 
Mały sensor może wyglądać dobrze przy ustawieniu, które na full frame daje bardzo słabe rogi.
 
Zobacz Backfocus w astrofotografii.

Sensor a tilt

Im większa przekątna, tym łatwiej zauważyć, że jedna strona sensora znajduje się minimalnie bliżej ogniska niż druga.
 
Dlatego full frame wymaga:
 
• sztywnego focusera,
• dobrych gwintowanych połączeń,
• kontroli tilt plate.

Pole widzenia a planowanie obiektu

Dobór kamery warto zaczynać od tego, co chcemy fotografować.
 
Szerokie obiekty:
 
• M31,
• Veil,
• Rosette,
• North America,
 
preferują krótszą ogniskową lub większy sensor.
 
Małe galaktyki i planetarne:
 
• korzystają z dłuższej ogniskowej,
• nie wymagają ogromnego sensora, jeśli szeroki kontekst nie jest celem.

Duży sensor nie zastępuje mozaiki w każdej sytuacji

Nawet full frame może być za mały dla:
 
• bardzo rozległych mgławic,
• dużych kompleksów Drogi Mlecznej.
 
Wtedy potrzebujemy:
 
• krótszej ogniskowej,
• albo mozaiki.

Mozaika vs większy sensor

Większy sensor:
 
• daje cały kadr jednocześnie,
• nie wymaga łączenia paneli,
• upraszcza gradienty i warunki pogodowe.
 
Mozaika:
 
• może osiągnąć dowolnie szerokie pole,
• ale wymaga większej liczby ekspozycji i dokładnego nakładania paneli.

Pole widzenia i rotacja kamery

Prostokątny sensor można obracać, aby lepiej dopasować:
 
• długą oś galaktyki,
• parę obiektów,
• rozległą mgławicę.
 
Kwadratowy sensor jest pod tym względem bardziej neutralny.

Rotator nie zmienia pola widzenia

Obrót kamery:
 
• zmienia orientację prostokąta,
• nie zmienia jego wymiarów kątowych.
 
Pole 2,7° × 1,8° po obrocie nadal ma te same wymiary, tylko inaczej ustawione na niebie.

Pole widzenia a guiding

Sam większy sensor nie zwiększa wymagań wobec guidingu w centrum obrazu.
 
Guiding wiąże się bardziej ze:
 
• samplingiem,
• ogniskową,
• rozmiarem piksela.
 
Duże pole łatwiej jednak ujawnia:
 
• rotację pola,
• tilt,
• różnice brzegowe.
 
Zobacz Guiding w astrofotografii.

Ten sam sensor, różny piksel

Możemy mieć dwa sensory o podobnych wymiarach fizycznych, ale różnej liczbie pikseli.
 
Wtedy:
 
• pole widzenia jest podobne,
• sampling różny.
 
To kolejny dowód, że rozmiar sensora i rozmiar piksela trzeba analizować osobno.

Ten sam piksel, różny sensor

Przykładowo kilka współczesnych sensorów może mieć piksel około 3,76 µm, ale różne wymiary matrycy.
 
W tym samym teleskopie:
 
• sampling pozostaje ten sam,
• pole zmienia się wraz z liczbą pikseli i rozmiarem sensora.

Megapiksele nie wyznaczają pola widzenia

Kamera 20 MP może mieć:
 
• duży sensor z dużymi pikselami,
• mały sensor z bardzo drobnymi pikselami.
 
Liczba MP nie mówi więc samodzielnie ani o:
 
• polu,
• samplingu,
• jakości obrazu.

Pole widzenia a apertura teleskopu

Dla geometrycznego FOV apertura sama nie występuje we wzorze.
 
Pole zależy od:
 
• sensora,
• ogniskowej.
 
Apertura wpływa natomiast na:
 
• rozdzielczość dyfrakcyjną,
• światłosiłę przy danej ogniskowej,
• potencjał zbierania światła.

Dwa teleskopy 500 mm - to samo pole

Refraktor 80/500 i Newton 200/500 z tą samą kamerą mają prawie to samo geometryczne pole widzenia.
 
Różnią się:
 
• aperturą,
• światłosiłą,
• charakterem optyki,
• rozdzielczością i aberracjami.

Pole widzenia a światłosiła

Jeżeli dwie konstrukcje mają tę samą ogniskową, ale inne f-ratio:
 
• pole widzenia pozostaje takie samo,
• zmienia się ilość światła na jednostkę powierzchni obrazu oraz wymagania optyczne.

Dlaczego reducer jednocześnie zwiększa pole i zmienia f-ratio?

Reducer skraca ogniskową, więc:
 
• zwiększa FOV,
• obniża f-ratio przy tej samej aperturze,
• zmienia sampling,
 
czyli wpływa na trzy elementy naraz.

Kamera planetarna - mały sensor jest często zaletą

Planeta zajmuje niewielką część pola.
 
