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Matemáticas de pizarra

domingo, 17 de enero de 2021

Consejos/errores en astrofotografía I - los molestos reflejos y pérdidas de luz

    A veces, al fotografiar mediante telescopio nos vamos a encontrar con reflejos producidos por estrellas muy brillantes o extraños defectos. Vaya por delante que no soy un profesional (tampoco lo lamento, tengo el mejor trabajo del mundo y cada vez mi alumnado me da más alegrías). Lo cierto es que para el año y medio que llevo en astrofotografía estoy muy contento con los resultados, pero a veces éstos no son los esperados y tras mucho meditar y hacer más pruebas, a veces consigo llegar a la explicación. Si alguien quiere matizar lo que yo digo o sencillamente no está de acuerdo, sigo interesado en aprender y no despistar a mis lectores, por lo que le agradecería que usara los comentarios para matizar o corregir lo que yo afirmo (bueno, también me gustan los comentarios de aquellos que están de acuerdo con mi trabajo, me refuerzan).

    Antes de nada, lo que voy a decir se aplica a fotos de cielo profundo con cámara Réflex o DSLR (para las fotos de planetaria se usan otras cámaras), y por fijar términos, hablo de un telescopio reflector (el mejor para cielo profundo), aunque todo puede aplicarse a otro tipo de tubos

    Por otra, estas entradas no van a ser definitivas; a medida que tenga más imágenes que aclaren lo que diga, a medida que sepa nuevas cosas o yo mismo pueda matizar mis palabras, iré actualizando las mismas.

    Voy a empezar con los molestos reflejos y excesos de gradientes. Como muestra de qué voy a hablar en esta entrada, muestro 3 imágenes.

    En esta foto tenemos a Mizar y Alcor, y a su derecha, dos reflejos de las mismas. Si nos fijamos, los reflejos están invertidos (como si el centro de simetría fuera fuera el centro de la imagen), y a la estrella más brillante, Mizar, que está abajo a la izquierda, su reflejo le queda arriba a la derecha. Este es claramente un error de nuestro equipo, no se le puede achacar a ningún tipo de gradiente. Doy otro ejemplo de esto que digo.

    Aquí se ve la luz cenicienta de la luna. La imagen quedaría mejor sin ese molesto reflejo verde que refuerza lo que yo decía de que los reflejos van invertidos, por lo que van a tener difícil solución; aunque yo pudiera bajar el reflejo a la zona que lo produce, no van a coincidir por la citada inversión.

    Muestro otra imagen...


    A veces hay grandes diferencias de gradiente (así se llaman); si hacemos una foto a un objeto bajo en el horizonte, cerca de las luces de la ciudad, o quizás cerca de la luna casi llena, pueda pasar que la zona más cerca de las luces aparezca más clara. Pudiera ser que la luna llena estuviera por ejemplo al noreste de la foto. Ello puede pasar, pero en este caso este error no está tan relacionado con ese motivo, además que el filtro anticontaminación lumínica debería paliarla. Este error tampoco depende de no haber hecho flats (véase esta  entrada). 

    Bueno, pues si a usted también le pasa y quiere que un aficionado, con lenguaje claro le explique lo que sabe de los mismos y cómo los soluciona o al menos los palia, siga leyendo.

1 - Los molestos reflejos

    Afortunadamente, este problema sólo lo vamos a tener con fotografías en las que salgan objetos o estrellas muy brillantes. Antes de nada, vamos a ver cómo funciona la fotografía de cielo profundo con cámara reflex y un telescopio reflector.
    Este es el principio básico; la luz de un objeto brillante, color verde, entra en el tubo, rebota en el espejo primario, se va al secundario, vuelve a rebotar, cruza el filtro de contaminación lumínica (recomendable tenerlo) entre el espejo secundario y la cámara de fotos, y ahí debería quedarse, en la cámara de fotos.
    El problema es (color naranja, peligro), que algo falle, y como la cámara DSLR posee un espejo sobre el que incide una luz muy brillante, que esta luz vaya reflejada de vuelta desde la cámara, no incida en el mismo punto de partida del espejo secundario, vaya al espejo primario a otro punto distinto del inicial, y además de rebotar fuera del telescopio, vuelva a hacer el camino habitual (color rojo, fracaso)  hacia el espejo secundario y rebote al espejo de la cámara, eso sí, ya más atenuado, pero en definitiva sobre el espejo de la cámara habría impactado en 2 sitios distintos la misma luz. Ese es el motivo del reflejo. 

