2012
TANI SPRZET
˛ DLA ASTROFOTOGRAFII
1
Tani sprz˛et dla astrofotografii
Tomasz Kossowski, Ryszard Stasi´nski
Politechnika Pozna´nska, Wydział Elektroniki i Telekomunikacji
Streszczenie—Główna˛ idea˛ badan´ była konstrukcja taniego
sprz˛etu do fotografowania obiektów nieba gł˛ebokiego. W tym
celu przebudowano cyfrowy aparat kompaktowy, dopasowujac
˛
go do teleskopu i pracy z długimi czasami na´swietlania. Drugim
działaniem było dodanie do niedrogiego i popularnego teleskopu
w układzie Newtona nap˛edu paralaktycznego. Uzyskane rezultaty
dowodza,˛ z˙ e tanie elementy o wystarczajacej
˛
jako´sci na zrealizowanie idei badan´ istnieja,˛ ich integracja w urzadzenie
˛
jest
kwestia˛ wiedzy i pomysłowo´sci.
I. W ST EP
˛
O
BIEKTY nieba gł˛ebokiego, takie jak mgławice czy
galaktyki, daja˛ pi˛ekne obrazy. Niestety w wi˛ekszo´sci
przypadków te malownicze pyłowe obłoki sa˛ z´ ródłem s´wiatła
odbitego. Je´sli dodamy do tego ogromna˛ odległo´sc´ , jaka nas
od nich dzieli, to okazuje si˛e, z˙ e sa˛ one z´ ródłem bardzo
słabego s´wiatła. Do obserwowania i fotografowania mgławic
wykorzystuje si˛e duz˙ e teleskopy i silnie chłodzone matryce
CCD, co umoz˙ liwia bardzo długie czasy ekspozycji. Taki profesjonalny sprz˛et jest bardzo drogi i niedost˛epny dla kaz˙ dego.
Stad
˛ narodził si˛e pomysł, by zbudowa´c sprz˛et pozwalajacy
˛
fotografowa´c obiekty nieba gł˛ebokiego kaz˙ demu, kto ma
1 tys. zł. na zakup odpowiednich podzespołów. Oczywi´scie
nie chodzi o uzyskanie rezulatów porównywalnych do osia˛
galnych z zestawów droz˙ szych o conajmniej rzad
˛ wielko´sci,
ale o umoz˙ liwienie fotografowania takich obiektów w ogóle.
Na powyz˙ szym rysunku wida´c, z˙ e teleskop ten moz˙ e zbiera´c
duz˙ a˛ ilo´sc´ s´wiatła, które ogniskuje w obiektywie okularu. Dla
zastosowa´n astrofotografii w miejscu okularu umieszcza si˛e
matryc˛e s´wiatłoczuła,˛ która rejestruje padajacy
˛ na nia˛ obraz.
B. Matryca CCD
Drugim elementem uz˙ ytym w urzadzeniu
˛
jest aparat kompaktowy wyposaz˙ ony w przetwornik CCD (ang. Charge Coupled Device [4]). Jego zadaniem jest gromadzenie ładunku
proporcjonalnego do ilo´sci padajacego
˛
s´wiatła, a nast˛epnie
zamiana tego ładunku na warto´sci liczbowe, odpowiadajace
˛
jasno´sciom pikseli obrazu. Kaz˙ dy kolorowy piksel obrazu
składa si˛e z czterech subpikseli z filtrami o odpowiednim
kolorze. Sa˛ to filtry barw podstawowych (zielony powtórzony jest dwukrotnie), układ ten nosi nazw˛e macierzy Bayera. Kaz˙ dy punkt na matrycy rejestrujacy
˛ obraz jest studnia˛
potencjału, która gromadzi ładunek na podstawie zjawiska
fotoelektrycznego. Padajace
˛ fotony wybijaja˛ elektrony, które
gromadzone sa˛ pomi˛edzy elektrodami i przechowywane podczas całego czasu ekspozycji. Po zako´nczeniu na´swietlania
nast˛epuje transfer kaz˙ dej paczki ładunku do komparatorów
i przetworzenie ładunku na napi˛ecie, które dalej podlega konwersji na posta´c cyfrowa˛ [2]. Schemat działania przedstawiono
na rysunku 2 [6].
