Leggi: Work Flow Astrofotografia: i files di calibrazione

In questo secondo appuntamento di questo piccolo contributo nell’astrofotografia, volevo un pò introdurre il funzionamento dei sensori di ripresa cercando ove possibile di spiegarne le modalità di utilizzo. Debbo però anticipare una premessa: essendo io un neofita, posso sbagliarmi o scrivere alcune inesattezze. Nel mio percorso cerco sempre di auto-correggermi quando qualcosa non la capisco bene, quindi bene o male penso che ciò che andrò a scrivere possa trovare una condivisione da parte di astrofotografi di livello. Se cosi non dovesse essere, prego quindi di commentare per segnalare errori.

Bene..dal momento che i nostri amati dispositivi elettronici sono il mezzo che ci permetterà di raccogliere i fotoni, è bene spendere due parole partendo in una scala di importanza e di costi. Verranno, in questo frangente, tralasciate le webcam dal momento che seppur i funzionamenti siano del tutto analoghi ai sensori fotografici puri, nell’astrofotografia vengono impiegate maggiormente per foto planetarie o autoguida. Non che queste siano meno importanti, tutt’altro, ma preferisco concentrarmi sulla ripresa di immagini deep sky sempre tenendo comunque presente che i criteri e le caratteristiche sono poi sempre applicabili a questa tipologia di dispositivi.

Partiamo da una condizione tipo: un neofita che vuole riprendere la sua prima immagine deep sky, la prima azione che fa è andare su google e chiedere infomazioni a questo. L’approccio è molto comune, ma non nascondo che io stesso quando iniziai circa due anni fa, operai in questo modo trovandomi di fronte a un mare di dubbi e di problematiche date anche dal fatto che questo mondo all’inizio è pieno di difficoltà interpretative. Va meglio un sensore? Va meglio l’altro? Cos’è un CCD? Partiamo quindi con ordine, cercando di sfruttare alcune informazioni che abbiamo a disposizione e sfruttando una logica base che è la seguente:

“Cosa dice la teoria e cosa ho a disposizione.”

Questa seppur sembri in prima istanza una grande banalità, racchiude una chiave di lettura importante per districarsi tra quello che è “teoria” e quello che  “pratica”. Il motivo è presto detto: spesso quando le cose “non si sanno” (io soprattutto agli inizi mi sono girato mezzo web alla ricerca di informazioni e spesso non riuscivo a comprendere ciò che stava alla base)  si cercano informazioni online o parlando con astrofili di livello, ci si trova di fronte ad una marea di informazioni molto discordanti tra loro. Un esempio potrebbe essere quello relativo al gap di performance tra sensori a colori rispetto a quelli monocromatici. Per alcuni riprendere con sensori a colori può rappresentare un vantaggio enorme, per altri invece il limite di sensibilità dato da questi rappresenta un limite da cui è bene tenersi a bada. Chi ha ragione? Tutte e due le scuole di pensiero. Chi devo seguire per scegliere correttamente? Dipende…da un lato è dimostrabile facilmente come un sensore a colori sia nettamente meno sensibile e versatile rispetto ad un sensore monocromatico (cioè in bianco e nero) ma dall’altro è anche vero che chi utilizza adeguatamante sensori a colori è in grado di ottenere ottime fotografie. Paragonare le immagini avrebbe relativamente senso, dal momento che il processo di creazione di una astroimmagine di qualità passa attraverso numerose azioni che vanno dallo stazionamento, alla strumentazione, al tipo di cielo, alla tecnica di ripresa e all’occhio e all’esperienza di chi la elabora. Ecco un esempio, con questa fotografia scattata con un sensore a colori, scattata da Giovanni Leoni alias Astrobond. Prendiamoci sempre un pò di tempo per osservare…