    Desgraciadamente, como no es un error de limpieza del tren óptico, al hacer flats no desaparecerán, ya que estos flats parten de una superficie uniformemente iluminada, y no consideran esta luz tan agresiva de estrellas.

    Como decía en la entrada, una cosa muy curiosa de estos reflejos es que son simétricos respecto el centro de la imagen. Si mediante dos diagonales en color azul localizo el centro de la imagen, y uno mediante líneas amarillas cada imagen con su reflejo, todas las líneas pasan por el centro de la imagen, esto es, el centro de la imagen es el centro de simetría de las imágenes y sus reflejos:



    Muy interesante (entiéndase, no dejo de ser profe de mates), ahora bien, lo que me ocupa es cómo solucionar este fallo. Como posibles estrategias (no es fácil de hacerlo) además de tener un telescopio más caro, se me ocurren las siguientes ideas:

  • Tener lo más limpio posible el filtro anticontaminación lumínica, que la luz pase lo más limpia posible y no se desvíe ni en la ida ni en la posible vuelta (después doy una foto de ejemplo).
  • Colimar de manera perfecta el telescopio, especialmente su espejo secundario.
  • Efectuar más fotografías con menos tiempo de exposición, de manera que los objetos más brillantes lo sean menos, y aunque su luz vaya de vuelta, muera antes de llegar por segunda vez al espejo de la cámara. Eso sí, perderemos definición; vamos a captar más detalles con 25 exposiciones de 2 minutos que con 50 de un minuto o 100 de 30 segundos (con exposiciones más largas captamos más fotones; en exposiciones cortas algo que debe recogerse se recogerá en algunas tomas pero no en otras, por lo que al apilar se podría considerar ruido) 
  • Buscar algún tipo de filtro de anticontaminación lumínica que no deje pasar la luz de vuelta (la naranja) o si no lo hay, añadirle un filtro polarizador que sea transparente a la luz de ida pero no deje pasar la luz de vuelta.
  • Al realizar varias fotografías, efectuar dithering, o pedirle al programa de seguimiento que no bloquee la posición de la estrella de referencia entre toma y toma, sino que que haya cierto movimiento, esto es, que las estrellas no sean completamente fijas, sino que vayan moviendo sus posiciones. Al apilar las imágenes las estrellas irán sobre estrellas aunque se hayan desplazado (perderemos algo de campo periférico, eso sí), pero los reflejos se irán desplazando en las diferentes tomas, y el programa de apilado podrá considerar que son ruido y los minimizará (igual al apilar nos interesará una opción de mediana en lugar de media y ser también más agresivo con el ruido [ver esta entrada]).

    Para ir acabando, como muestra de la suciedad de lentes, limpiar adecuadamente las lentes (sin rayarlas ni dejar rastro de suciedad) es algo fundamental en este negocio, muestro la siguiente imagen. En la parte de la izquierda muestro mi filtro anticontaminación lumínica UHC de 2'' montado sobre el corrector de coma. Aparentemente está limpio, pero si busco el ángulo adecuado, se ve que no es así. Ello puede provocar pequeñas desviaciones de luz.


    Otro ejemplo de que al final la cosa puede ser acertar con la exposición y usar una en la que las estrellas no vayan a tener un brillo muy agresivo; vamos a ver una serie de fotos de la luna, todas se han hecho con el mismo telescopio, reflector de 200mm y focal de 1000, a F00 e ISO 1600. Doy los segundos que se han usado en cada toma; a partir de 1/8 segundos el reflejo desaparece. Eso sí, al usar exposiciones más cortas habrá que hacer más largo el tiempo total de integración. De todos modos, en el caso lunar no hay problema ya que la Luna se ve bien si el tiempo de exposición es pequeño.