II. T EORIA
A. Teleskop
Teleskop w układzie Newtona, jest najbardziej popularna˛
konstrukcja˛ dost˛epna na rynku. Wynika to z prostej budowy,
co przekłada si˛e na niski koszt produkcji i dobry stosunek ceny
do parametrów optycznych. Jest to teleskop zwierciadlany
w odróz˙ nieniu do teleskopów soczewkowych (refraktorów).
Konstrukcja ta cechuje si˛e duz˙ a˛ ilo´scia˛ zbieranego s´wiatła oraz
małymi zniekształceniami obrazu. Ide˛e budowy omawianej
konstrukcji oraz bieg promieni przedstawiono na rysunku 1
[4].
Rysunek 2. Schemat konwersji w matrycy CCD [6]
III. M ODYFIKACJE SPRZ ETU
˛
A. Nap˛ed w osi rektascencji
Rysunek 1. Bieg promieni w teleskopie Newtona [4]
Do przeprowadznia bada´n wybrany został teleskop SkyWatcher Synta 900/130, poniewaz˙ charakteryzuje si˛e najlepszym stosunkiem jako´sci do ceny w przedziale do 1 tys. zł.
Teleskop ten wyposaz˙ ony jest w montaz˙ paralaktyczny EQ2, który umoz˙ liwia obracanie teleskopem zgodnie z ruchem
TANI SPRZET
˛ DLA ASTROFOTOGRAFII
obrotowym Ziemi [5]. Dzi˛eki temu moz˙ liwe jest kompensowanie tego ruchu, jednakz˙ e r˛eczne korygowanie połoz˙ enia
w osi rektascencji jest niemoz˙ liwe je´sli chcemy zapewni´c
idealna˛ stabilno´sc´ obrazu. Konieczne zatem okazało si˛e zbudowanie nap˛edu, który obracałby teleskopem przeciwnie do
ruchu nieboskłonu, tak by automatycznie go kompensowa´c
i umoz˙ liwi´c na´swietlanie w danym miejscu matrycy dokładnie
tego samego punktu nieba przez cały czas ekspozycji. Brak
takiego układu powoduje rozmywanie si˛e obiektów w kadrze
podczas na´swietlania dłuz˙ szego niz˙ 1 sekunda i duz˙ ym powi˛ekszeniu. Pojedyncze fotony sa˛ zbierane przez te same studnie
potencjału, dzi˛eki czemu zostaje zebrana dostatecznie duz˙ a
porcja ładunku umoz˙ liwiajaca
˛ zarejestrowanie obrazu [2].
Zbudowany został mechanizm w oparciu o silnik krokowy
Mitsumi M35SP-8 [3] oraz układ kół z˛ebatych zapewniajacych
˛
dopasowanie do montaz˙ u teleskopu. Cała konstrukcja wykonana została z odpowiednio wyprofilowanego aluminiowego
płaskownika. Silnik obracajac
˛ si˛e z pr˛edko´scia˛ 1 obr/s pozwala
na kompensacj˛e ruchu obrotowego Ziemi z dokładno´scia˛ zapewniajac
˛ a˛ niezmienno´sc´ kadru podczas minutowego na´swietlania. Sterowanie zostało zrealizowane przy pomocy programowalnego mikroprocesora ATmega 8 i układu tranzystorów sterujacych.
˛
Dzi˛eki temu moz˙ liwa jest dalsza rozbudowa
układu o automatyczne ustawianie teleskopu w osi rektascencji
[2]. Fotografia 3 pokazuje działajace
˛ urzadzenie.
˛
2
ramy został tez˙ przymocowany radiator odprowadzajacy
˛ ciepło
z ogniwa Peltiera, które chłodzi matryc˛e.
Przetwornik został wymontowany z wn˛etrza aparatu
i umieszczony w tulei, która˛ montuje si˛e do teleskopu. Zabieg
ten był konieczny z dwóch powodów: po pierwsze nalez˙ ało
omina´
˛c zintegrowana˛ optyk˛e aparatu, poniewaz˙ wprowadzała
zniekształcenia i powodowała utrat˛e ilo´sci wpadajacego
˛
s´wiatła oraz zapewni´c chłodzenie przetwornika CCD. Na
fotografii 4 przedstawiono wszystkie omawiane modyfikacje
aparatu.
