เบื้องหลังภาพ กว่าจะได้ภาพถ่ายทางดาราศาสตร์

ภาพถ่ายดวงดาวหรือภาพวัตถุท้องฟ้าที่สวยงามที่เราเคยเห็นในแต่ละภาพนั้น กว่าจะได้ภาพแบบนี้ขึ้นมาได้ใช่ว่าจะง่ายดายเหมือนการถ่ายภาพทั่วไป ในการถ่ายภาพพวกนี้นั้น มีปัจจัยหลายอย่างมากมายด้วยกัน โดยแบ่งหลัก ๆ ได้ดังนี้

1. ปัจจัยทางด้านอุปกรณ์การบันทึกภาพ

เทคโนโลยีในปัจจุบันนั้นก้าวหน้าและมีความหลากหลายเป็นอย่างมาก ตั้งแต่การใช้กล้องโทรศัพท์มือถือที่เรามีอยู่กันทั่วไปในการถ่ายภาพที่ทั้งง่ายและสะดวกต่อการบันทึกภาพ แต่อาจะแลกมาด้วยคุณภาพและความคมชัดที่ยังไม่สูงมากนัก ไปจนถึงการใช้กล้องโทรทรรศน์ต่อกับกล้องที่มีเซนเซอร์พิเศษที่เรียกว่า ซีซีดี (CCD) เพื่อให้ได้ภาพที่มีคุณภาพที่สูง ซึ่งอุปกรณ์การถ่ายภาพนั้นก็จะมีส่วนประกอบมากมายดังนี้

1.1 ประเภทและขนาดของเซ็นเซอร์ของกล้อง

เซ็นเซอร์ที่ยอดนิยมสำหรับการถ่ายภาพในปัจจุบันคือ CCD และ CMOS โดยมีความแตกต่างกันดังนี้

CCD (Charged-coupled Device)

CCD (Charged-coupled Device) เป็นเซนเซอร์ใกล้เคียงกับที่ใช้ในกล้องโทรศัพท์มือถือหรืออุปกรณ์ที่ใช้ในการเก็บภาพทางดาราศาสตร์ทั่วไป หลักการทำงานของ CCD โดยคร่าว ๆ คือ เมื่อมีอนุภาคของแสงหรือโฟตอนตกลงบนพิกเซลใน CCD ตัวชิพ CCD จะเปลี่ยนสัญญาณแสงในรูปของประจุเก็บเอาไว้ และเมื่อทำการปิดชัตเตอร์ประจุที่เก็บเอาไว้ในทุกพิกเซลบน CCD ก็จะถูกถ่ายโอนออกมาเพื่อทำการแปรค่าที่ได้

โดยภาพที่ได้จาก CCD จริง ๆ แล้วเป็นเพียงภาพขาว-ดำ เนื่องจาก CCD อ่านได้เพียงจำนวนโฟตอนที่ตกลงบน พิกเซลโดยไม่สนใจว่าโฟตอนนั้นจะมีความถี่เท่าไหร่ ซึ่งเราสามารถทำให้ภาพกลับมามีสีสันได้โดยการติดฟิลเตอร์กรองแสง คล้ายกระดาษแก้วสีเข้าไป เช่น ภาพที่ได้ผ่านฟิลเตอร์สีแดงจะเป็นภาพขาวดำของแสงในช่วงความยาวคลื่นสีแดง ซึ่งเมื่อเรานำภาพที่ได้ผ่านฟิลเตอร์สามสีได้แก่สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน (RGB, red green blue) มารวมกัน เราจะได้ภาพที่มีสีสันแบบที่เราเห็นกัน

วัตถุที่ต้องการถ่ายในทางดาราศาสตร์จะมีแสงที่น้อยมาก ภาพที่ได้จึงมักจะมี signal-to-noise ratio (SNR, S/N) หรือค่าอัตราส่วนระหว่างสัญญาณกับสัญญาณรบกวนที่ต่ำ ขั้นตอนในการลดสัญญาณรบกวนจึงเป็นปัจจัยที่มีความสำคัญมากกว่าในทางดาราศาสตร์ โดยสามารถทำได้โดยเริ่มจากการลดอุณหภูมิที่โดยทั่วไป CCD ทางดาราศาสตร์จะมีการหล่อเย็นให้อุณหภูมิมีการลดเย็นถึง -20 องศาเซลเซียสหรือต่ำกว่านั้น นอกจากนี้ก่อนที่จะนำภาพถ่ายทางดาราศาสตร์ไปใช้งานได้นั้น ยังจำเป็นต้องผ่านขั้นตอนการกำจัดสัญญาณรบกวนอีก