2 - Los falsos gradientes; las fugas de luz

    Como decía en la introducción, hasta cierto punto es lógico que si fotografiamos algo cercano al horizonte, sobre luces de ciudad, o cercano a una luna subida, en dicha dirección aparezcan zonas más claras. De hecho es muy difícil desde ciudad ver estrellas relativamente cercanas al horizonte, mientras es más fácil verlas sobre nuestras cabezas. Ello es normal, a veces también podemos ver al sol sin quemarnos los ojos en una puesta de sol a diferencia de cuando está sobre nuestras cabezas porque al mirar al horizonte hay más cantidad de atmósfera entre nosotros y el objeto celeste que al mirar hacia el cénit.


Esa mayor cantidad de atmósfera que nos permite disfrutar de las puestas de sol también hace que las estrellas pierdan brillo cuando se acercan al mismo, pérdida que no es tan grande si están elevadas. Si añadimos el efecto de la contaminación lumínica de las ciudades, que también se fija al horizonte, la conclusión es que cerca del horizonte se ven menos estrellas, cerca del cénit más. Pongo un ejemplo de todo esto, la Osa Mayor sobre la ciudad de Cádiz y su contaminación lumínica asociada.


    En la foto anterior hay una diferencia de gradiente por la contaminación lumínica; el cielo cerca del horizonte está mucho más iluminado que cerca de la parte superior, más oscuro y por ello cerca del horizonte se ven menos estrellas. Si usted hace una foto con telescopio de algo sobre un horizonte contaminado lumínicamente es de esperar que la parte más cercana al horizonte esté más clara que la parte más alejada. A ello se le llaman en astrofotografía diferencias de gradiente, y normalmente se pueden quitar en el PixInsight con la opción de Substraction en el módulo Automatic Background Extractor

2.1. - Una pequeña historia

    Le voy a contar una pequeña historia (como profesor me gusta hacer razonar a mis alumnos, y que si es posible, ellos sean quienes den la solución correcta). Hace tiempo, yo hice las siguientes tomas de M92 y M57.



    En ambas se aprecian unas diferencias de gradiente que no son nada, nada fáciles de quitar al procesar. Me mosqueaba un poco que fueran tan acusadas, pero pensé que el tema era la iluminación de la ciudad (la Bahía de Cádiz es  una de las zonas más contaminadas lumínicamente de España, aunque no la cambio por ninguna)

Para corregirlas, quise que al tubo la luz le llegara de la forma más oscura posible, y para ello, me construí un parasol, que también sirve para paliar la humedad nocturna. 


    Se ve mi Skywatcher 200PDS sin y con parasol. Lo mejor del tema es que sale realmente barato construir uno; basta con buscar una maceta de goma (mejor que plástico) adecuada y quitarle el fondo de forma que coincida con diámetro exterior del tubo, así que por unos 3€ hice el apaño.


    Este apaño permite quitar luces parásitas al tubo, y de hecho funciona estupendamente. Doy un ejemplo de una foto sin y con parasol de M104, galaxia del sombrero (todas estas son fotos simples, sin apilar), sin cambiar la orientación.


    Se ve que en la segunda hay más contraste que en la primera, por lo que le recomiendo que se fabrique un parasol, va a ser una de las piezas más agradecidas y baratas de su equipo. 

    El tema es la siguiente imagen, que recoge a Urano, en el centro, tomada con parasol. Vuelve a aparecer ese gradiente tan grosero.


    Yo pensaba que este error era un exceso de gradiente debido a la contaminación lumínica, pero esta toma se hizo con Urano muy cerca del cenit, lejos de la luna (es más, me tenía que haber dado cuenta antes de que tanto la nebulosa del anillo en Lira como M92 en Hércules también son cenitales). Así que era imposible seguir echándole la culpa a la atmósfera. Si no te puedes fiar del cenit ¿de quién te vas a fiar? Es más, esa combinación de zonas claras y oscuras junto Urano se parece mucho a las de M92 y M57 de hace casi un año.


    La conclusión es clara, este error no tiene nada que ver con el cielo, sino que es un problema de mi equipo; y el parasol, aunque pueda paliarlo, no lo soluciona del todo.