Fotografia 4. Rama wraz z radiatorem i wentylatorem
Chłodznie zostało zrealizowane przy pomocy ogniwa
Peltiera, które jest przymocowane pomi˛edzy radiatorem
a matryca.˛ Moduł pozwala na obniz˙ enie temperatury do ok.
0°C. Redukcja temperatury jest kluczowa dla długich czasów ekspozycji i małych ilo´sci padajacego
˛
s´wiatła. W takiej
sytuacji szum termiczny moz˙ e by´c wi˛ekszy niz˙ informacja,
˙
która jest zbierana. Zeby
nie dopu´sci´c do takiej sytuacji,
gdzie w obrazie wyst˛epuje jedynie szum, nalez˙ y ochłodzi´c
pracujacy
˛ przetwornik do jak najniz˙ szej temperatury [2]. Do
odprowadzania ciepła z goracej
˛ strony ogniwa Peltiera słuz˙ y
stalowy radiator z wentylatorem, a dobre przewodnictwo
cieplne zapewnia silikonowa pasta termoprzewodzaca
˛ [1].
Wywiew ciepłego powietrza skierowany jest dodatkowo na
elektronik˛e aparatu, dzi˛eki czemu moz˙ liwa jest praca przy
niskich temperaturach otoczenia.
Na fotografii 5 zaprezentowano chłodzenie przetwornika
CCD.
Fotografia 3. Nap˛ed teleskopu w osi rektascencji
B. Modyfikacja aparatu fotograficznego
Aparatem cyfrowym wybranym do do´swiadcze´n został
Canon PowerShot A530. Jest to mały i tani aparat kompaktowy, który nie ma moz˙ liwo´sci montaz˙ u zewn˛etrznych elementów optyki takich jak obiektywy czy telekop. W zwiazku
˛
z tym konieczne było wprowadzenie kilku modyfiakcji:
1) Umoz˙ liwienie montaz˙ u w teleskopie
2) Wyprowadzenie matrycy na zwenatrz
˛
3) Zapewnienie chłodzenia przetwornika CCD
4) Zmiana oprogramowania
Pierwsza˛ zmiana˛ było zbudowanie aluminiowo-stalowej
ramy, która umoz˙ liwiłaby zainstalowanie urzadzenia
˛
w miejscu
standardowego okularu teleskopu. Konstrukcja ta musiała
by´c solidna oraz zapewnia´c szybki montaz˙ i demnotaz˙ . Do
Fotografia 5. Ogniwo Peltiera i matryca CCD
Ostatnia˛ zmiana˛ w aparacie było wgranie nowego opro-
TANI SPRZET
˛ DLA ASTROFOTOGRAFII
gramowania. Standardowe umoz˙ liwiało ustwienie czasu ekspozycji na maksymalnie 15 sekund, nie pozwalało na
wyłaczenie
˛
redukcji szumu i zapisywanie zdj˛ec´ w innym formacie niz˙ JPEG. Nowe oprogramowanie odblokowało dost˛ep
do wszytskich moz˙ liwo´sci wbudowanego procesora obrazu,
dzi˛eki czemu moz˙ liwe stało si˛e ustawianie ekspozycji nawet
na pół godziny, wyłaczenie
˛
redukcji szumów oraz zapis zdj˛ec´
w formacie RAW, dzi˛eki czemu moz˙ na uzyska´c zdj˛ecia bez
jakiejkolwiek kompresji [7]. Jest do bardzo waz˙ ne, gdyz˙
kompresja JPEG moz˙ e usuwa´c waz˙ ne informacje.
3
Ciekawa jest tu ilustracja działania chłodzenia przetwornika
CCD. Na fotografiach 8.1 i 8.2. zaprezentowano szum przy
wyłaczonym
˛
i właczonym
˛
chłodzeniu.