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

ส่วน CMOS (อ่านว่า ซีมอส) ย่อมาจาก Complementary Metal Oxide Semiconductor เป็นเซนเซอร์ที่พบได้ในกล้อง DSLR Mirrorless หรือแม้กระทั่งกล้องโทรศัพท์มือถือ โดยจะมีขนาดแตกต่างกันไป ซึ่งยิ่งมีขนาดใหญ่มากเท่าใด จะมีความสามารถในการรับโฟตอนได้มากขึ้น คุณภาพของไฟล์ก็ย่อมดีกว่า มีสัญญานรบกวนหรือ Noise ที่น้อยกว่า โดยขนาดเซ็นเซอร์จะมีชื่อเรียกในแต่ละขนาดอย่างเช่น

Full Frame เซนเซอร์ขนาดใหญ่ที่อ้างอิงมาจากฟิล์ม 35 mm ในสมัยก่อนเป็นพื้นฐาน,  APS-C เซนเซอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า Full Frame 1.5 เท่า, M4/3 เซนเซอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า Full Frame 2 เท่า, เซนเซอร์ 1 นิ้ว ใช้ในกล้อง Compact Hi End ที่มีขนาดเล็กกว่า Full Frame 2.7 เท่า

1.2 ชนิดของกล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์ถูกออกแบบมาให้สามารถดึงภาพของวัตถุท้องฟ้าเหล่านั้นให้เข้ามาใกล้ขึ้นและสว่างขึ้น รวมถึงความสามารถในการบันทึกและถ่ายทอดวัตถุท้องฟ้าในย่านสเปกตรัมอื่น ๆ ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดวงตาของมนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้ให้ชัดเจนยิ่งขึ้นอีกด้วย กล้องโทรทรรศน์มีหลักการการทำงานเบื้องต้นอยู่บนพื้นฐานของการรวมแสงและการหักเหของแสงผ่านเลนส์นูนหรือกระจกเว้าที่ทำงานร่วมกัน 2 ชุด คือ

เลนส์ชุดหน้า (ใกล้วัตถุ) มีขนาดใหญ่ เรียกว่า “เลนส์วัตถุ” (Objective Lens) ทำหน้าที่รวมแสงหรือเพิ่ม “กำลังรวมแสง” ให้สามารถมองเห็นวัตถุได้มากกว่าการมองเห็นด้วยตาเปล่า

เลนส์ชุดหลัง (ใกล้ดวงตา) มีขนาดเล็ก เรียกว่า “เลนส์ตา” (Eyepiece) ทำหน้าที่ขยายภาพหรือเพิ่ม “กำลังขยาย” ให้สามารถสังเกตรายละเอียดของวัตถุท้องฟ้าได้ชัดเจนยิ่งขึ้นการทำงานของเลนส์ในกล้องโทรทรรศน์มีหลักการเบื้องต้นใกล้เคียงกับเลนส์ของแว่นตาต่าง ๆ ดังนั้นหากต้องการมองเห็นวัตถุที่อยู่ไกลหรืออยู่ในที่มืดให้ชัดเจนยิ่งขึ้น เลนส์ที่ถูกนำมาใช้จึงควรมีผิวเรียบ ปราศจากตำหนิ หนา และมีขนาดใหญ่ ซึ่งการนำเลนส์ที่มีคุณสมบัติเหล่านี้มาใช้จะทำให้กล้องโทรทรรศน์มีน้ำหนักมากและเทอะทะ ดังนั้นจึงมีการนำกระจกที่เบากว่าและปรับแต่งได้ง่ายกว่าเข้ามาใช้เป็นองค์ประกอบร่วมกับเลนส์

โดยทั่วไปกล้องโทรทรรศน์สามารถจำแนกออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่

กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง (Refracting Telescope) คือ กล้องที่ใช้เลนส์นูนเป็นเลนส์รวมแสงหลัก โดยมีเลนส์ 2 ชุดขึ้นไป ได้แก่ เลนส์วัตถุซึ่งทำหน้าที่รับภาพจากวัตถุต่าง ๆ ก่อนหักเหแสงไปยังเลนส์ใกล้ตาที่ขยายภาพและถ่ายทอดภาพดังกล่าวสู่ดวงตาของเรา โดยทั่วไป กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงจะมีขนาดลำกล้องค่อนข้างยาว เนื่องจากตัวกล้องได้รวบรวมความยาวโฟกัสของเลนส์วัตถุและเลนส์ใกล้ตาเข้าด้วยกัน แต่อย่างไรก็ตาม กล้องประเภทนี้ให้ภาพคมชัดที่สุดและสว่างที่สุดในบรรดากล้องโทรทรรศน์ทุกประเภท (หากมีขนาดหน้ากล้องเท่ากัน) แต่เลนส์ที่ใช้มีข้อจำกัดที่ก่อให้เกิดความคลาดสี เนื่องจากแสงบางช่วงคลื่นถูกเลนส์ดูดกลืนไปจนหมดจึงไม่เหมาะสำหรับการสำรวจเนบิวลาและกาแล็กซี

กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง (Reflecting Telescope) คือ กล้องที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นสำเร็จครั้งแรก โดย เซอร์ ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) ซึ่งทำให้กล้องโทรทรรศน์ประเภทนี้มีอีกชื่อหนึ่งว่า “กล้องโทรทรรศน์นิวโทเนียน” (Newtonian Telescope) เป็นกล้องที่ใช้กระจกราว 2 ถึง 3 ชุด สะท้อนแสงแทนการใช้เลนส์ มีกระจกเว้าทำหน้าที่รวมแสงก่อนสะท้อนไปยังกระจกราบเข้าสู่เลนส์ตา ซึ่งกระจกขนาดใหญ่ไม่จำเป็นต้องหนาเหมือนเลนส์ จึงทำให้มีน้ำหนักเบาและปรับแต่งได้ง่าย ทำให้กล้องประเภทนี้สามารถผลิตให้มีหน้ากล้องขนาดใหญ่ รับภาพและแสงได้มาก จึงเหมาะสำหรับการสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าที่อยู่ห่างไกลและมีแสงสว่างน้อย เช่น เนบิวลา และกาแล็กซี กล้องโทรทรรศน์ตามหอดูดาวขนาดใหญ่จึงนิยมใช้กล้องประเภทนี้

กล้องโทรทรรศน์ชนิดผสม (Catadioptic Telescope) คือ กล้องโทรทรรศน์ที่อาศัยทั้งหลักการสะท้อนและการหักเหของแสง มีการใช้เลนส์ร่วมกับกระจกให้เกิดการสะท้อนแสงกลับไปมาที่สามารถช่วยลดความยาวของขนาดลำกล้องและทำให้กล้องมีน้ำหนักเบาลง อีกทั้ง ยังคงกำลังขยายดังเดิมและปรับแก้ความผิดเพี้ยนของภาพที่เกิดจากความคลาดทางความโค้งในกระจกของกล้องแบบสะท้อนแสง กล้องโทรทรรศน์ชนิดผสมมีหลายขนาด ตั้งแต่กล้องขนาดเล็กที่ใช้สำรวจวัตถุท้องฟ้า เช่น ดาวเคราะห์ เนบิวลาและกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลไปจนถึงกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่อยู่ในหอดูดาว เป็นกล้องที่เหมาะสำหรับ การสำรวจกระจุกดาว เนบิวลา หรือกาแล็กซีที่มีแสงสว่างไม่มากนัก

2. สัญญาณรบกวนและวิธีการลดสัญญาณรบกวน

จากที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นได้ว่าในการถ่ายภาพนั้นจะมีการเกิด signal-to-noise ratio ที่ต่ำ ซึ่งจะทำให้ผลลัพธ์ที่ได้คุณภาพต่ำลง โดยวิธีลดสัญญาณรบกวนจะถูกแบ่งเป็นวิธีใหญ่ ๆ ได้ดังนี้

Dark Frame

Dark Frame ทุกครั้งที่เราถ่ายภาพนั้น ในขั้นตอนการอ่านภาพจะมีสัญญาณส่วนหนึ่งอยู่ใน CCD อยู่แล้ว ไม่ว่าบริเวณนั้นจะมีสัญญาณตกลงมาหรือไม่ก็ตาม สัญญาณเช่นนี้จะเกิดในลักษณะ hot pixel, banding noise, ฯลฯ การลดสัญญาณเช่นนี้สามารถทำได้โดยง่าย เพียงการถ่ายภาพอีกภาพหนึ่งโดยที่ไม่ได้มีสัญญาณใด ๆ จากภายนอกเลย (เช่น ถ่ายภาพขณะที่ปิดฝาหน้ากล้องเอาไว้) ในลักษณะเดียวกับที่ถ่ายภาพวัตถุที่ต้องการ การถ่ายภาพแบบนี้เรียกว่าการถ่าย “Dark Frame” ในกล้องดิจิตอลทั่ว ๆ ไปก็มีขั้นตอนการประมวลภาพในลักษณะนี้ เรียกว่า “Long Exposure Noise Reduction”