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Questo serve per spiegare un pò il divario tra la teoria e la pratica che spesso anima le discussioni tra forum (e non solo!) Di base, penso però sia sempre opportuno affrancare un acquisto partendo da una logica teorica dal momento che noi neofiti non abbiamo abbastanza esperienza. Pertanto, se (come mi è capitato) dovessi scegliere tra un acquisto di un CCD a colori o un CCD monocromatico la scelta cadrebbe (ed è caduta) in favore del monocromatico. In generale è questa la logica con cui procedo io agli acquisti: prima cerco di capire che teoria si nasconde dietro ad un determinato processo di imaging (o di ricerca) dopodichè valuto cosa offre il mercato. A quel punto, cerco il miglior compromesso bilanciando l’impossibile perfezione matematica della teoria con le reali possibilità sia economiche che di utilizzo. Se invece non ho in programma acquisti, adatto ciò che già posseggo cercando di spremerlo al massimo. E cosi “salta fuori” che è vero che ad esempio un sensore monocromatico è molto piu sensibile e versatile di uno a colori (sperimentato sulla mia pelle), ma è anche vero che considerando la mia scarsa esperienza in ambito astrofotografico,  al momento ottengo foto dignitose principalmente con la reflex, mentre il monocromatico ancora devo imparare a sfruttarlo a dovere. Ma è chiaro che quando imparerò, avrò tra le mani qualcosa di molto piu sensibile, molto piu performante e concepito esclusivamente per questo tipo di fotografia.  Quindi è bene sempre ragionare in piu direzioni, non dare nulla per scontato e soprattutto conoscere prima di buttar via soldi (in questa passione a volte il rischio c’è a causa della possibilità di effettuare scelte sbagliate….)

IL FUNZIONAMENTO DI UN SENSORE

Spiegato “alla contadina” con i conti “della serva”

Affrontando il discorso sullla tipologia di sensori, è bene conoscere almeno sommariamente il processo fisico che porta all’acquisizione di una immagine. Si può spiegare in due parole, ovviamente a portata di neofita e per questo motivo assolutamente incomplete ma coerenti.

Abbiamo una galassia posta a milioni di anni luce da qua. Le stelle di questa galassia sono un pò irascibili perchè soffrono parecchio il caldo e quindi sparano fotoni, dando loro un bel calcione (quando si dice che l’universo è violento si intende questo: è tutto una grande incazzatura.). Il fotone, con le terga doloranti,  inizia quindi un viaggio insieme a tutti i fotoni emessi; una sorta di esodo di ferragosto, ma senza code per fortuna al massimo qualche deviazione…bene. Questo bel viaggio dura milioni di anni perchè si sa che i fotoni se la prendono comoda dal momento che tanto non hanno di sicuro niente da fare, ma un ruolo ce l’hanno e cioè venire raccolti dal nostro telescopio. Quindi, un pò come andare a caccia di farfalle, ciò che si fa quando si è in sessione è in buona sostanza questo: raccogliere fotoni. I nostri fotoni attraversano quindi il tubo e colpiscono il sensore. Il sensore è un wafer di materiali fotosensibili disposti a cella, chiamati “pixel” Il pixel reagisce quando colpito da un fotone generando un elettrone. Quando noi aumentiamo il tempo di esposizione, raccogliamo piu fotoni, quindi proporzionalmente piu elettroni secondo una prprietà di conversione definita “efficienza quantica” che rappresenta il numero di fotoni che il sensore è in grado di convertire in elettroni (esempio: efficienza quantica del 50%, raccolgo 100 fotoni, solo 50 verranno convertiti in segnale utile); nel momento in cui  terminiamo questa acquisizione il pixel scarica gli elettroni creando una sorta di corrente, o segnale elettrico. Questi elettroni verranno poi amplificati da un amplificatore, e verranno contati da un ragioniere elettronico col pallottoliere che dirà “il pixel 1 ha 10 elettroni, segna!” …”il pixel 2 ha 20 elettroni, segna!”…”il pixel tre è andato giu di testa e si è bruciato, nullo”….etc. Infine questi valori verranno convertiti in formato digitale, cioè un insieme di 1 e di 0 messi in serie, creando cosi il bit. Il bit viene raccolto in gruppi di 8, di 14, di 16 etc. determinando cosi il tipo di conversione: 8 bit, 14 bit, 16 bit che rappresentano in buona sostanza la gamma di grigi che possibile ottenere su un singolo pixel. Un sensore a 8 bit ha 256 livelli possibili di gamma, un 16 bit 65000 circa etc. il che tradotto significa che un pixel accoppiato con una elettronica a 16 bit può essere rappresentato con 65000 diversi tipi di grigio permettendo quindi di ottenere una immagine complessiva maggior dinamica e differenziazione di colori/segnale e bla bla bla…

