Astrofotografie en CCD

Astrofotografie en CCD

Astrofotografie

Hulpmiddelen voor de studie van hemelverschijnselen

Een van de belangrijkste meetinstrumenten is het oog. Hiermee kan je erg goed lichtintensiteiten waarnemen. De gevoeligheid van het oog is echter begrensd. Onze ogen zijn 's nachts niet erg kleurgevoelig. Dit is het gevolg van het feit dat je 's nachts voornamelijk met de kleurongevoelige staafjes waarneemt. Ook het ruimtelijk scheidend vermogen van het oog is begrensd. Het gevolg van deze eigenschappen is dat de directe waarneming met het oog beperkt blijft tot de bestudering van de zon, de maan, de beweging van de planeten en de heldere sterren. Een aantal eigenschappen van het oog kan worden verbeterd door gebruik te maken van vergrotingsinstrumenten zoals telescopen. 

Het goedkoopste instrument dat je als amateur goed zou kunnen gebruiken is een verrekijker. Een goede kijker voor astronomisch werk is een 10x50 verrekijker. Een vergroting van meer dan 10 heeft het nadeel dat ook trillingen van handen enz. meer vergroot worden. Een verrekijker levert prachtige maangezichten op: je kunt ermee de Venus-sikkel zien. Mars, Saturnus en vooral Jupiter met zijn manen en wat betreft de sterren, kun je een aantal dubbelsterren gescheiden waarnemen, voorts sterrenhopen en een aantal gasvormige nevels. Er zijn echter een aantal nadelen verbonden aan een verrekijker. Deze is minder geschikt om echt nauwkeurig te kijken, wegens de kleinere vergroting dan bij telescopen. Daarnaast moet je een verrekijker zelf vasthouden, waardoor het moeilijk is om een stilstaand beeld te krijgen. Een telescoop staat op een statief en is dus stabieler. Je kan in sommige optiekzaken echter wel een beugel aankopen waarmee je de verrekijker op een fotostatief kan monteren. 

Doorheen een telescoop is de zon het meest waargenomen hemellichaam in Tenerife. Om op een veilige manier deze te observeren, heb je gespecialiseerde materialen met dure zonnefilters nodig. Eclipsbrilletjes worden hier soms voor gebruikt, maar het is niet aan te raden want een kleine beschadiging in de bril kan al zorgen voor blijvende oogschade. De waarneming van hemellichamen gebeurt bijna altijd ’s avonds of ’s nachts. Op bepaalde momenten in de maancyclus, kan deze ook ’s morgens geobserveerd worden. Ook sommige planeten zijn overdag te zien. 

Met behulp van een fototoestel kun je de waarnemingen van de sterrenhemel vastleggen. Doordat de sluitertijd die bepaalt hoelang een bepaalde hoeveelheid licht door de camera de film of sensor bereikt, relatief groot kan zijn, is het fotografisch mogelijk om lichtzwakke sterren te detecteren. 

Echter moet bij lange sluitertijden ook weer gebruik gemaakt worden van een aandrijving ter compensatie van de aardrotatie. Hierbij moet men het fototoestel steeds richten naar het (op het beeld) bewegende hemellichaam d.m.v. een hendel die tandwielen bedient. Anders krijg je allemaal streepjes, delen van cirkels, te zien. 

Een fototoestel heeft een ander voordeel boven het oog: je kunt er tot zekere hoogte met behulp van kleurfilters of kleurgevoelige emulsie spectrale analyse mee bedrijven.

Bij spectrale analyse gaan we de totale ontvangen signaal ontleden in meerdere kleuren of frequenties waarvan we de intensiteit gaan meten. Deze analysen zijn zeer belangrijk bij het bestuderen van de kenmerken van een hemellichaam zoals zijn opbouw, kleur, grootte en warmte. 

Wat is fotografie?

Astrofotografie is het fotograferen van niet aardse objecten, zoals de zon, maan, planeten, sterren, kometen en nevels. Dit wordt meer en meer digitaal gedaan: met een webcam, een 'gewone' digitale camera of een speciale astrocamera. 

Digitale astrofotografie heeft een aantal voordelen boven de klassieke of ‘natte’ astrofotografie, waarbij nog gewerkt wordt met filmrolletjes. Ten eerste is de ‘quantum efficiency’ of ‘het percentage lichtdeeltjes dat bijdraagt tot de beeldvorming bij de ccd-fotografie’ vele malen hoger dan bij de 'natte' fotografie. Speciale astrocamera’s vangen veel meer lichtdeeltjes dan normale camera’s. Verder zijn ze gevoelig in het UV-, maar vooral in het IR-deel van het spectrum. In het groene licht wordt bijna 90% van de lichtdeeltjes gebruikt. Bij de natte fotografie is dit slechts enkele procenten. Een verder nadeel van de natte fotografie betreft het zogenoemde Schwarzschild-effect. Dit is het effect dat bij toenemende belichtingstijd de gevoeligheid van de film terugloopt. Een ccd reageert wel lineair, althans totdat de pixel 'vol' is. Daarna gaat de pixel overlopen, een verschijnsel dat we 'blooming' noemen. Dit overlopen kan echter eenvoudig softwarematig worden weggewerkt. Bij een ‘overbelichte’ opname, gaan de pixels bij een ccd-chip overvloeien. Dit is softwarematig eenvoudig te corrigeren. 