Flat Field

นอกจากการถ่าย Dark Frame แล้ว เราจะพบว่าหากเราถ่ายภาพที่มีความสว่างเท่ากันทั้งภาพ ภาพที่ได้อาจจะมีความสว่างไม่เท่ากัน เนื่องจากฝุ่นที่อยู่บน CCD ลักษณะทาง optics ของตัวกล้อง ฯลฯ ในทางการถ่ายภาพด้วยกล้องดิจิตอลทั่ว ๆ ไปเราอาจจะรู้จักผลกระทบนี้ในชื่อของ “Vignetting” เราสามารถแก้ปัญหานี้ได้ โดยการถ่ายภาพวัตถุที่เรารู้ว่ามีความสว่างเท่ากันทั้งภาพเสียก่อน (เช่น ฉากสีขาวที่มีไฟสว่างเท่ากัน) แล้วนำความสว่างที่ได้มาเป็นแผนที่ในการปรับสเกลความสว่างของแต่ละพิกเซลให้เท่ากันทั้งภาพ

เมื่อได้ภาพ Dark Frame และ Flat Field มาแล้ว ก็ต้องนำมาประมวลผลร่วมกับข้อมูลในการถ่ายดวงดาวหรือภาพถ่ายวัตถุท้องฟ้าในโปรแกรมกันอีกครั้ง

3. ช่วงเวลาที่เหมาะสม

ในการถ่ายภาพวัตถุท้องฟ้าหรือภาพถ่ายดวงดาวนั้น หากต้องการที่จะถ่ายสิ่งใดก็ตามใช่ว่าวัตถุนั้นจะอยู่บนท้องฟ้าตลอดไป ในแต่ละวัตถุนั้นจะมีช่วงเวลาของตัวเอง หลังจากศึกษาดูแล้วก็จะต้องศึกษาแสงรบกวนสำคัญอย่างดวงจันทร์อีกด้วยว่ามีช่วงเวลาขึ้นลงในระนาบเดียวกับที่เราจะศึกษาหรือไม่ หรือในช่วงเวลาที่จะทำการถ่ายนั้นเป็นข้างขึ้นหรือข้างแรมอีกด้วย

4. สถานที่ที่เหมาะสม

หลายท่านอาจจะสงสัยว่าสถานที่นั้นมีผลได้อย่างไร โดยปกติแล้วสถานที่จะมีผลในเรื่องของแสงรบกวนหรือมลภาวะทางแสง (light pollution) ที่เกิดจากการกระทำกิจวัตรของมนุษย์ในเวลากลางคืน รวมถึงมลภาวะของแสงที่สว่างจ่าจนเกินความจำเป็นหรือแสงประดิษฐ์ที่ใช้ผิดวัตถุประสงค์ด้วย ซึ่งไม่นานมานี้ทางสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NARIT ได้ร่วมมือกับ การท่องเที่ยวแห่งประเทศไทย หรือ ททท. ประกาศการขึ้นทะเบียนเขตอนุรักษ์ท้องฟ้ามืดในประเทศไทย เพื่อใช้ในการดูดาวโดยเฉพาะ โดยเขตอนุรักษ์ฟ้ามืดเป็นเขตที่มีแสงรบกวนที่ต่ำมากและเหมาะสมกับการดูดาวหรือถ่ายภาพดาว โดยหากท่านใดอยากทราบว่าเขตอนุรักษ์ท้องฟ้ามืดในประเทศมีที่ใดบ้างสามารถเข้าไปตรวจสอบได้ที่ เขตอนุรักษ์ท้องฟ้ามืดในประเทศไทย – Dark Sky | เขตอนุรักษ์ท้องฟ้ามืด (narit.or.th)

5. สภาพอากาศ

สภาพอากาศเป็นอีกหนึ่งปัจจัยที่มีผลต่อการถ่ายภาพดาว อย่างเช่น ความชื้นที่อาจจะทำให้อุปกรณ์เสียหาย การเกิดเมฆที่จะทำให้บดบังวิสัยทัศน์ในการถ่ายภาพ หรือการที่ฝนตกทำให้ไม่สามารถทำการถ่ายภาพต่อได้ เป็นต้น

จะเห็นได้ว่า การถ่ายภาพวัตถุท้องฟ้าหรือการถ่ายภาพดาวนั้นไม่ใช่เรื่องที่ง่าย เพราะมีปัจจัยมากมายในการถ่ายภาพค่อนข้างมาก นอกจากนี้ยังต้องใช้ประสบการณ์และเทคนิคต่าง ๆ อีกด้วย

อ้างอิง

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) – รู้จักกับ CCD สำหรับถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ (narit.or.th) 

“ขนาดของเซนเซอร์” มีความสำคัญอย่างไรกับการเลือกซื้อกล้องดิจิทัลในยุคปัจจุบัน – #beartai

กล้องโทรทรรศน์ ในปัจจุบัน จำแนกเป็นกี่ประเภท และมีหลักการทำงานอย่างไร (ngthai.com)