Chiaro quindi? Fotone, convertito in elettrone, convertito in segnale elettrico, amplificato, convertito in bit e pronto quindi per essere digerito dal pc. Per sognare un pò, è bello anche sapere che l’immagine che avete stampato su carta altro non è che la raccolta di fotoni provenienti dall’universo.

MONOCROMATICO O COLORE

Come ho scritto pocanzi, il sensore monocromatico è piu sensibile. La motivazione è molto semplice: tutti i sensori nascono monocromatici. Si esatto…non esiste il sensore a colori, lo si chiama cosi per convenzione, ma il sensore di per se è monocromatico. “Diventa” a colori quando sopra al sensore si va ad applicare una matrice, chiamata matrice di Bayer, che è formata da un pattern di microlenti colorate, un colore per ogni pixel, la “trama” base copre 4 pixel adiacenti. Queste microlenti sono colorate in questa sequenza: “R-G-B-G” cioè red, green, blue, green.

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Ovviamente, viene da sè che se io fotografo un oggetto completamente rosso, i pixel che lavoreranno di piu saranno quelli con la microlente che lascia passare quella lunghezza d’onda mentre le altri microlenti lavoreranno poco o niente e cosi i rispettivi pixel.

Se invece non avessi questa matrice, il pixel riceverebbero sempre la stessa quantità di luce, tutti, a prescindere dalla composizione dei colori (in realtà non proprio vero per via delle curve di sensibilità ma il concetto è questo). Ecco quindi motivata la maggior sensibilità del sensore mono rispetto a quello a colori. Essendo un limite fisico, questo è reale e inoppugnabile.

Se vogliamo quindi ottenere immagini a colore con un sensore monocromatico, quindi, basterà anteporre di fronte al sensore un filtro. Esistono dei kit composti da tre filtri, RGB (piu la luminanza ma questo lasciamo perdere per ora) che permettono di scattare immagini in cui vengono fatte passare solo le lunghezze d’onda del canale rosso, verde e  blu. Le tre lastre monocromatiche cosi ottenute vengono poi compositate tra loro creando cosi una immagine a colori. Un esempio è questa mia foto, ottenuta con questa tecnica, ma se fate un giro online vedrete foto davvero mozzafiato create proprio grazie alla maggior sensibilita del sensore “nudo e crudo”.

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TIPOLOGIA DI SENSORE

Tecnicamente i sensori che vanno per la maggiore si differenziano in due macro-tipi: sensori CCD e sensori CMOS.

Ciò che differenzia le due tipologie è ovviamente l’architettura interna, relativamente alla costruzione di base, lo stadio di amplificazione e lo stadio di conversione. In poche banali parole, si può dire che mentre nel CCD lo stadio di amplificazione avviene tramite un amplificatore posto esternamente alla superficie di ripresa, nel CMOS questo processo avviene tramite l’apposizione dell’amplificatore direttamente nella parte sottostante il pixel. L’amplificazione del segnale è uno dei processi che portano alla generazione e all’emersione di rumore elettronico, quindi già da qui si può iniziare a pensare che il CCD logicamente sarà meno rumoroso dal momento che l’amplficatore è uno solo, rispeto al CMOS che ha tanti amplificatori quanti sono i pixel. Siccome gli amplificatori non lavorano tutti alla stessa maniera, ecco una sicura motivazione per cui il CCD è generalmente meno rumoroso.