    Durante un tiempo pensé que se debía, a pesar del parasol, a la que la cámara recogía una de las patas del espejo secundario. Pensaba que como en el anterior caso de los reflejos era fundamental la limpieza y la posición de la óptica, como un telescopio reflector no deja de tener un espejo secundario soportado por tres patas que provoca cierta obstrucción en la entrada de luz (supongo que este problema no debería darse en los refractores, que no poseen ningún tipo de obstrucción) ¿y si por una determinada configuración óptica ese falso gradiente atmosférico fuera sencillamente la diferencia entre campo obstruido y no obstruido por el espejo secundario? Naturalmente desenfocado, ya que el enfoque en un reflector se hace al infinito. Esto es, este reflejo es una especie de fantasma del espejo secundario.

    Así que la misma noche que capturaba Urano y vi el reflejo en el cénit, se me encendió la bombilla y se me ocurrió probar a girar la cámara un cuarto de vuelta y hacer una foto con la misma exposición e ISO a ver qué pasaba. Observemos la imagen con la que empezaba y la imagen con la cámara girada, señalo algunas estructuras para justificar el giro.


    La de la derecha es la misma imagen, centrada en Urano, ya sin ese problema óptico. Había bastado girar la cámara unos 90 grados respecto la posición original y ese mal reflejo desapareció.

    Pero no todo iba a ser tan sencillo, y a pesar de rotar 90º la cámara cuando lo observaba, ese desagradable efecto siguió apareciendo. Decidí pedir ayuda y me apunté a un foro de astronomía. Una vez que solucioné el problema del lenguaje con el traductor de google (el foro es holandés y el neerlandés no es lo mío) y colgué el nuevo hilo pidiendo ayuda, en seguida se volcaron y en apenas dos días tuve unas 20 sugerencias que iban dirigidas a que se estaba colando luz parásita, o como se dice en este mundo de astronomía, que había fugas de luz. 

    Básicamente, un telescopio reflector es muy luminoso, pero está abierto por muchos sitios, y por ejemplo puede entrarle luz por detrás, por la conexión del ocular al tubo, por el visor de la cámara de fotos reflex... Así que el siguiente día que puede sacar el tubo tapé su boca, tomé una linterna de intensidad media, y me puse a fotografiar con el tubo tapado mientras alumbraba los lugares por los que podía estar colándose la luz parásita. Los muestro y los estudio por separado.

2.2. El origen del problema.


    Esos gradientes tan obscenos se deben sencillamente porque en mi reflector f/5  de 20cm (y no lo cambio por ningún otro) entra luz por la zona del espejo primario, y lo muestro.


    La razón es la siguiente; el espejo primario se atornilla al lateral de la parte trasera del tubo, y posee otros tornillos que permiten su colimación (los que aparecen en la imagen anterior), de manera que el espejo primario está como flotando en la parte trasera del tubo, y de hecho, hay una ranura circular)  que lo cubre por la que circula el aire para facilitar su ventilación (la marco con flechas amarillas). El problema es que no sólo circula el aire. Si tras ponerlo en estación y colimar el tubo tapo su boca y hago fotografías con el tubo tapado mientras ilumino con una linterna la parte trasera, sería de esperar que la foto fuera completamente negra ya que lo que estoy iluminando es la tapa de plástico negra... pues este es el resultado de las fotografías al plástico negro (doy cuatro tomas cambiando la posición de la linterna).


    Ahí están mis molestos "gradientes". De alguna manera, cuando hay mucha luz en la parte trasera del tubo ésta se cuela en el tubo, en el tren óptico y en nuestras fotografías. Como el tubo, mientras hace seguimiento, se va a ir moviendo, estos gradientes van a tener cierto movimiento, por lo que no van a ser fijos en las imágenes y suponiendo que aparecieran al hacer las tomas Flats (la iluminación uniforme de la boca del tubo al tomar flats seguramente se coma estas débiles luces), seguramente el apilado no las elimine.


    Es más, como se intuye en la imagen anterior, puede que estemos fotografiando a un objeto elevado que la parte trasera del tubo es susceptible de ser atacado por luces de nuestros vecinos, farolas... Puede que luces que no sean muy intensas, pero al cabo de exposiciones de varios minutos sí se reflejen. Reflexionando un poco sobre el tema, en mi caso se deben, cuando hago fotos dirección sur, a tener un importantísimo centro comercial lleno de luces al norte.


