Observatorio CCD en el colegio

Observatorio CCD en
el colegio
Guía para estudiantes, profesores y padres
Versión: 4.15
EU-HOU
El Universo en tus manos, Europa
Llevando a las aulas
astronomía de primera línea e interactiva
Título original en lengua polaca: Szkolne obserwatorium CCD
Página web oficial de esta monografía: http//www.cft.edu.pl/astro/
Logo diseñado por Armella Leung,
www.armella.fr.to
Varsovia, 2003-2005
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Observatorio CCD en el colegio
Autores
 Anna Tretowska
Departamento de Matemáticas y Ciencias Naturales, Universidad Cardenal Wyszynski

Lucas Nowotko
Departamento de Matemáticas y Ciencias Naturales, Universidad Cardenal Wyszynski

Tomasz Sowinski (correo electrónico: [email protected])
Centro para Física Teórica de la Academia de las Ciencias, Polonia

Weronika Sliwa (correo electrónico: [email protected])
Centro Astronómico Nicolás Copérnico de la Academia de las Ciencias, Polonia

Grzegorz Wrochna
Instituto de Estudios Nucleares Andrzej Soltan

Piotr Fita
Instituto de Física Experimental de la Universidad de Varsovia, Club Astronómico
Almukantarat
Traducción al inglés