Il mercato ha dato ampio spazio ai CCD fino a qualche lustro fa, dopodichè lo sviluppo della tecnologica CMOS ha permesso di ottenere sensori di ottima qualità a basso costo e soprattutto a basso consumo al punto che oggi su una comune reflex è difficile trovare l’applicazione di sensori CCD, mentre nella quasi totalità dei casi è presente un sensore CMOS. Dico questo perchè è molto piu probabile che se si voglia incominciare a fare astrofotografia con ciò che si ha in casa, si abbia a disposizione una reflex e quindi è bene sapere quali saranno le maggiori problematiche.

Sicuramente il primo è relativo al rumore, come appena spiegato. Il sensore scalda e pure parecchio, al punto che a volte può essere presente maggiormente rispetto ad un CCD un certo fenomeno detto di “elettroluminescenza” dato da calore aggiuntivo generato dall’elettronica di corredo. Ecco un esempio:

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Le case produttrici di dispositivi di acquisizione tramite CCD invece solitamente inseriscono una cella di peltier proprio dietro al sensore. La cella di peltier è definito tecnicamente “un marchingegno magico che tramite oscuri incantesimi ed energie insospettabili tiene bassa la temperatura del sensore”. Ahahaha scherzo, si può leggere qualcosa qua: LINK. Si è capito che tenendo bassa la temperatura di un sensore, non solo aumenta la sua sensibilità ma diminuisce drasticamente la produzione del rumore. Come dicevamo nel primo articolo, e come si può vedere, tutto è volto sostanzialmente ad eliminare il rumore….

Un’altra caratteristica è che TUTTI i sensori sarebbero sensibili a gran parte dello spettro visibile (e anche leggermente oltre), solo che nelle reflex questa peculiarità rappresenterebbe un limite dal momento che le stesse vengono concepite per l’uso diurno. Pertanto, sopra al sensore viene messo un filtro che taglia tutto l’infrarosso rendendo una reflex cieca alle nebulosità ad emissione, tipicamente nella gamma che va dal debole rosso dell’Idrogeno Alfa in poi e purtroppo per noi l’Idrogeno è la componente piu presente nell’universo. Pertanto, dispondendo di una reflex non modificata, scattare immagini a nebulose ad emissione può essere poco entusiasmante, anche se va detto che qualcosina in questo ambito si riesce comunque a scattare, a patto però di lavorare bene in acquisizione e di avere un inseguimento perfetto quando si riprendono oggetti del genere: è sempre bene provare per rendersi conto delle potenzialità. Ci vinee comunque in salvo la possibilità di “deviare” questo problema effettuando la modifica alla reflex dal costo intorno alle 200 euro, ove si mette di fronte al sensore un filtro astronomico togliendo quello originale. Un esempio viene riportato in questa discussione LINK.

Occhio perchè questa modifica invaliderà la garanzia oltre a sbilanciare un pò i colori nel diurno (facilmente ribilanciabili) e a far perdere la messa a fuoco automatica. Ulteriore alternativa piu “spinta” è quella invece di togliere il filtro originale e lasciare il sensore nudo. Ovviamente è la piu “rischiosa” perchè il sensore è esposto direttamente a tutti gli agenti metereologici oltre alle polveri, inoltre lo sbilanciamento sarà terribilmente piu pronunciato verso il rosso (uhm..magenta…odioso!) ma io ho scelto questa alternativa e dopo circa 8 mesi di tentativi sono riuscito a bilanciare quasi correttamente i colori delle immagini, guadagnando in sensibilità.