IV. W YNIKI
Zaprezentowane modyfikacje pozwoliły na zwi˛ekszenie
moz˙ liwo´sci elementów omawianego sprz˛etu optycznego. Dzi˛eki temu udało si˛e przeprowadzi´c obserwacje astronomiczne
i zebra´c materiały do innych bada´n, których celem jest
poprawa jako´sci obrazów. Przedstawione poniz˙ ej fotografie
zostały wykonane przy nienajlepszych warunkach atmosferycznych pod duz˙ ym miastem. Miało to duz˙ y i negatywny
wpływ na jako´sc´ zdj˛ec´ , co dodatkowo s´wiadczy o moz˙ liwo´sciach samego sprz˛etu. Na fotografiach 6 i 7 zaprezentowano
przykładowe zdj˛ecia przy uz˙ yciu całego urzadzenia.
˛
Fotografia 8.1. i 8.2. szum w temperaturze pokojowej (po lewej) oraz
działajacym
˛
chłodzeniem (po prawej)
Z powyz˙ szego przykładu wyra´znie wida´c jak duz˙ e znaczenie ma redukcja szumu termicznego. Jest to decydujacy
˛ czynnik szumowy w fotografiach z długim czasem ekspozycji.
Jego ilo´sc´ jest zalez˙ na zarówno od temperatury jak i czasu
gromadzenia ładunku. Przy konieczno´sci długiego na´swietlania jedyna˛ moz˙ liwo´scia˛ ograniczenia jego ilo´sci jest obniz˙ enie temeratury przetwornika. Brak chłodzenia matrycy moz˙ e
powodowa´c, z˙ e szum przewyz˙ sza informacj˛e na zdj˛eciach i nie
jest moz˙ liwe wyodr˛ebnienie danych, czyli nie moz˙ na uzyska´c
obrazu obiektu, który emituje bardzo mało s´wiatła.
V. W NIOSKI
Fotografia 6. M31 - Wielka Mgławica Andromedy (jadro)
˛
Przedstawione w artykule wyniki pokazały, z˙ e moz˙ na
skutecznie, przy niewielkim nakładzie kosztów zmodyfikowa´c
tani sprz˛et optyczny by zwi˛ekszy´c jego moz˙ liwo´sci. Nap˛ed
w osi rektascencji umoz˙ liwia długie na´swietlanie jednego
obszaru nieba bez efektu rozmywania si˛e obiektów w kadrze.
Modyfikacja aparatu sprawiła, z˙ e moz˙ na go szybko i łatwo
zamontowa´c w wyciagu
˛ teleskopu. Chłodzenie matrycy CCD
pozwala w znacznym stopniu zredukowa´c szum termiczny
powstajacy
˛ przy długim czasie ekspozycji, a nowe oprogramowanie umoz˙ liwiło ustawianie takich czasów na´swietlania. Wszystkie te modyfikacje przyczyniły si˛e do finalnego efektu jakim jest moz˙ liwo´sc´ fotografowania galaktyk
i mgławic. Łaczny
˛
koszt omawianego sprz˛etu nie przekroczył
1 tys. zł, co obala mit, z˙ e tanim sprz˛etem moz˙ na fotografowa´c
jedynie tarcz˛e Ksi˛ez˙ yca.
B IBLIOGRAFIA
Fotografia 7. M42 - Wielka Mgławica Oriona (jadro)
˛
[1] Piotr Górecki, artykuł: “Radiatory w sprz˛ecie elektronicznym”, Elektronika dla Wszystkich, Grudzie´n 1999 r.
[2] Tomasz Kossowski, “Poprawianie jako´sci obrazu przy
słabych warunkach na´swietlenia”, Politechnika Pozna´nska,
Pozna´n 2012 r.
[3] Mitsumi, M35SP-8, dokumentacja techniczna producenta
[4] http://pl.wikipedia.org (czerwiec 2012)
[5] http://deltaoptical.pl/blizej_nieba/teleskop-sky-watchersynta-sk-1309- eq2,d697.html (marzec 2012)
[6] http://www.teledynedalsa.com/corp/markets/ccd_vs_cmos.aspx
(kwiecie´n 2012)
[7] http://chdk.wikia.com/wiki/CHDK (czerwiec 2012)
Download

TANI SPRZęT DLA ASTROFOTOGRAFII