Magda Zarzycka
Observatorio CCD en el colegio
Índice
1. ¿Por qué observar?
2. Observatorio CCD - ¿Qué vamos a necesitar?
2.1. Webcam CCD – cómo funciona
2.2. Cómo elegir una webcam
2.3. Adaptación de la cámara
2.4. Las lentes de la cámara
2.5 Telescopio no profesional
3. Nuestro observatorio
4. Algunas fórmulas
5. Ordenador y programas/software
6. Preparación para las observaciones
7. Registrando las fotografías.
8. Iris - proceso de datos
8.1. Preparando un marco oscuro
8.2. Preprocesado
8.3. Procesado gráfico
9. Ejemplos de los resultados
10. Empresas en Internet
11. Software útil
12. Bibliografía y direcciones útiles
APÉNDICE: IRIS (v3.81) – comandos seleccionados
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Observatorio CCD en el colegio
1.- ¿Por qué observar?
Las observaciones astronómicas pertenecen a una de las formas más sencillas y
baratas de examinar y admirar las leyes de la naturaleza. Al contrario de las muchas
otras ramas de la física, la astronomía es un campo donde los aficionados pueden
llevar a cabo investigaciones científicamente valiosas. Los principiantes seguramente
se centrarán en admirar sus propias fotografías de planetas, cometas y estrellas; los
observadores más avezados encontrarán mayor disfrute en grabar la variabilidad de
las estrellas, descubriendo nuevos cometas y siguiendo planetoides de manera
sistemática.
Nuestras
observaciones
tendrán
mucho
más
valor
si
podemos
registrarlas/grabarlas. El modo más sencillo de registro es sacar fotografías. Este
método, sin embargo, también tiene sus desventajas. En condiciones de aficionado, es
imposible sacar muchas fotos en poco tiempo- pues se requiere normalmente un
tiempo de exposición prolongado para conseguir una buena calidad. Además, su
procesado posterior y comparación es algo complicado. Las propiedades del papel
fotográfico hacen que sea fácil subexponer o sobreexponer la fotografía, puesto que
en cierto rango de brillo el grado de densidad óptico no es proporcional a la
intensidad de la luz. Muchos de estos obstáculos se pueden solventar empleando una
webcam CCD como herramienta de registro de imágenes. Este manual explica cómo
elegir una cámara, describe su estructura y propiedades, y además da ejemplos de
software que facilita procesar la información registrada.
2. Observatorio CCD - ¿Qué vamos a necesitar?
Para poder llevar a cabo las observaciones necesitaremos: una webcam con
sensor CCD, una lente fotográfica o un telescopio, y un ordenador con el software
adecuado. Veamos estos elementos.
2.1. Webcam CCD – cómo funciona
Para poder juzgar adecuadamente las ventajas y desventajas de los tipos
diferentes de webcam necesitamos unos conocimientos básicos sobre la estructura
del CCD. La parte fundamental de un CCD, (Dispositivo Acoplado por Carga), consiste
en una placa de elementos fotosensibles que forman una matriz. El número de estos
elementos –pixeles en la placa – determina la resolución del sistema. Las matrices
empleadas en las webcam no profesionales varía de 320x240 pixeles a 640x480 pixeles.
Antes de la exposición, por ejemplo durante el proceso de registro, cada píxel en
el CCD está cargado positivamente. Los fotones que lo golpean reducen
gradualmente esta carga inicial. Cuando se acaba la exposición, las cargas que
permanecen en los píxeles individuales se transmiten a un amplificador y después a un
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conversor de analógico a digital. La representación digital de una imagen producida
de esta manera puede ser procesada posteriormente y guardada en formato
electrónico. El rango de sensibilidad de los elementos CCD es comparable a la del ojo
humano, pero CCD también registra frecuencias muy cercanas al infrarrojo. Los píxeles
típicos están entre 5 y 25μm.
Cuando la luz incide en una placa CCD, se mide su intensidad para cada
elemento fotosensible. De esta
manera nos da información del
brillo de la imagen registrada.
Figura 1. El sensor de la
webcam se cubre con un filtro
para obtener información sobre
el color de la luz. Este filtro
transmite a cada píxel luz en
uno de los tres colores: rojo (R),
verde (G) o azul (B). Durante el
procesado de la imagen, se
mide la intensidad de la luz en
estos tres colores básicos. El
color real de un píxel se consigue por interpolación de los píxeles vecinos. Los
componentes del color para cada píxel se calculan en base a los componentes del
color en los elementos vecinos.
Aquí tiene un ejemplo que muestra cómo trabaja una webcam.
Figura 2. Imagen registrada y procesada.
2.2. Cómo elegir una webcam
Las webcam CCD profesionales son muy caras – su coste está raramente por
debajo de 1300€. Sin embargo, se pueden realizar valiosas observaciones con una
cámara para internet – las webcams. Una webcam típica normalmente cuesta en
torno a 25€ y después de unos pequeños ajustes pueden hacerse observaciones
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interesantes. ¿Qué criterios deben tenerse en cuenta para elegir un modelo en
particular?
El parámetro más importante en una webcam es el tipo de sensor que emplea.
Podemos elegir entre cámaras con sensores CCD y CMOS, aunque el primero es
definitivamente mejor (más sensible). Si es posible, es mejor elegir una cámara con una
resolución de 640x480 pixeles, aunque es suficiente con 320x240 pixeles para realizar
observaciones bastante interesantes. La posibilidad de establecer un largo periodo de
exposición (hasta medio minuto) es una gran ventaja de una webcam. Aunque la
mayoría de las webcam disponibles en el mercado no cumplen con este estándar, es
posible modificar algunas de ellas para aumentar los tiempos de exposición
preestablecidos por el fabricante.
Si necesita más información sobre los distribuidores de webcams y las empresas
que las pueden modificar vaya al capítulo 10 de este documento
La siguiente parte de este manual describe cómo se trabaja con una webcam
Philips Vesta (PCVC 675K) y cómo renovar una ToUcam PRO (PCVC 840K). Las cámaras
Philips están equipadas con un sensor CCD con una diagonal de ¼ de pulgada y una
resolución de 640x480 pixeles (el tamaño del píxel es de 5,6 x 5,6 micras). El tiempo de
exposición máximo preestablecido por el fabricante es de 1/5 de segundo. Sin
embargo, la webcam puede adaptarse de tal manera que es posible establecer
tiempos de exposición ilimitados. La adaptación consiste en instalar en el interior de la
cámara un sistema electrónico que asuma el control del tiempo de exposición, y
colocar un cable extra que estará conectado al puerto de la impresora del
ordenador.
Las webcam Philips ToUcam PRO II, que permiten mayores tiempos de exposición,
son las distribuidas como parte del proyecto El Universo en tus manos – Europa (página
web
internacional:
http://www.eu-hou.net,
página
de
Polonia:
http://www.cft.edu.pl/astro/).
2.3. Adaptación de la cámara
Aunque la propia webcam está equipada con una lente, esta es prácticamente
inservible – salvo para observar meteoritos – debido a su pequeña apertura y pequeña
distancia focal (unos pocos milímetros). El ancho campo de visión de la webcam, de
unos 40 x 30 grados, nos permite sacar fotografías de una gran parte del cielo durante
toda la noche con tiempos de exposición entre 10 y 20 segundos. La película
resultante puede analizarse posteriormente o uno puede intentar el reconocimiento
automático de los cambios en los fotogramas sucesivos para grabar únicamente las
imágenes en las que suceden cosas interesantes.
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Sin embargo, para otros propósitos se necesitará una lente diferente. El kit vendido
con la webcam debe, por tanto, incluir un adaptador fotográfico que nos permita
colocar la webcam en el enfoque (debemos estar seguros de ello cuando
encarguemos la cámara. Si no, se puede comprar el adaptador por separado, por
ejemplo en http://www.astrokrak.pl).
Una solución habitual es colocar una lente (con una longitud focal de 30-35 mm,
que nos permitirá realizar observaciones del campo de visión con un lado de unos
pocos grados) a la webcam, o colocar el CCD en el enfoque de un pequeño
telescopio. Ambas soluciones tienen sus ventajas.
2.4. Las lentes de la cámara
Sustituir las diminutas lentes originales de la webcam por una lente de una cámara
reflex de lente sencilla de 35 mm puede dar buenos resultados con un coste
moderado. Como el sensor CCD es mucho más pequeño que el negativo de la
película, el campo de visión de la webcam con una lente fotográfica es mucho menor
que el campo de visión de una cámara equipada con la misma lente. Para describir
en números este efecto, debemos introducir el concepto de longitud focal
equivalente. La longitud focal equivalente es tantas veces mayor que la longitud focal
real de la lente y es tantas veces menor que la diagonal del sensor CCD respecto a un
fotograma de una película de 35 mm. Para las webcam Philips con un sensor del tipo
¼”, cuyo campo de fotosensibilidad tiene una diagonal de 4.8 mm, este ratio es de 9.
¡Esto significa que una webcam equipada con una lente estándar con una longitud
focal de 50 mm, tiene el mismo campo de visión que una cámara con un gran
teleobjetivo con una longitud focal de 450 mm! Gracias a este hecho, ¡podemos usar
las lentes más habituales, cuya longitud focal está entre 35 y 200 mm, para sacar las
mismas fotografías que con cámaras fotográficas equipadas con lentes telescópicas
cuya longitud focal podría estar entre 300 y 1800 mm!
La lente fabricada para cámaras reflex con una única lente tienen muchos tipos
de montura pero, para la astrofotografía, las más adecuadas son aquellas con rosca
M42 x 1. La lente que se monta de esta manera está diseñada para las cámaras
analógicas de Zenit y Praktica. Gracias a la montura roscada, estas lentes se pueden
acoplar fácilmente a una webcam mediante un simple adaptador, y su mejor ventaja
es su disponibilidad y bajo precio. Las lentes rusa (Mir, Wolna, Zenitar, Helios, Júpiter) son
especialmente populares y baratas, aunque las lentes alemanas (Sonnar, Pentacon,
Practicar) tienen mejor calidad.
Las longitudes focales más habituales de las lentes con una montura M42 x 1 son
35 mm, 50 – 58 mm, 135 mm y 200 mm, así como las de 500 mm y 1000 mm. Las lentes
de 28 mm, 85 mm, 100 mm y 180 mm son menos habituales. Las lentes de las cámaras
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Observatorio CCD en el colegio
con longitudes focales hasta 500 mm están hechas de lentes; las lentes de las cámaras
con longitud focal de 500 mm pueden construirse utilizando tanto una lente como un
espejo, ya que las lentes de una cámara con una longitud focal de 100 mm están
construidas con un sistema de espejo (similar al del telescopio astronómico en el
sistema Maksutov).
Las lentes de cámara con longitudes focales menores de 200 mm son las más
comunes en astrofotografía para su uso con la webcam. La siguiente tabla muestra los
campos de visión de estas lentes y sus aplicaciones típicas.
Longitud focal
Campo de visión
35 mm
4.6º x6.3º