Ci sarebbe anche da dire che Canon (e ora anche Nikon) hanno preparato delle camere apposite per l’astrofotografia e la fotografia diurna, nel caso della canon ad esempio la 60Da. Il punto è che la domanda da porre è questa: conviene acquistare una macchina come questa piuttosto che modificarne una usata? Io non rispondo, la valutazione è personale. Un mio grandissimo amico utilizza con buoni risultati una 60Da, ma l’opzione per l’acquisto la si deve fare in base alle proprie necessità e alle proprie mire.

Altra caratteristica della reflex è il firmware di corredo che gestisce buona parte delle impostazioni utili nel diurno ma che a volte possono dar fastidio nella ripresa astronomica o essere di ingombro come ad esempio l’ostinata preoponderanza a volerti tirar fuori la foto bella a tutti i costi secondo i parametri “diurni”. Le case produttrici fanno magie coi firmware, che intervengono e dicono “siccome TU non sei capace, la foto te la faccio IO!”. E quindi giu di correzione sui rumori, sui colori, etc.etc. Ecco, meno roba usate di queste cosine qua, meglio è. Nei CCD per utilizzo astronomico, tutto questo non c’è e la tendenza è quella di lasciare intatta l’immagine come l’hai scattata, tranne per qualche caratteristica.

Oooo bene, direi che piu o meno come infarinatura generale ci siamo. Mi sono spinto piu a parlare di Reflex perchè come già anticipato suppongo che noi neofiti partiremo da questo dispositivo qua, come è capitato a me.

Bene, ora che vi ho fatto un parziale elenco delle caratteristiche meno propedeutiche per il nostro lavoro di astrofotografi, dobbiamo renderci conto che in realtà abbiamo tra le mani un oggetto che per le astrofotografie dice la sua. Perchè a basso costo abbiamo

a) un dispositivo che ha un sensore enorme. Se dovessimo avere uno stesso campo inquadrato con un ccd, prepariamoci a sborsare migliaia di euro perchè i ccd costano. Vanno meglio, possiamo dire che non siano proprio paragonabili,  ma costano.

b) un dispositivo che volendo ci permette di fare foto sia al telescopio di notte, che della fidanzata di giorno.

c) uno strumento didattico incredibile, perchè quando si impareranno a gestire i punti a sfavore, si potrà dire di aver un pò di esperienza

d) sarà sempre rivendibile. Sia in ambito astrofotografico (se si è fatta la modifica) sia in ambito fotografico standard.

Per quanto concerne il rumore, ricordarsi sempre la calibrazione con i Dark (e i Bias ove necessari), questo aiuterà a togliere un pò il disturbo.

Una considerazione? Tutti gli astrofotografi, davvero tutti, hanno in casa almeno una Reflex quindi non bisogna abbattersi ma agguerrirsi ancora di piu. Ci sono galassie, ammassi globulari, campi estesi di stelle, via lattea etc.etc. da scattare con reflex non modificate. E ci sono tutti i restanti oggetti che si possono riprendere con reflex modificate. Poi il resto verrà…Considerando magari il CCD come scelta “matura”, magari da fare in futuro.

Ecco un bell’esempio di immagine scattata dall’astrofotografo Filippo Bezzi con una reflex Canon Eos 7D non modificata:

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Nel prossimo articolo probabilmente scriverò qualche accorgimento semplice e logico per sfruttare una reflex in ambito fotografico, oltre ad alcune cosette che sto scoprendo in merito ai CCD in modo da rendere fruibile quanto scritto in questo papiro.

Aaaaa…FINE.

 

2 commenti
    • Fabio Mortari
      Fabio Mortari dice:

      Grazie a te per essre pasasto da qui. tieni presente sempre una cosa però, che l’astrofotografia si sviluppa velocemente..quindi ciò che magari andava bene qualche anno fa, oggi può essere integrato con nuove conoscenze. Fà che questo sia magari un punto di partenza, non di arrivo…nel tempo ho scoperto che è bene sempre lasciare le porte a nuove esperienze purchè si parta da qualche base. Cieli Sereni

      Rispondi

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