CCD fotografie

Wat is CCD? 

CCD is de afkorting voor Charge Coupled Device en wordt vaak gebruikt bij het analyseren van sterrenbeelden. Zoals onze ogen en de fotografische film is CCD een detector die fotononen (d.i. Lichtdeeltjes) opneemt en registreert. Het is een raster van fotocellen die elk bestaan uit een laag silicium geïsoleerd door siliciumdioxide. Wanneer er lichtdeeltjes een cel bereikt, dan slaan de elektronen los in het silicium. Dit signaal wordt daarna verplaatst naar een uitleesregister die de signalen rij per rij verzamelt en cel per cel verwerkt. Na versterking gaat de lading naar de ADC (Analog to Digital Convertor) waarna de omgezette waarden in een getallenraster worden geplaatst die opgeslagen wordt door de computer. Op deze manier verkrijgen wij een raster van grijswaarden die codeert voor een beeld. 

Waarom CCD gebruiken?

Deze methode is veel efficiënter dan de fotografische film. De CCD zet c.a. 10 maal meer fotonen om in een ontwikkelbaar beeld. Er gebeurt namelijk ook geen reprociteitsfout terwijl een film bij slechte of lange belichting minder gevoelig wordt. Bovendien is het beeld volledig digitaal en dus gemakkelijk bewerkbaar en transporteerbaar. Zelfs details die onzichtbaar zijn met het blote oog kunnen zichtbaar worden gemaakt door middel van filters of optelling van meerdere beelden om lange belichting na te bootsen. De laatste technologieën en programma’s laten ons toe om aan object tracking te doen om de eigenschappen van hemellichamen te kunnen bestuderen of verschillende beelden te centreren voor optelling. 

Problemen bij het gebruik van CCD 

Spijtig genoeg kunnen er meerdere problemen optreden bij het gebruik van een CCD. Als we een beeld sterk vergroten, dan zien we dat er veel ruis in het beeld aanwezig is. Dit is te wijten aan een aantal metingfouten in de chip. Gelukkig zijn de verschillende fouten nu gekend en volledig oplosbaar. Het proces waarbij de fouten één per één worden opgelost noemt men calibratie. Bij de calibratie gaan we de verschillende fouten beschouwen als de schillen van een knoflook die we één per één gaan verwijderen tot we de kern of volwaardig beeld blootleggen. 

Calibratiemethoden 

Men tracht de ruis uit het beeld te halen door meerdere soorten ruis te identificeren: het fotonen ruis, thermische ruis, uitlezingruis, digitalisatieruis en de variabele gevoeligheid van de pixels. De fotonenruis wordt veroorzaakt door de variatie van het aantal fotonen uitgezonden of gereflecteerd door (hemel-)lichamen. De afwijking is gelijk aan de vierkantswortel van het totaal aantal geregistreerde fotonen. Om de procentuele fout (PF= afwijkingaantal fotonen.100% = 1 aantal fotonen.100%) zo laag mogelijk te maken dient men dus een langer belichting in te voeren. Thermische ruis wordt veroorzaakt door warmte in de fotocellen die opgeteld wordt in de beeldvorming. De oplossingen zijn het afkoelen van de cellen en het aftrekken van een donker opname (=dark frame) die verkregen wordt door een foto op te nemen op hetzelfde temperatuur en met hetzelfde sluitertijd als het ruw beeld maar zonder het licht van de voorwerpen. Simpel gezegd gaan we een foto trekken in het donker. De versterker produceert ook warmte die het uitlezingruis veroorzaakt. De ADC is ook niet perfect en er ontstaat ook ruis bij het digitaliseren van signalen. Deze twee soorten ruis vormen samen de bias. Deze zijn willekeurig maar vertonen een gelijkaardige afwijking waardoor ze op dezelfde manier kunnen worden verwijderd: we moeten meerdere biasframes, beelden in het donker met een zo klein mogelijke sluitertijd, opnemen en combineren tot een master bias die we van het ruw beeld gaan aftrekken. Het kan ook zijn dat de fotocellen op de chip niet allemaal even gevoelig zijn voor fotonen. Dit wordt gemakkelijk opgelost door een flat field op te nemen. We nemen een foto van een egaal belichte vlak en delen het ruw beeld daardoor. Hiermee lossen we ook andere problemen op zoals vignettering of stof op het objectief. 

Nadat alle operaties werden uitgevoerd, verkrijgen wij een accuraat gekalibreerd beeld. Deze beelden zijn dan zeer bruikbaar voor wetenschappelijk onderzoek.

Bronnen:

http://www.fontys.nl/lerarenopleiding/tilburg/natuurkunde/astro/dictaat/hst1/par7.htm 
http://www.thhi-tessenderlo.be/vay/mechanismen/Hoofdstuk4/Directe%20aandrijving.pdf
Karel Van den Troost; Urania; Astrofotografie; PowerPoint verkregen via mail; 18-03-2012.
DeepSkyStacker (Programma); The Theory or How to create better images; internet; 18-03-2012; (http://deepskystacker.free.fr/english/theory.htm)

Céline & Charles