50 mm
3.2º x 4.4º
135 mm
1.2º x 1.6º
200 mm
0.8º x 1.1º
Aplicaciones
observaciones
de
estrellas
variables,
fotografías del campo de estrellas en la Vía
Láctea
Fotografía de grandes racimos abiertos
(Pléyades, Praesepe M44), grandes galaxias
(M31, M33)
Fotografía de pequeños racimos globulares o
abiertos, galaxias, la Luna y el Sol
Las lentes de cámara con longitudes focales de 500 o mayores son telescopios en
la práctica y su uso junto con la webcam requiere un esfuerzo importante – el campo
de visión de tales lentes es muy pequeño y hace necesario ajustarlo en una montura
ecuatorial con controles de movimiento de precisión para encontrar el objeto que
queremos fotografiar y ser capaz de mantenerlo en nuestro campo de visión unos
pocos segundos. Además, pueden ser útiles si queremos fotografiar la Luna y el Sol.
Las lentes con una rosca M42 x 1 pueden comprarse en el mercado fotográfico, e
incluso mejor en la subasta vía internet de Allegro (http://www.allegro.pl) o eBay
(http://www.ebay.com), donde existe una amplia selección a un precio razonable.
Cuando se compra una lente para una cámara, debes prestar atención a su brillo y
calidad óptica.
El primer parámetro siempre se facilita con las especificaciones de la lente, por
ejemplo una lente con una especificación 135/2.8 (o 2.8/135) tiene una longitud focal
de 135 mm y su máxima apertura de 2.8. Esto significa que la apertura (el diámetro
efectivo/eficaz de la lente) es 2.8 veces menor que su longitud focal. Debido a que
astrofotografía debemos esforzarnos siempre para conseguir la mayor cantidad de luz
sobre la lente, cuanto mayor sea su diámetro (o más pequeño el número de la
apertura máxima), mejor. Desafortunadamente, cuanto mayor sea el brillo, más cara
es la lente. De hecho, como regla, las lentes de cámara con mayores longitudes
focales son también más oscuras, debido a que su diámetro debe ser mayor para
soportar el brillo cuando la longitud focal es mayor, lo que las hace más caras de
fabricar. Las siguientes lentes son un buen promedio entre calidad y brillo: 35/2, 50/1.8,
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135/2.8, 200/4. No se recomienda emplear lentes de 50/2.8 y 135/3.5, porque sus rivales
más destacados tienen un precio similar.
La calidad óptica de una lente no viene especificada y debes confiar en tu
intuición cuando la eliges. Sin embargo, podemos obtener información más detallada,
prestando atención al poder de resolución en mitad del campo, lo cual se da en
número de líneas por milímetro, que se ven independientemente en la imagen. En una
cámara normal este número oscila entre 30 y 50 líneas por milímetro. El poder de
resolución de una lente afecta significativamente a la resolución de imágenes
registradas por la webcam pues, con una resolución de 30 líneas/mm podemos
esperar que la imagen de una estrella – teóricamente un punto –tenga un diámetro de
unas 30 μm, que equivalen a 5 píxeles de las webcams de Philips. ¡Esto significa que la
resolución real de la imagen que obtenemos es unas cuantas veces menor que la
resolución de la webcam!
No se recomienda el empleo de lentes de aumento a pesar de su brillo y calidad
óptica. Son más oscuras y tienen una resolución más pobre que las lentes cuya
longitud focal no se puede cambiar. Al mismo tiempo, las lentes de aumento son más
caras, y en astrofotografía nunca hay necesidad de un cambio gradual de longitud
focal.
Las lentes de cámaras para los modelos nuevos de Praktica y Zenit tienen apertura
automática, por ejemplo, la apertura se cierra sólo después de disparar el pulsador
situado en la parte trasera de la lente. Esto permite que en la cámara se pueda
componer la imagen con la máxima apertura, independientemente de la apertura
que queramos utilizar. Cuando acoplamos la lente a una webcam, sin embargo,
significa que esta lente siempre tendrá la máxima apertura: Esto no representa un
problema si queremos fotografiar los objetos menos contrastados porque en este caso
debemos emplear, de todos modos, el brillo total de la lente. Si, sin embargo,
queremos fotografiar la Luna, podemos querer hacer la apertura menor, de esta
manera podemos mejorar especialmente la resolución del objetivo. En este caso
podemos bloquear el pulsador (por ejemplo, pegándolo con una gota de pegamento
epoxi), pero una solución mucho mejor es comprar un objetivo con interruptor que nos
permita cambiar la apertura independientemente del pulsador. Desafortunadamente,
estos interruptores (denominados Auto-Manual, A-M) pueden encontrarse sólo en
objetivos con longitudes focales de 135 mm o mayores. Si es posible, se recomienda
comprar un objetivo con este tipo de interruptor.
Si compra un objetivo pensando únicamente en astrofotografía, puede buscar un
objetivo sin apertura automática – para modelos más antiguos de cámara. El uso de
dicho objetivo será más sencillo.
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Observatorio CCD en el colegio
El objetivo se acopla a la cámara con un adaptador. Un extremo del adaptador
se fija a la webcam en lugar de la lente original, y la nueva lente se ajusta al otro
extremo del adaptador. Este tipo de adaptador está disponible por ejemplo en
Astrokrak (http://www.astrokrak.pl). Hay dos tipos de adaptadores: los antiguos y más
sencillos son un simple tubo con sus extremos roscados, así una webcam con una lente
se monta colocando un tornillo en la rosca situada en el cuerpo de la webcam. Esto
significa que todo el peso del objetivo descansa en una delicada rosca en la cámara
y en su igualmente delicado cuerpo, disminuyendo la vida de la cámara
significativamente y imposibilitando el uso de objetivos más pesados. La nueva versión
del adaptador está realizada en duraluminio más resistente y tiene extremos roscados
que hacen posible ajustar el adaptador directamente a la montura. En esta
configuración, el peso de la lente de la cámara pasa a la montura a través de un
elemento macizo metálico, por lo que no es un problema emplear lentes de cámara
más pesadas con una longitud focal de 200 mm. Las webcams Philips ToUcam pueden
utilizar únicamente este tipo de adaptador, porque no tienen una rosca de montaje
en su cuerpo.
Webcam Philips ToUcam PRO II con un objetivo Domiplan 2.8/50
acoplado mediante la nueva versión del adaptador. El mago regulador de
la montura se sitúa mirando al frente; porque si no fuera así haría difícil
observar objetos situados muy por encima del horizonte.
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Fotografía inferior: Webcam Philips ToUcam PRO II con un objetivo
telescópico Helios 2.8/135.
Con el uso de una webcam en astrofotografía podemos utilizar teleconvertidores.
Estos son elementos sujetos entre la webcam y el objetivo de la cámara que amplian
la longitud focal efectiva, normalmente al doble. Nos permiten tomar fotografías de un
campo más pequeño cuando no tenemos un objetivo con suficiente longitud focal a
nuestra disposición. Desgraciadamente, el empleo de un teleconvertidor conlleva
pérdidas significativas – el brillo del objetivo es dos veces menor y su poder de
resolución se deteriora. Debemos pues evitar las situaciones en las que sea necesario
utilizar un teleconvertidor. Es mucho mejor comprar una lente de cámara extra con
una longitud focal grande, cuyo precio es similar al de un teleconvertidor.
El modo más sencillo de fotografiar el cielo con una webcam y una lente de
cámara es colocarlas sobre una montura y sacar fotografías con una cámara estática.
La simplicidad es una ventaja de este método pero de esta manera sólo podemos
sacar fotografías con tiempos de exposición limitados. Si la exposición es muy larga, las
estrellas (y los demás objetos que hay en el cielo) serán registrados como manchas,
reflejando la variabilidad de estos objetos en el cielo. El tiempo máximo de exposición
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Observatorio CCD en el colegio
depende de la longitud focal del objetivo (a mayor longitud, menos tiempo de
exposición) y la declinación del área del cielo que queremos fotografiar (a mayor
declinación, mayor es el tiempo de exposición aceptable). Podemos encontrar este
valor, si aceptamos que la forma de la imagen de una estrella se elongue, por
ejemplo, menos de 1,5 veces su diámetro,. Vamos a emplear una expresión que
relaciona el tiempo de exposición t (en segundos) con la longitud de la trayectoria L
(en milímetros) de una estrella con una declinación δ fotografiada con un objetivo de
longitud focal f (en milímetros):
t  13713
L
f cos
Vamos a calcular el tiempo máximo de exposición, suponiendo que tenemos un
buen objetivo y que queremos trayectorias circulares de estrellas igual de débiles. Si no
se sobreexpone, la imagen de una estrella en estas condiciones aparece en no más
de 3 píxeles de una webcam, así que supongamos que su movimiento en el sensor
CCD no debe exceder 10 μm (dos píxeles). Tomando L =10 μm en la fórmula,
obtenemos los siguientes valores de tiempo máximo de exposición (en segundos) para
las diferentes declinaciones y longitudes focales:
δ f
0º
30º
60º
70º
80º
35 mm
4
5
9
13
25
50 mm
3
3
6
9
17
135 mm
1
1
2
3
6
200 mm
1
1
1.5
2
4
Usando esta fórmula también podemos encontrar el tiempo máximo en otras
situaciones, por ejemplo, objetivos con diferente longitud focal o estrellas muy brillantes
cuya imagen en la fotografía esté muy sobreexpuesta. En esta situación, la imagen de
la estrella es mucho mayor que los 3 píxeles supuestos y su movimiento puede ser
mayor sin causar una distorsión visible.
Aunque el tiempo de exposición está muy limitado cuando usamos una cámara
estática, podemos atrevernos a fotografiar objetos menos contrastados sacando
múltiples fotografías, cada una con un tiempo de exposición lo bastante corto para
que la imagen aparezca casi como un punto. Entonces, desplazando estas fotografías
hasta que se solapen las imágenes de las estrellas, y sumándolas, tendremos una
imagen cuyo tiempo de exposición es igual a la suma del tiempo de exposición de
todas las imágenes. Este hecho aumentará significativamente la magnitud límite de
una imagen de la fotografía final respecto a la de una única exposición. Sin embargo,
no es posible fotografiar objetos poco contrastados ilimitadamente añadiendo un
número mayor de fotografías, pues un objeto poco contrastado fotografiado con un
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periodo de exposición breve no alcanzará el umbral de sensibilidad de la webcam, y
no aparecerá en la fotografía, incluso si tenemos un gran número de fotogramas.
Para fotografiar objetos nebulosos poco contrastados, es necesario seguir el
movimiento aparente del cielo con la webcam. No necesita seguir este movimiento
exactamente porque el método de añadir muchas exposiciones cortas le permitirá
fotografiarlos incluso si los tiempos de exposición inferiores a un minuto causan errores.
El modo más sencillo de obtener un mecanismo director para la webcam y su objetivo
es montarlos en un telescopio (por ejemplo, en paralelo a su tubo óptico) en un