Duży sensor:
 
• tworzyłby większe pliki,
• ograniczał FPS przy pełnym odczycie,
 
bez większej korzyści.
 
Dlatego mały sensor i ROI są naturalne w planetarnym lucky imaging.

EAA - większy sensor daje wygodniejszy kadr

W EAA duże pole ułatwia:
 
• plate solving,
• kadrowanie,
• obserwację kilku obiektów jednocześnie.
 
Ale większy sensor zwiększa również wymagania wobec korekcji pola.

Sensor a kamera mono/OSC

Jeżeli wersja mono i kolor mają tę samą fizyczną matrycę:
 
• pole widzenia jest takie samo,
• sampling jest taki sam,
 
a różnica dotyczy sposobu rejestracji koloru i filtracji.
 
Zobacz Kamera mono czy OSC?.

Tabela: co zmienia dany parametr?

Parametr	Wpływ
Większy sensor	Szersze pole widzenia.
Mniejszy sensor	Węższe pole / crop.
Dłuższa ogniskowa	Węższe pole i drobniejszy sampling przy tym samym pikselu.
Krótsza ogniskowa	Szersze pole i grubszy sampling.
Większy piksel	Nie zmienia fizycznego pola sensora; zmienia sampling, jeśli wymiary sensora pozostają te same.
Reducer	Zwiększa pole przez skrócenie ogniskowej.
Barlow	Zmniejsza pole przez zwiększenie ogniskowej.

Jak dobrać sensor do obiektu?

Najprostsza procedura:
 
1. Sprawdź ogniskową teleskopu.
2. Sprawdź rozmiar obiektu na niebie.
3. Policz FOV dla planowanego sensora.
4. Zostaw zapas na kadrowanie i dithering.
5. Sprawdź corrected image circle teleskopu.
6. Sprawdź wymagania filtrów i wyciągu.
7. Dopiero potem porównuj liczbę megapikseli.

Zapas kadru ma znaczenie

Jeżeli obiekt ma dokładnie 1,8° wysokości, a kamera daje pole 1,8°:
 
• najmniejszy błąd kadrowania utnie fragment,
• dithering przesuwa obiekt po sensorze,
• po stackowaniu część krawędzi może zostać przycięta.
 
Dlatego warto mieć zapas.

Dithering zmniejsza efektywny wspólny obszar

Każda klatka po ditheringu jest lekko przesunięta.
 
Po rejestracji wspólny obszar wszystkich subów jest minimalnie mniejszy niż pojedyncze pole kamery.
 
Przy dużym ditheringu i ciasnym kadrze może to mieć znaczenie.

Meridian flip i rotacja kadru

Przy prawidłowym zestawie równikowym meridian flip nie powinien zmienić skali ani pola.
 
Może jednak zmienić:
 
• orientację obrazu,
• zachowanie ugięć,
 
więc przy bardzo ciasnym kadrze warto korzystać z plate solvingu i powtarzalnego rotatora.

Nie kupuj full frame tylko dlatego, że jest większy

Najpierw sprawdź:
 
• czy potrzebujesz tak szerokiego pola,
• czy teleskop je skoryguje,
• czy wyciąg je oświetli,
• czy filtry są wystarczająco duże,
• czy komputer i storage poradzą sobie z większymi plikami.

Większy sensor = większe pliki

Większa liczba pikseli oznacza:
 
• większe FITS-y,
• więcej miejsca na dysku,
• dłuższą kalibrację i stackowanie,
• większe wymagania wobec komputera.
 
To nie powinno decydować jako pierwsze, ale jest realnym kosztem większej kamery.

Najczęstsze błędy

• "większy sensor bardziej powiększa",
• "crop factor zmienia ogniskową teleskopu",
• ocenianie pola po megapikselach,
• mylenie rozmiaru sensora z rozmiarem piksela,
• kupno full frame do małego corrected image circle,
• ignorowanie filtrów i średnicy toru,
• brak zapasu na dithering i kadrowanie,
• zakładanie, że illuminated circle = corrected circle,
• oczekiwanie, że flat naprawi całkowicie niedoświetlone rogi.

Najważniejszy wniosek

Rozmiar sensora odpowiada przede wszystkim za pole widzenia.
 
Rozmiar piksela odpowiada przede wszystkim za sampling.
 
Większy sensor:
 
• pokazuje większy fragment nieba,
• nie zwiększa fizycznej ogniskowej,
• nie daje automatycznie większej rozdzielczości,
• stawia większe wymagania optyce, filtrom i mechanice.
 
Najpraktyczniejsze liczby przy wyborze kamery to:
 
1. szerokość i wysokość sensora,
2. przekątna,
3. rozmiar piksela,
4. ogniskowa teleskopu,
5. corrected image circle.
 
Dalsze artykuły: Jak wybrać kamerę astronomiczną?, Sampling i skala obrazu, Koło filtrowe i rozmiar filtrów, Backfocus w astrofotografii, Diagnostyka gwiazd w rogach oraz Flattener, reducer i korektor komy.