2.3. Otros posibles problemas


    Pero una vez que aparece el problema debido al espejo primario no se pueden obviar otros posibles fugas de luz. Si hay un problema ¿por qué no puede haber más?

    La primera es debida al ocular de la Cámara reflex. Como en una cámara reflex el ocular está conectado al objetivo, y vemos por el ocular lo que está delante del objetivo, al disparar el espejo sube, y la luz le llega al sensor. Aunque el espejo suba en el momento del disparo, si a la cámara le entra luz por el ocular (esto normalmente no suele pasar, en la foto ordinaria al disparar estamos mirando por el ocular, y este queda tapado por nuestra cabeza), esta luz va al pentaprisma y también puede incidir sobre el sensor. Muestro una imagen de una foto con el tubo del telescopio tapado iluminando el ocular. Se ve que la luz que entra es más uniforme que la anterior, pero si buscamos la perfección también hay que tenerla en cuenta (se compara con el negro a la izquierda) y tapar el ocular.



    Igualmente, por el riel de enfocado también puede entrar luz. Igual es más extraño que entre por ahí ya que la cámara se va a interponer entre el hueco que deja y la luz, pero el caso es que también, al hacer la foto con la boca del tubo tapado sale lo siguiente (se aprecia que también es un ruido menos intenso que el del ocular).



   Por ir terminando el apartado, todas las fotos de fugas de luz anteriores se hicieron en las mismas circunstancias; 2 segundos a ISO 1600 y la misma linterna. Seguramente la fuente de luz que nos perturbe sea menos intensa y esté más lejos que la de la linterna que utilicé, pero también habría que tener en cuenta que nuestras exposiciones serán de varios minutos y no de un par de segundos.


Esas son las fugas de luz más importantes que yo he observado en mi tubo reflector. Yo no las tengo pero no descuidemos la conexión de la anilla T2 a la cámara, que también queda al aire (es importante que el filtro de anticontaminación lumínica quede bien enroscado, sin holguras y perpendicular), pero va a quedar dentro del riel de enfocado, así que no debería ser un problema.


Para corregirlo, hice lo siguiente. Me di cuenta de que la tapa de mi tubo 200PDS encaja bien con la parte trasera, así que la usé para marcar, en una pieza de suelo de goma-eva, la forma de la parte trasera del tubo. Y después recorté.


    A continuación, apoyé la parte trasera del tubo sobre la pieza recortada, para dejar marcados los tornillos de colimación


Y recorté dichas zonas de tornillos.


    Como tampoco quiero que la tapa que voy a poner no deje pasar el aire, quiero que haya cierta ventilación, sobre todo en noche muy húmedas para que el viento pase y no haya condensación interna, hice un boquete en la parte central. Es importante que el corte no vaya perpendicular, sino hacia dentro o hacia fuera.

    Guardé la pieza central de goma-eva. La tapa palía mucho la luz, pero con el boquete central si la iluminación es muy intensa puede haber varios rebotes en la luz que entra y ésta acabar colándose. Con esa pieza en forma de cono no cortada perpendicularmente, la puedo poner como un tapón fácil de quitar. Pero insisto, si hay mucha humedad, quite el tapón.


    Después, con un poco de velcro de doble cara (no sé qué harían los fabricantes de velcro de doble cara sin los aficionados a la astronomía) se prepara la sujeción al tubo. Se aprecia el tapón central puesto, y que el velcro tapa precisamente los tornillos de colimación, por donde podía colarse luz.


    Lo mejor de todo es que nuestra tapa no excede mucho de la parte trasera del tubo, por lo que no debe obstaculizar observaciones cenitales en las que la parte trasera se acerca peligrosamente a las patas del trípode. Eso sí, si la goma-eva no ajusta al 100% puede que aún deje pasar algo de luz, pero esta de la goma-eva se me antoja una solución fácil de adoptar para el problema que tenía.

Para terminar esta parte, vuelo a darle las gracias a los amigos holandeses de  astroforum.nl . Poseen un foro abierto a todo el mundo, apenas me llevó un par de minutos registrarme y es muy fácil el buscar hilos, por no decir que en apenas un día ya me habían resuelto el problema con la respuesta correcta. Heel erg bedankt vrienden!!! (muchas gracias amigos) 💓.

Y ahora ¡a por el próximo truco!





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