trípode ecuatorial con un mecanismo director automático. Así se emplea únicamente
el telescopio como montura, y su óptica permite monitorizar y corregir su movimiento.
También puede probar a usar un telescopio en una montura sin un controlador
eléctrico. El telescopio se maneja manualmente con controles de movimiento precisos,
para mantener la imagen de la estrella elegida en el centro del campo de visión del
telescopio (la estrella no tiene porque estar en el campo que fotografiamos). Para que
este método sea efectivo, sin embargo, la montura del telescopio tiene que ser muy
estable porque si no las vibraciones de nuestra mano sobre los controles de
movimiento se transmitirán a la webcam y destruirán el efecto conseguido.
Los telescopios con monturas altazimutales con controladores de movimiento dirigidos
por ordenador son cada vez más populares. Nos permiten elegir un objeto en el centro
del campo de visión, ¡pero la imagen en ese telescopio gira alrededor de su centro!
Por tanto, aunque sea perfecto para las observaciones visuales, este tipo de
telescopios no es adecuado como montura con mecanismo controlador para
astrofotografía. Es verdad que puede añadir las imágenes tomadas con la ayuda de
este telescopio (girándolas con una aplicación informática) pero su procesamiento es
más complicado que el de las fotografías sacadas con un mecanismo controlador
sobre una montura ecuatorial. Algunos de estos telescopios, (por ejemplo, las series
Meade ETX), pueden configurarse para trabajar en un sistema ecuatorial, así que
merece la pena sacarle partido a este hecho. Si además, este telescopio tiene la
capacidad de apuntar automáticamente a un objeto elegido del catálogo, es una
montura sobresaliente para una webcam con una lente de cámara. Si la montamos
previamente en un telescopio de tal forma que el centro del campo de visión del
telescopio se solapa con el de la webcam, eliminamos los problemas de una
búsqueda tediosa con la webcam para sacar una fotografía. Entonces usamos un
mecanismo controlador dirigido por ordenador para apuntar al objeto buscado, y
además podemos comprobar con el telescopio si el objeto que nos interesa está en el
campo de visión, si es muy débil para ser visible en una única exposición sin procesado
informático.
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Observatorio CCD en el colegio
2.5 Telescopio no profesional
Cuando se acopla una webcam a un telescopio no profesional con una longitud focal
de unos 1000 – 2000 mm y
una apertura de 10 – 25
cm, seremos capaces de
intentar tomar fotografías
de los cráteres de la Luna,
los planetas y (después de
disponer
un
filtro
apropiado, por supuesto)
las manchas solares. Si queremos mirar al universo más lejano y sacar fotografías de
objetos Messier, nuestra cámara tiene que modificarse de tal manera que admita
tiempos de exposición largos. También necesitaremos un telescopio cuyas lentes
tengan una longitud focal f = 300 – 500 mm y una apertura de 5 – 10 cm. También será
necesario tener un mecanismo controlador automático para el telescopio, que nos
permitirá seguir al objeto observado constantemente, mientras se fotografía. Un
telescopio común, de los que a menudo hay en los colegios – normalmente olvidado y
rara vez empleado, puede resucitarse con el uso de una webcam. Se puede modificar
fácilmente para la observación con el empleo de una cámara CCD. El tipo más
común de telescopio es el llamado telescopio newtoniano. Si nunca lo ha utilizado,
échele un vistazo más de cerca.
El tubo grueso que constituye el cuerpo principal del telescopio se llama tubo óptico.
Sin embargo, la parte más importante es el espejo primario. Los factores decisivos para
la resolución del telescopio y su capacidad de registrar hasta los objetos menos
contrastados son el tamaño y la forma de este espejo parabólico. La siguiente parte
más importante del telescopio es su espejo secundario, que dirige la luz procedente
del espejo primario hacia el enfoque. En el enfoque, normalmente situado a un lado
del tubo óptico, colocamos una lente ocular. Esta nos permite ajustar la nitidez de la
imagen. También es el lugar donde instalaremos la webcam. El diámetro más habitual
de la lente ocular es de 1.25 pulgadas (a mayor diámetro, mayor el campo de visión).
Con este típico diámetro es muy fácil instalar la webcam; si la lente ocular tiene otro
diámetro (caso poco frecuente), debemos tenerlo en cuenta al encargar el
adaptador. La lente ocular junto con el enfoque es un sistema de lentes a través del
cual pasa un haz de luz, enfocado por los espejos. Gracias a este haz podemos tener
una imagen nítida y aumentada. Algunas veces tendremos que acoplar una lente
Barlow al enfoque frente a la lente ocular normal. Esta lente aumenta la longitud focal
del
telescopio
(x2, x3, x4, …). De
desafortunadamente a costa del brillo.
esta
manera,
el
aumento será
mejor,
Observatorio CCD en el colegio
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Los telescopios newtonianos se caracterizan habitualmente por un ratio focal amplio
(el ratio entre el diámetro del espejo y su longitud focal), lo que los hace instrumentos
idóneos para la observación de objetos poco contrastados. Debido a su sencilla
construcción, también son los telescopios de reflexión construidos más frecuentemente
por los aficionados. Como en otros telescopios de reflexión, el espejo secundario se
sitúa en el camino del haz de luz, lo que provoca que una cierta cantidad de luz se
pierda pero es un pequeño porcentaje de la superficie del espejo primario y no nos
debe molestar. El tamaño de un telescopio de este tipo depende por supuesto del
diámetro del espejo y de su longitud focal, y la longitud del tubo óptico es muy similar
a la longitud focal.
El campo de visión del telescopio es algo pequeño y normalmente, con algo de
suerte, podemos ver a través de la lente ocular únicamente el objeto que hemos
elegido. Pero, ¿cómo encontrarlo en el cielo? Aquí es donde un buscador es útil. Un
buscador es un pequeño telescopio que nos ahorra tiempo y esfuerzo mientras se
posiciona el telescopio sobre el objeto buscado. Debe calibrarse a la luz del día.
Requiere un gran esfuerzo encontrar la estrella o planetoide elegido, incluso con un
buscador. (Los principiantes deben practicar intentando encontrar la Luna). Por lo
tanto, antes de empezar las observaciones debemos comprar un mapa celeste con la
región que queremos observar y desarrollar entonces una estrategia: desde qué
objetos a qué objetos vamos a proceder. Siempre es una buena idea empezar con los
objetos más fáciles de localizar, y luego experimentar con otros más difíciles. El
siguiente problema es colocar el enfoque del telescopio. Si, después de armar todo el
conjunto, no podemos ver los objetos celestes a los que está orientado el telescopio,
suele pasar que la nitidez de nuestro enfoque no está ajustada. La manera más
sencilla de hacerlo es ajustar primero el enfoque para que los objetos terrestres
cercanos sean visibles (los árboles del horizonte, una chimenea o una antena en un
edificio lejano), y gradualmente moverlo hacia el objeto celeste elegido para ajustar
el último enfoque.
El tubo óptico está colocado sobre una montura. Una montura puede ser altazimutal
(con movimiento horizontal y vertical) o (mejor) ecuatorial, con el que podemos seguir
el desplazamiento de los objetos en el cielo, guiando el telescopio en un solo eje. Una
montura altazimutal corriente se puede transformar en una montura más o menos
ecuatorial inclinando la montura hasta que su eje vertical esté inclinado respecto del
horizonte un ángulo igual a la latitud de nuestra ubicación, φ (por ejemplo,
disponiendo una cuña con un ángulo 90 – φ bajo la montura). Una vez se acopla el
telescopio a la montura y se orienta correctamente, lo guiamos con controles de
movimiento de precisión. Si planeamos una observación larga de un objeto (por
ejemplo con una webcam adaptada), necesitaremos un sistema automático de guía
16
Observatorio CCD en el colegio
para el telescopio junto con el movimiento del cielo; los controles manuales son
suficientes para observaciones más cortas.
A veces, para la mejor calidad de las observaciones con una webcam, incluso se
recomienda que el objeto se desplace en el campo visual.
3. Nuestro observatorio
La siguiente descripción es del conjunto de un telescopio newtoniano y una webcam
Philips. Sus parámetros son los siguientes:
Webcam (sensor CCD):
tamaño
resolución
tamaño del píxel
3.87 x 2.82 mm
640 x 480 píxeles
5.6 micrómetros x 5.6 micrómetros
Telescopio:
diámetro lente principal
máximo aumento
longitud focal
Buscador
76 mm
350x
700 mm
5x24 mm
lente ocular
4 mm, 12.5 mm, 20 mm
lente Barlow
2x, 3x
aumentos teóricos de la lente ocular
35x 70x 175x
4. Algunas fórmulas
Vamos a familiarizarnos con algunos de los parámetros más importantes que describen
el telescopio y la webcam y las fórmulas que son comunes a ambas. Estas
aclaraciones serán de utilidad en la planificación eficiente de las observaciones con
un determinado tipo de equipo.
La resolución angular de un telescopio nos dice cuán cerca pueden estar dos objetos
celestes para poder ser capaces de distinguirlos entre sí. La resolución está
relacionada con el diámetro de la lente, D, y la longitud de la longitud de onda de la
luz que observamos, λ:
ρ=1.22 λ/D (radianes)
Para calcular ρ de radianes a segundos de arco debemos multiplicar el resultado por
el número de segundos que hay en un radián, nominalmente 206205. Aunque esta
fórmula sugiere que a mayor diámetro mayor resolución , en la práctica la resolución
de las observaciones terrestres no es nunca mayor a un segundo de arco (y
normalmente mucho menor), debido a la influencia distorsionadora de la atmósfera.
Observatorio CCD en el colegio
17
Por lo tanto, un diámetro mayor no asegura una resolución notablemente mejor, pero
una superficie mayor recogiendo luz hará posible ver los objetos menos contrastados.
El aumento angular, P, está estrictamente relacionado con las longitudes focales de
las lentes y de la lente ocular; a mayor longitud focal de la lente y menor la de la lente
ocular, es decir, a mayor ratio, conseguimos un mayor aumento.
P = fob / fok
siendo: P – el aumento de los telescopios, fob – la longitud focal de la lente, fok –la
longitud focal de la lente angular.
Otro parámetro importante del telescopio es su ratio focal, que describe el brillo de un
objeto continuo visible a través de él. El ratio focal se describe por el ratio del diámetro
de una lente respecto a su longitud focal:
A = D/ fob
A mayor A, se ven mejor los objetos menos contrastados.
Un parámetro muy importante es el tamaño del campo de visión:
q = 2 arctg (ddet / 2 fob)[rad]
siendo ddet el tamaño linear del detector CCD – en el caso de la webcam Vesta Pro, el
campo de visión de la cámara con la lente de una cámara de fotos acoplada (f = 50
mm) es igual a 4.4 X 3.2 grados, y el campo de visión de una webcam acoplada a un
telescopio (f = 200 mm) es sólo de 6.6 x 4.8 minutos de arco. Como podemos ver, los
instrumentos con una longitud focal pequeña deberían emplearse para observaciones
de objetos con tamaño angular grande. De otra manera, para lograr una buena
imagen, deberemos componer un mosaico de un ingente número de fotografías. En el
caso de objetos en los que queramos registrar el mayor número de detalles posible, es
importante emplear otro criterio – uno que dé la longitud focal óptima de un
telescopio con un diámetro dado, igual al tamaño de un único píxel de una matriz
CCD, dpix. Si se observa bajo una luz con una longitud de onda λ, entonces:
fob ~ (D dpix) / (0.51 λ)
Y así, mientras observamos Saturno (λmax ~ 550 mm) con un telescopio con una lente
de diámetro 76 mm (como la descrita anteriormente) y una webcam Vesta Pro, sería
ideal que el telescopio tuviera una longitud focal de 1517 nmm. Como un telescopio
tiene una longitud focal de 700 mm, será necesaria una lente Barlow para duplicarla.
5. Ordenador y programas/software
Obviamente, necesitaremos más que una webcam y un telescopio para registrar la
imagen. Será necesario un ordenador con el software adecuado. Lo mejor es un
ordenador portátil – un cuaderno. El ordenador en sí mismo no tiene que tener unos
parámetros extraordinarios – un modelo antiguo puede ser suficiente. Sin embargo,
será útil si el ordenador tiene un puerto USB al que conectar la webcam. (Si no
18
Observatorio CCD en el colegio
tenemos un puerto USB, debemos adquirir una tarjeta que lo tenga). Si hemos
mejorado
la
cámara
para
que
soporte
exposiciones
largas,
también
será
imprescindible un puerto para la impresora. Debemos comprobar que este realmente
existe, puesto que muchos modelos de ordenador actuales no lo tienen.
La elección de software es muy amplia, siendo la mayoría gratis. Normalmente,
necesitaremos un programa que guiará la cámara, y otro que procese los datos
registrados. Será también útil un mapa celeste, como Cartes du Ciel (disponible en
polaco) http://www.stargazing.net/astropc/ SkyMap http://www.skymap/com o Starry
Night http://www. starrynight.com/. Todo este software puede descargarse de internet.
Nosotros recomendamos K3CCD TOOLS para guiar la cámara, disponible en internet
en http://www.pk3.org/Astro/software.htm. Otra posibilidad es el programa AstroVideo
en http://www.ip.pt/coaa/astrovideo.htm, disponible como shareware (deberíamos
comprarlo después de 21 días). Un programa para procesar las fotografías registradas
que merece nuestra especial atención es Iris. Está disponible en
http://www.astrosurf.com/buil/us/iris/iris.htm.
Podemos también utilizar un programa más sencillo, Astrostack, aunque tiene menos
opciones –
http://www.astrostack.com/
El siguiente reto al que nos encontraremos es la instalación de la webcam CCD y el
software necesario. Con Windows XP, los drivers de Vesta y ToUcam se instalan
automáticamente, pero en versiones anteriores de Windows se requiere cargar los
drivers desde un CD.
6. Preparación para las observaciones
Antes de empezar a observar el cielo, debemos considerar dónde y a qué objetos
queremos dedicarnos. Es importante elegir un punto suficientemente oscuro para
nuestras observaciones. En la práctica, esto significa que cuanto más alejados de la
ciudad, mejor. Sin embargo, si no podemos escaparnos a la periferia, debemos
encontrar un lugar donde las luces de la ciudad no distorsionen nuestras imágenes
(cuanto más oscuro, mejor). En el lugar de observación debemos asegurarnos que
tenemos acceso a la corriente eléctrica, incluso si utilizamos un ordenador portátil con
su batería, porque en una noche fría, la batería de un ordenador trabajando
continuamente y con una webcam, puede no durar más de una hora de observación.
Otro tema importante digno de consideración es que los objetos visibles lo serán un día
determinado, debido a que la Tierra y los otros planetas giran alrededor del Sol y
también alrededor de su propio eje. Por eso algunos objetos son difíciles de observar y
en cualquier caso debemos comprobar cuales y cuando son visibles en un día
Observatorio CCD en el colegio
19
determinado. Aquí es cuando los programas mencionados anteriormente son útiles –
mapas informatizados del cielo
Es mejor empezar las observaciones aprendiendo a reconocer los lados del mundo. En
el hemisferio norte la mejor guía es la Estrella Polar, que se sitúa precisamente en el
polo norte del cielo. ¿Y cómo encontrarla? La manera más fácil es localizar la Osa
Mayor que nos orienta a la Estrella Polar. La Osa Mayor es una constelación que es
visible en el cielo en nuestro país todo el año. Si alargamos la pata delantera de la Osa
Mayor, llegaremos a la Polar. Todos los planetas y la Luna en nuestro cielo están muy
cerca de la eclíptica y, a groso modo, se mueven a lo largo de ella. La Luna, el cuerpo
más brillante en el cielo después del Sol, se aleja de la eclíptica no más de cinco
grados norte o sur. El tiempo que necesita para dar una vuelta completa alrededor de
la Tierra es igual al tiempo que tarda en dar una vuelta a su propio eje. Esa es la razón
por la que sólo podemos ver un lado de la Luna desde la Tierra. Dependiendo de
cómo caiga la luz del Sol en este lado de la Luna, podemos apreciar el fenómeno de
las fases. Las fases son muy útiles durante las observaciones de nuestro satélite natural.
La mejor fase para las observaciones es en cuarto creciente, porque en esta fase las
montañas y cráteres dan lugar a sombras en el borde del lado iluminado con el lado
oscuro. Este borde se denomina terminator. En cuarto creciente vemos el termitador
recto desde arriba y las sombras son mayores.
Además de la Tierra, hay ocho planetas diferentes que giran alrededor del Sol. Cinco
de ellos se pueden ver a simple vista. El brillo de los planetas consiste en el reflejo de la
luz solar, un detalle que los distingue de las estrellas, las cuales tienen luz propia.
Podemos reconocer los planetas en el cielo por el hecho de que no parpadean. Su luz
es constante y estable. Si queremos observar planetas, es mejor empezar
comprobando cuáles son visibles en el cielo ese mes. Los planetas son muy brillantes y
siempre están cerca de la eclíptica, lo que significa que siempre podemos
encontrarlos en una de las doce constelaciones del zodiaco, a lo largo de las cuales
pasa la eclíptica. Los planetas pueden estar en varias posiciones respecto del Sol y de
la Tierra. Este hecho tiene su reflejo en el brillo de los planetas. Mercurio y Venus, como
los planetas más interiores, están muy próximos al Sol, así que es posible verlos justo
después de amanecer o del atardecer, en la zona oeste o este del cielo. Los planetas
más exteriores son aquellos cuyas órbitas son mayores que la órbita de la Tierra, por
ejemplo Marte, Júpiter, … Si uno de estos planetas está situado opuesto al Sol, significa
que está en oposición. En este caso permanece en el cielo toda la noche. Cuando
dos o más planetas se acercan uno a otro en el cielo, hablamos de conjunción.
También son posibles las conjunciones de planetas con la Luna. Podemos ahora con
buena fe elegir un objeto para observar y empezar a actuar. Y aquí surge la pregunta:
¿Cómo hacerlo?
20
Observatorio CCD en el colegio
Deberíamos iniciar nuestra observación colocando adecuadamente la montura de
nuestro telescopio, de modo que uno de sus ejes (el llamado eje de ascensión recta)
apunte a la Estrella Polar. En los mejores telescopios un polariscopio sirve a tal efecto.
Se acopla paralelo al eje de ascensión recto y la Estrella Polar debe quedar en el
centro del campo de visión. Los telescopios que no tienen polariscopio se tendrán que
ajustar confiando en nuestra intuición, mirando a lo largo del eje e intentando disponer
la montura de tal manera que la Estrella Polar se sitúe en la prolongación del eje de
ascensión recto. Es importante colocar la montura con precisión porque en una
montura colocada idealmente podemos compensar por el movimiento del cielo con
un solo movimiento de los controles de movimiento de precisión. Desafortunadamente,
tenemos que aceptar que la montura no se puede colocar perfectamente, a menos
que utilicemos un telescopio situado en una cúpula de observación y no se mueve
porque el procedimiento de colocar la montura dura una o dos noches. Por lo tanto,
deberemos corregir con los controles de movimiento de precisión también la posición
en el otro eje (el llamado eje de declinación), pero cuanto mejor coloquemos la
montura, menores serán las correcciones a realizar.
Si no tenemos un telescopio sino solamente una webcam con una lente de cámara en
un trípode fotográfico, entonces, por supuesto, no realizamos el proceso anterior. De
todas formas, es útil asegurar que la montura es estable, y que está situada cerca de
un ordenador, para ser así capaces de mover la webcam sin levantarnos del teclado.
Antes de empezar las observaciones fotográficas, se recomienda echar un vistazo a los
objetos en los que estamos interesados, armados con un telescopio o unos prismáticos.
Será más sencillo encontrar el objeto con un telescopio equipado con una webcam
cuando queremos sacar su fotografía. Si tenemos prismáticos, es una buena idea
emplearlos porque gracias a su amplio cambio de visión y normalmente brillo
significativo es más fácil encontrar los objetos nebulosos. Sabiendo qué aspecto tienen
y su ubicación precisa frente a las estrellas, encontraremos más fácil encontrarlo con
un telescopio. En este paso, podemos utilizar un buscador, una pieza necesaria del
equipo de cualquier instrumento grande de observación. El buscador aumenta muy
poco pero tiene un campo de visión relativamente ancho, haciendo fácil así apuntar
el telescopio en la dirección del objeto que queremos ver. Normalmente se instala
sobre una base doble con tornillos guía – mientras los utilizamos debemos prestar
atención a que los ejes ópticos del buscador y del telescopio permanecen paralelos,
por ejemplo que el mismo objeto sea visible en el centro del campo de visión del
buscador así como en el del telescopio. El buscador debe calibrarse durante el día,
con objetos grandes. Una vez colocado adecuadamente, nos será muy útil. Cuando
se orienta el telescopio hacia el objeto se debe inmovilizar. Para inmovilizar un
telescopio debemos
enroscar todos los reguladores para
prevenir cualquier
Observatorio CCD en el colegio
21
movimiento accidental. Ahora sólo nos quedan los movimientos de precisión. Su
propósito es cambiar la posición del telescopio con gran precisión, y uno de ellos (en el
eje de ascensión recta) se emplea para seguir el movimiento del cielo con el
telescopio. Obviamente, esto solo afecta a los telescopios sin control automático.
Cuando hayamos ajustado nuestro telescopio adecuadamente (y acabado con
cualquier observación visual posible), le debemos acoplar la webcam, empleando el
adaptador adecuado. Podemos hacerlo usando un adaptador con un extremo se
monta en lugar de la lente original de la webcam y el otro extremo es un tubo cuyo
diámetro es igual al diámetro estándar del ocular (1,25 pulgadas). Este tubo debe
colocarse en el enfoque en lugar del ocular. En el caso de algunos telescopios,
especialmente los antiguos telescopios Universal, tenemos que adoptar una estrategia
diferente porque el diámetro del ocular es diferente. En los antiguos telescopios
Universal podemos desenroscar parte del enfoque , con lo que conseguimos acceso a
la rosca M42x1 – la misma que en una lente de una cámara. Entonces, seguimos los
mismos pasos con estos telescopios que con las lentes de una cámara – utilizamos un
adaptador que en un extremo se acopla a la webcam y el otro tiene la rosca M42x1,
que encaja tanto en la lente de la cámara como en los telescopios antes
mencionados.
El último paso de las preparaciones es conectar la cámara al ordenador – si no
intentamos tomar exposiciones largas, por ejemplo si sólo queremos fotografiar la Luna
o el Sol, o planetas brillantes, es suficiente con conectar el cable al puerto USB. Para
poder emplear todas las propiedades de la webcam acoplada, debemos conectar
también el cable extra al puerto paralelo.
Antes de sacar fotografías del cielo, debemos enfocar, lo que quiere decir ajustar la
distancia entre la webcam y el espejo del telescopio de tal manera que el sensor CCD
se sitúe precisamente en el punto focal del espejo. Para hacerlo, debemos encender
el ordenador y el programa que registra las imágenes de la webcam.
7.- Registrando las fotografías.
La mejor manera de registrar fotografías puede hacerse empleando el programa
antes mencionado – K3CCD Tools, que es compatible con las webcam Philips
adaptadas. El programa tiene muchas opciones y lo mejor es aprenderlas a base de
prueba y error, cambiando los parámetros y comprobando cómo estos cambios
afectan a las imágenes obtenidas. Discutiremos ahora algunas de las opciones y
características básicas del programa sobre la versión 1.1.7.541 (es conveniente
disponer siempre de la última versión del programa y descargar regularmente sus
actualizaciones de internet). Esta versión del programa es gratuita, aunque el autor
22
Observatorio CCD en el colegio
requiere que descarguemos una nueva clave cada varias semanas de su website. Si al
arrancar el programa vemos esta ventana de diálogo:
significa
que
debemos
descargar
una
nueva
clave
de:
http://www.pk3.org/K3CCDTools/freekey.htm. Para hacerlo, debemos seleccionar
todos los números en la casilla blanca del website y pulsar la combinación de teclas
Ctrl+C.
Entonces pegamos la clave en el programa pulsando la tecla Enter en la ventana de
diálogo anterior, que nos lleva a esta otra:
Observatorio CCD en el colegio
23
Aquí marcamos la opción Paste Key from Clipboard y después la tecla OK, tras lo cual
podremos utilizar el programa otras pocas semanas. Cuando acabamos de
registrarnos, veremos la ventana principal del programa (¡recuerden conectar la
webcam de antemano!):
Antes de iniciar las observaciones, debemos determinar las principales opciones del
programa, eligiendo Settings en el menú de Options. En el cuadro de diálogo:
24
Observatorio CCD en el colegio
Debemos disponer el Frame rate a 5.00 fps, también podemos cambiar el directorio,
donde se guardarán las imágenes y cambiarle el nombre a los archivos en los que se
guardarán (File name). Un botón muy importante para nosotros es el de Video button,
que abre el cuadro de diálogo:
Aquí podemos establecer la resolución de las imágenes obtenidas, siendo la resolución
recomendada de 640x480 píxeles. Las demás pestañas del menú Settings (Seq.
Observatorio CCD en el colegio
25
Processing, Camera y Guiding) no son de nuestro interés por ahora porque los valores
por defecto deberían ser los adecuados. Si utilizamos una cámara adaptada a
tiempos de exposición largos, debemos asegurar que en la pestaña Camera
está elegida la opción SC Long Exposure.
Ahora debemos establecer los parámetros de trabajo de la webcam. Para hacerlo,
debemos seleccionar la opción Video Source en el menú de Video Capture o en
botón XXXX. Con un click sobre ella, aparecerá una ventana de diálogo y su formato
depende de la cámara que estemos utilizando. Para las cámaras Vesta de Philips es la
siguiente:
26
mientras que en las webcam ToUcam de Philips es así:
Observatorio CCD en el colegio
Observatorio CCD en el colegio
27
Es también muy importante fijar el número de los fotogramas por segundo de
grabación (Frame rate) en 5 y deseleccionar todas las casillas blancas. Los reguladores
de Brightness, Contrast, Gamma y Saturation pueden dejarse como están. Una vez
hecho esto, debemos ir a la pestaña de Camera controls, que es así:
-
para una cámara Vesta de Philips:
-
para una cámara ToUcam de Philips:
28
Observatorio CCD en el colegio
Estas ventanas de diálogo son muy importantes para nosotros pues aquí es donde
ajustaremos los parámetros de trabajo de la webcam para el objeto que queremos
fotografiar.
Para
empezar,
debemos
desconectar
los
valores
por
defecto
deshabilitando las casillas de Auto en Exposure y White balance (para las cámaras
ToUcam). Debemos elegir una de las opciones de White balance, aunque ninguna sea
la mejor para astrofotografía. Parece que los colores estarán menos afectados con la
opción FL, pero es bueno experimentar con otras opciones. También elegiremos la
opción de Off en la casilla de Flickerless.
Nos quedan dos de los reguladores más importantes: Shutter speed y Gain. El primero
se emplea cuando no utilizamos tiempos de exposición largos, por ejemplo para
fotografiar la Luna. Desplazando el regulador cambiamos el tiempo durante el cual la
webcam recibe la luz que le llega, en otras palabras, ampliamos o disminuimos la
cantidad de luz que se registra. Cuanto más rápido sea el obturador (regulador hacia
Fast), más oscura sale la fotografía. Debemos tener cuidado porque si desplazamos el
regulador demasiado a la derecha tendremos este resultado, no veremos nada, sólo
un fotograma negro. La posición de este regulador no importa cuando sacamos
fotografías con una webcam adaptada, con tiempos de exposición largos. Lo mejor es
desplazarla al extremo izquierdo.
El otro regulador (Gain) establece la amplificación del sistema electrónico que
convierte la luz en señal eléctrica. A mayor amplificación (regulador a la derecha), la
Observatorio CCD en el colegio
29
webcam será más sensible y la imagen más brillante, pero al mismo tiempo se
aumenta el ruido. La posición óptima de este regulador depende del objeto que
queramos fotografiar. Si queremos fotografiar objetos brillantes (la Luna, estrellas,
racimos de estrellas), intentaremos trabajar con una amplificación no muy grande (el
regulador entre las posiciones de 0 y medio recorrido) porque disminuirá la cantidad
de ruido, al mismo tiempo que se mantiene el brillo de la fotografía en un nivel
suficiente. Si, sin embargo, tomamos fotografías de objetos poco contrastados
(galaxias, nebulosas), si entonces disminuimos la amplificación puede pasar que no se
registren los objetos. En este caso, debemos aumentar la amplificación, teniendo en
cuenta que será necesario sacar muchos más fotogramas para compensar por el
aumento de ruido.
Cuando hayamos establecido los parámetros deseados, podemos cerrar la ventana
de diálogo y volver a la ventana principal del programa K3CCDTools. Ahora debemos
colocar el enfoque. Si no podemos ver la imagen de la webcam en nuestra pantalla,
pulsaremos el botón preview XXXXXX. Si se pulsa y todavía no visualizamos ninguna
imagen, intentaremos encender una cerilla directamente en la lente del telescopio o
de la cámara – ¡puede que no veamos nada porque la imagen es muy oscura! Es muy
difícil enfocar sobre la base de imágenes del cielo, porque las fotografías son oscuras y
si el foco no es perfecto (¡y su primer día lo es!), no tenemos ninguna posibilidad de ver
ningún objeto celeste (aparte de la Luna). Esta es una de las razones de fallo más
frecuente en los primeros intentos de fotografiar el cielo con una webcam. Debemos
adoptar la regla de empezar enfocando a un foco de luz brillante que esté alejado de
nosotros (al menos 100 metros, cuanto más alejado mejor). Aunque para las
observaciones intentamos encontrar un punto apartado de las farolas, un foco de luz
alejado nos facilitará enfocar más fácilmente. Mientras hacemos esto, no empleamos
exposiciones prolongadas para establecer el brillo correcto de las fotografías, usamos
el regulador Shutter speed. Hay que recordar que la fotografía no puede ser muy
brillante – saturada –porque la configuración será inadecuada. Únicamente cuando la
imagen del foco de luz esté perfilada, podemos desplazar la cámara hacia un objeto
brillante en el cielo – la Luna, un planeta, una estrella brillante y ubicar el enfoque en su
valor definitivo. Es importante utilizar un objeto brillante para este propósito porque
tampoco utilizamos exposiciones prolongadas, y gracias a ello, podemos ver el efecto
de cambios del enfoque inmediatamente, y no después de
un segundo.
Normalmente, sin embargo, después de cambiar el enfoque, debemos dejar el control
focal y esperar un momento hasta que la montura deja de vibrar y la imagen se
estabilice.
Cuando la imagen es nítida, podemos empezar a sacar fotografías. Hay cuatro
maneras de registrar fotografías:
30
Observatorio CCD en el colegio
Captura de un fotograma
Cuando pulsamos XXXX la ventana de diálogo, aparece
Donde cada vez que pulsamos Capture registramos un único fotograma. Cuando
pulsamos Close, se guarda en el disco duro la película con las imágenes capturadas.
También podemos conectar el modo automático marcando la casilla de Enabled,
escribiendo el intervalo de tiempo en que se van a sacar los fotogramas (Period).
1. Capturar una secuencia de video (registrando una película a su velocidad real)
Cuando se pulsa
XXXX, el programa empezará a registrar una película a una
velocidad (por ejemplo 5 fotogramas por segundo) la cual se puede regular con
anterioridad en la pestaña de Image controls de la ventana de Video source. Para
detener la grabación debemos pulsar el botón derecho del ratón.
2. Temporizador de una secuencia de video / capture timer (grabación de películas
con un intervalo de tiempo predeterminado).
Cuando se pulsa XXXX aparecerá una ventana,
dónde podemos establecer la duración de una única película (Duration), que debería
ser el intervalo de tiempo entre la grabación de las películas subsiguientes (Period), y
posiblemente cuántas películas deben grabarse (Repeat Count, tras habilitar la
casilla). Si no se selecciona Repeat Count, las películas se grabarán hasta que se pulse
Stop o Close. Los videos se graban a la velocidad definida anteriormante en la
pestaña de Video controls en la ventana de Video Source.
3. Exposición prolongada
Observatorio CCD en el colegio
31
Cuando pulsa XXXX, aparecerá una ventana, desde dónde puede controlar el trabajo
de la webcam cuando se utilizan exposiciones prolongadas:
Aquí también podemos establecer el tiempo de exposición, empezando con 0.5 s con
una cadencia de 0,5 s, o podemos indicar al programa que queremos sacar el
número de fotografías establecido en la casilla Repeat Count (de otro modo las
fotografías se tomarán una tras otra). El botón
Preview XXX muestra una
previsualización de las imágenes grabadas, el botón Record XXX inicia la grabación de
la película, y se pueden capturar fotogramas individuales cuando se pulsa el botón
XXX Single Exposure.
Emplearemos esta ventana con frecuencia cuando queramos fotografiar estrellas u
objetos nebulosos. Sólo tenemos que recordar la necesidad de conectar el cable extra
al puerto de la impresora del ordenador, y en las cámaras Vesta de Philips – colocar el
interruptor situado en el cuerpo de la cámara en la posición correcta.
Finalmente, la tarea más importante: encontrar el objeto y situarlo en el centro del
campo de visión de la webcam. Si la webcam está acoplada a un telescopio,
podemos
usar
el
buscador
para
este
propósito
(que
debemos
colocar
adecuadamente con anterioridad). Si estamos utilizando una webcam con una lente
de cámara en un trípode fotográfico, entonces, desafortunadamente, no tenemos un
buscador a nuestra disposición y debemos apuntar la webcam para que se coloque
en las cercanías del objeto que buscamos, mirando a lo largo de la lente de la
cámara e intentando guiar la prolongación del eje de la lente al objetivo. Es una
buena idea practicar este método durante el día o la noche, apuntando a las farolas.
Para asegurarnos que el objeto está a la vista de la webcam, debemos comparar las
fotografías
con
un
mapa
celeste,
posiblemente
informatizado.
Si
estamos
fotografiando un objeto nebuloso, es una buena idea disponer el mayor aumento en
el momento en el que orientamos el telescopio (el regulador de Gain), gracias al cual
veremos los objetos menos contrastados en una única exposición. Cuando se enfoca
la lente, disponemos el aumento a su menor nivel para reducir el ruido.
32
Observatorio CCD en el colegio
Cuando registramos imágenes, siempre guardamos un gran número de fotogramas, sin
importar si empleamos exposiciones cortas o largas. Esta es una regla básica cuando
trabajamos con una webcam
porque al añadirse muchos fotograma se reduce
significativamente el ruido en la imagen final, y además nos permite obtener
fotografías de objetos tan débiles que en un simple fotograma serían prácticamente
invisibles.
Antes o después de grabar una película del objeto que deseamos, es una buena idea
preparar un fotograma oscuro – grabar la imagen vista en la cámara cuando no le
llega ninguna luz – con la lente tapada. Esta imagen debe guardarse con todas las
opciones exactamente iguales a las de la propia imagen. También guardamos una
gran cantidad de fotogramas oscuros (el número depende del tiempo de exposición
de un fotograma sencillo, así que toda la operación no conlleva tanto tiempo). Extraer
la imagen media de estos fotogramas desde la película original nos permitirá eliminar
parte
del
ruido causado principalmente
por la
comparativamente
elevada
temperatura de una webcam sin sistema de refrigeración. En una fotografía sin esta
corrección, el ruido es visible en forma de píxeles calientes – puntos brillantes que no
son estrellas.
Cuando hayamos guardado las fotografías del cielo y los fotogramas oscuros, tenemos
mucho trabajo todavía – añadir imágenes individuales, promediar las imágenes
oscuras, restarlas de las demás fotografías, y otras muchas operaciones que intentan
sacar la mayor cantidad de información posible de los datos que hemos reunido.
Afortunadamente, podemos desarrollar este trabajo estando cómodamente sentados
en nuestro escritorio.
8. Iris - proceso de datos
Después de tomar una serie de buenas fotografías, estas se deberían procesar
digitalmente. Gracias a este procedimiento, la imagen resultante puede ser
incomparablemente mejor que la original. Hay muchos programas que reducen el
ruido, suman los fotogramas y corrigen el color. En nuestro caso, para procesar las
imágenes grabadas, utilizaremos el programa Iris. A continuación, se puede ver la
ventana principal del programa:
Observatorio CCD en el colegio
33
Podemos guardar el archivo tanto como imágenes individuales o secuencias de video
completas en formato AVI. Por ejemplo, supongamos los datos procesados
empleando el programa Iris. Para aprender más de cómo y por qué el procesado de
la imagen puede aportar calidad a nuestras imágenes, recomendamos un excelente
artículo de Grzegorz Wrochna “Técnicas de de enlace de imágenes CCD para
dispositivos de alto sonido. (“http://ccd.astromet.pl/en/papers/ccd. tech.pdf).
Lo primero que debemos hacer es convertir el archivo en AVI. Así es cómo lo hacemos:
Insertamos el path del directorio de trabajo de en el menú File, sección de Settings, y
elegimos el File Type = FIT, si no está seleccionado previamente. Para convertir el
archivo tenemos que seleccionar la conversión AVI en el menú File y darle el nombre
del archivo AVI a convertir: nombre.avi; en la misma ventana de diálogo seleccionar el
tipo de imágenes exportadas (Exported images type) como color o blanco y negro. En
el primer caso debes prever nombres de archivos genéricos para las bandas roja,
verde y azul (en el caso de Júpiter, podrían ser, por ejemplo, jr, jb, y jg). Para las
imágenes en blanco y negro se necesita dar el nombre de la banda de salida
panchro, por ejemplo: i; desfase entre visualizaciones: 0.00 segundos, y por último, la
opción “eliminar imágenes duplicadas” debe estar activada. Ahora pulsa Convert.
Una ventana de salida aparecerá, donde después de la conversión le daremos el
número de fotogramas válidos, por ejemplo 99. En el directorio de trabajo habrá 99
archivos con nombres del tipo i1.fit …i99.fit.
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Observatorio CCD en el colegio
8.1. Preparando un marco oscuro
Registrar una secuencia de unos 100 fotogramas con las lentes tapadas y guardarla
como un archivo con el nombre dark.avi. Convertirla en formato FIT (como se ha
descrito anteriormente). En la ventana de Command escribir: smedian 2 i 99; save dark.
El comando smedian añade hasta 99 fotogramas, conformando su media. La media
descarta los valores extremos, eliminando así los efectos, por ejemplo, de la radiación
cósmica y similares. El comando save guarda el resultado en el directorio de trabajo
en formato FIT, por ejemplo como en dark.fit.
8.2 Preprocesado
Guarde una secuencia de por ejemplo 100 fotogramas con un objeto interesante
como archivo Stars.avi. Convertirla a formato FIT (como se ha descrito anteriormente).
En la ventana de Command escribir: sub2 and dark s 0 99. El comando sub2 sustraerá
el dark.fit de cada fotograma de la imagen y guardará el resultado como s*.fit.
Después, el último fotograma se quedará en pantalla – s99.fit. Añadirlo al primer
fotograma s1.fit con el comando add s1. Si hemos fotografiado con una lente estática
(o no hemos ajustado el eje de la montura correctamente), las imágenes de las
estrellas de la primera y última imagen no se solaparán. Elija una estrella brillante y
haga un rectángulo que contenga ambas imágenes. Escriba entonces: register s r 99.
El comando register desplaza los fotogramas s*, para que la imagen de la estrella esté
Observatorio CCD en el colegio
35
en el mismo lugar en todos los fotogramas r* resultantes. Añadimos los fotogramas
resultantes: add_norm r 99 y guardamos el resultado en el disco como estrellas.fit: save
Stars. También merece la pena cortar los bordes que no estén uniformemente
expuestos debido al hecho que los fotogramas deben desplazarse antes de añadirse:
window 5 10 590 470 save stars2. Los números son las coordenadas x1, y1, x2, y2 de la
esquina inferior izquierda y de la esquina superior derecha.
8.3 Procesado gráfico
Emplear los cursores en la ventana Threshold para ajustar el umbral inferior para
eliminar la mayor parte del ruido, y el umbral superior para lograr el contraste deseado.
Puede intentar utilizar los filtros de los menus View y Processing. Guarde el resultado
como un mapa de puntos Stars.bmp: savebmp Stars.
Si el resultado no le satisface, puede utilizar la función “unsharp masking of a
sequence” que mejora la calidad de la imagen.
36
Observatorio CCD en el colegio
Si quiere mejorar la calidad de la imagen, también puede utilizar los filtros que están en
la barra de herramientas. Se recomienda emplear algunos de ellos (por ejemplo,
Gaussian filter) y comparar los resultados. Wavelet es una función muy útil que extrae
Observatorio CCD en el colegio
37
de la imagen la información de los detalles de una escala preestablecida en la
imagen.
Cuando se han utilizado todas las posibilidades de mejorar la calidad de la imagen,
podemos fundir los diferentes canales tras añadir todos los fotogramas de cada canal.
Para fundirlos, escribir: trichro (red) (green) (blue)
9. Ejemplos de los resultados
Júpiter
Saturno
Imagen de Júpiter tomada el 16.04.2003
hacia las 21:00 horas.
Imagen de Saturno tomada el mismo día
hacia las 21:30 horas.
Alcor y Mizar
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Observatorio CCD en el colegio
Alcor y Mizar fotografiados hacia las 22:00 horas
Coma Berenices
La calidad de las fotografías todavía puede mejorarse usando programas gráficos. Dos
programas útiles son PaintShop Pro, disponibles en Internet en: http://www.jasc.com/ y
Gimp en http://www.gimp.org/
La fotografía presentada de Júpiter, preparada sobre la base de la misma película
que las fotografías de las páginas anteriores, muestra cuanto se puede hacer con una
imagen. Lo que se puede hacer sólo depende de nosotros y de nuestro sentido
artístico.
Aquellos que hayáis comenzado la aventura con webcams fotografiando los objetos
más atractivos no deben detenerse después de sacar unas docenas de imágenes
impresionantes. Los investigadores más avanzados pueden empezar a seguir
planetoides. A aquellos que quieran participar en una investigación científica real, se
Observatorio CCD en el colegio
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les recomienda familiarizarse con programas que monitoricen las estrellas variables. Las
observaciones de las curvas de luz de incluso estrellas muy conocidas son valiosas para
los astrónomos profesionales. No podemos descartar la posibilidad de encontrar una
nueva nova brillante o el halo que rodea un destello gamma. ¡Hay un despliegue
sorprendente de fenómenos fascinantes al alcance de webcams!
10. Empresas/compañías en Internet
*Astrokrak – anillos adaptadores de webcams
http://www.astrokrak.pl/
*Delta Optical – instrumentos ópticos, telescopios, accesorios
http://www.astronomia.net.pl/
11. Software útil
*K3CCD TOOLS
http://www.Pk3.org/Astro/software.htm
*AstroVideo
http://www.ip.pt/soaa/astrovideo.htm
*Iris
http://www.astrosurf.com/buil/us/iris/iris.htm
*Astro Snap
http://astrosnap.free.fr
*Cartes du Ciel
http://www.stargazing.net/astropc/
*Starry Night
http://www.starrynight.com/
*Sky Map
http://www.skymap.com/
*Otro software astronómico – por ejemplo AstroCD
http://astrocd.astronomia.pl/
12. Bibliografía y direcciones útiles

http://sus.univ.szczecin.pl/~ecliptic/vesta3.htm
una dirección muy útil que describe las mediciones de estrellas variables con una
webcam Vesta

http://ccd.astronet.pl/
una descripción detallada de la instalación de una cámara y cómo hacer un buen
uso de ella

http://www.astronomia.net.pl/
40
Observatorio CCD en el colegio

¿Cómo hacer astronomía en el colegio?
http://www.cft.edu.pl/astro/
APÉNDICE: IRIS (v3.81) – comandos seleccionados
Explicaciones

current image = la imagen visualizada en el momento

T_-tri-colour comando que ordena el trabajo simultáneamente en juegos de
tres archivos: R.fit G.fit B.fit que contienen los componentes rojo, verde y azul.

Los nombres propios (por ejemplo saturn.fit) deben sustituirse por nombres en
itálica (por ejemplo archivo.fit)
Leyendo del disco y guardando

LOAD [file] – abre el archivo y muestra la imagen del archivo archivo.fit

SAVE [file] – guarda la imagen actual en un archivo archivo.fit

SAVEBMP [file] – guarda la imagen actual como archivo.bmp

T_COPY [in_R] [in_G] [in_B] [out_R] [out_G] [out_B] [N] – copias [N] número de
archivos tipo in_R(i).fit en out_R(i).fit y sucesivamente
Displaying

STAT – información estadística de la imagen actual

VISU [t2] [t1] - muestra la imagen actual, ajustando los umbrales en t1 y t2

TRICHRO [R] [G] [B] – muestra una imagen en color de los componentes R.fit
G.fit B.fit

BLINK [file1] [file2] [ms] – muestra el archivo1.fit y el archivo2.fit con una
diferencia de un milisegundo

BLINK [file1] [file2] [file3] [ms] – igual que el anterior, pero para tres archivos

BLINKOFF – desactiva el parpadeo
Suma de imágenes

ADD [file] – añade el archivo.fit a la imagen actual

ADD_NORM [file] [N] – añade un número N de archivos(i) y los escala,
eliminando la sobresaturación

SMEDIAN2 [file] [N] – calcula la media de los N archivos archivo(i).fit

COMPOSIT [file] [sigma] [iter] [satur] [N] – añade N archivos archivo(i).fit,
descartando los valores diferentes respecto de las tolerancias sigma estándar;
iter – el número de iteraciones, satur = 1 elimina la saturación

T_ADD [R] [G] [B] [N], T_ADD [R] [G] [B] [N], T_SMEDIAN [R] [G] [B] [N],
T_COMPOSIT [R] [G] [B] [sigma] [iter] [satur] [N] – son las versiones tricolor de los
comandos anteriores
Resta y multiplicación

MULT [c] – multiplica la imagen actual por el número real c
Observatorio CCD en el colegio
41

MULT2 [file] [N] – multiplica n archivos archivo(i).fit por el número real c

T_MULT [cR] [cG] [cB] [N] – para i=1 …N, r(i).fit=r(i).fit* cr, etc

SUB [file] [c] – substrae archive.fit de la imagen actual y añadir el número real c

SUB2 [in] [file] [out] [c] [N] – para i=1…N, out(i).fit=in(i).fit – archivo.fit + c

T_SUB [R] [G] [B] [N] – para i=1…N r(i).fit = r(i).fit – R.fit, etc
Añadir capas

REGISTER [in] [out] [N] – desplaza la imagen in(i).fit según la estrella interior al
rectángulo dibujado por el ratón; el resultado es out(i).fit

PREREGISTER [in] [out] [N] – una versión basta/en bruto de REGISTER

RREGISTER [in] [out] [N] – desplaza y gira las imágenes de acuerdo con las dos
estrellas elegidas en el menú Analysis/Select objects

COREGISTER2 [in] [out] [N] – desplaza. Gira y escala las imágenes

COREGISTER [in1] [in2] – desplaza, gira y escala in2.fit para incorporarlo a in1.fit

PREGISTER [in] [out] [box] [N] – una versión “planetaria” de REGISTER, trabaja en
un cuadrado con lado = 128, 256 o 512, elegimos el centro dibujando un
pequeño rectángulo con el ratón

PREGISTER2 [in] [out] [box] [N] – como el comando anterior, pero adapta la
imagen i+1 a I, en vez de a la primera

CREGISTER [in] [out] [threshold] [N] – desplaza y ajusta el círculo al contorno con
el valor del umbral. Selecciónelo en el menú View/ Slice y dibuje un segmento
que contenga el diámetro

FILE_TRANS [in] [out] [threshold] [N] – se desplaza de acuerdo con el archivo
SHIFT.LST,
creado
por
los
comandos
anteriores
(se
puede
modificar
manualmente)

T_REGISTER [N], T_PREREGISTER [N], T_PREGISTER [N], T_CREGISTER [threshold] [N] –
versión tricolor de los comandos anteriores, trabaja con los archivos r(i).fit y
demás
Eligiendo las imágenes

BESTOF [file] [N] – crea un listado SELECT.LST y número de fotografías de la más
nítida

SELECT [in] [out] – reescribe archivos in(i).fit como out(i).fit según el orden de
SELECT.LST

T_SELECT – versión tricolor del comando SELECT, trabaja con archivos r(i).fit y
demás
Cortando un fragmento

WIN . corta un rectángulo con las esquinas indicadas con un ratón

WINDOW [X1] [X2] [Y1] [Y2] – corta un fragmento de la imagen actual

WINDOW2 [in] [out] [X1] [X2] [Y1] [Y2] – corta fragmentos de la imágenes in(i).fit
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Observatorio CCD en el colegio

WINDOW· [box] – corta un cuadrado de lado = 128, 256 o 512, elegimos el
centro dibujando un pequeño rectángulo con el ratón

WINDOW4 [in] [out] [X1] [X2] [Y1] [Y2] – igual que el comando anterior para la
serie de imágenes in(i).fit
Comandos complejos

COMPUTE_TRICHRO1 [MASTER] [R] [G] [B] [box] [M] [N] – una composición de
PREGISTER, BESTOF (de acuerdo a MASTER, es conveniente suponer MASTER =
G), SELECT (M de N imágenes) y TRICHRO. El resultado @r.fit, @g.fit, @b.fit

COMPUTE_TRICHRO1 [MASTER] [R] [G] [B] [threshold] [M] [N] –como el
commando anterior CREGISTER