03-11-2011la macchina fotografica1 La fotografia astronomica Prof. Roberto Nesci Universita La Sapienza, Roma.

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1 03-11-2011la macchina fotografica1 La fotografia astronomica Prof. Roberto Nesci Universita La Sapienza, Roma

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3 03-11-2011la macchina fotografica3 Natura della luce La luce visibile e unonda elettromagnetica. Due sono le grandezze fondamentali di questonda, la lunghezza donda e lampiezza. La lunghezza donda viene percepita dal nostro occhio come colore, lampiezza come intensita luminosa. Le lunghezze donda della luce visibile vanno dai 400 ai 700 nanometri (nm); un nm e un miliardesimo di metro. Il colore blu corrisponde a circa 440 nm, il verde a 550, il rosso a 650.

4 03-11-2011la macchina fotografica4 L occhio umano Il nostro occhio e composto da La cornea Liride Il cristallino La retina Tra la cornea e l iride c e un liquido, come pure tra il cristallino e la retina.

5 03-11-2011la macchina fotografica5 L occhio La sensibilita dellocchio non e uguale per tutte le lunghezze donda; ha una forma a campana con un picco intorno a 500 nm (verde). La retina contiene due tipi di recettori, i coni e i bastoncelli: I coni sono sensibili ai colori, ma hanno bisogno di una buona intensita luminosa per funzionare, I bastoncelli non discriminano i colori, ma funzionano a bassa intensita luminosa: la ragione per cui le stelle non ci appaiono colorate, tranne le piu brillanti, e che le vediamo con i bastoncelli e non con i coni.

6 03-11-2011la macchina fotografica6 L occhio L iride dell occhio e un diaframma circolare che si apre o si restringe automaticamente a seconda della intensita della luce che colpisce l occhio, in modo da permettere la visione in condizioni di illuminazione molto diverse. La massima apertura e circa 6-7 millimetri di diametro. Il cristallino e una lente che concentra la luce in ingresso in modo da formare l immagine delle sorgenti di luce sulla superficie della retina: la distanza tra cristallino e retina e circa 20 millimetri. Il nostro cervello legge la retina in circa un decimo di secondo. Nessuna di queste funzioni dipende dalla nostra volonta, sono tutte automatiche.

7 03-11-2011la macchina fotografica7 L occhio Questo automatismo, molto comodo nella vita quotidiana, ci e di ostacolo nella visione ad occhio nudo delle stelle. Le stelle infatti sono molto deboli, rispetto alla luce del giorno, e il nostro occhio e molto lento ad allargare la pupilla, mentre e rapido a chiuderla per limitare i danni da luce forte; In pratica per avere la totale apertura bisogna stare al buio per 10- 15 minuti, e anche una debole luce lontana impedira allocchio di aprirsi al massimo. Questa e la ragione per cui linquinamento luminoso e cosi dannoso per la visione del cielo notturno.

8 03-11-2011la macchina fotografica8 La macchina fotografica La macchina fotografica e una copia artificiale dell occhio: L obiettivo svolge le funzioni del cristallino e dei liquidi interni; Il diaframma svolge la funzione dell iride; Il sensore sul piano focale svolge la funzione della retina. L otturatore definisce il tempo di accumulo della luce sul sensore; a differenza dell occhio, l apertura del diaframma e il tempo di posa della fotocamera sono regolabili dall utente a piacimento.

9 03-11-2011la macchina fotografica9 La macchina fotografica va meglio dell occhio Poiche possiamo variare a piacere il tempo di posa e il diaframma, la macchina fotografica (o fotocamera) e piu potente dellocchio per la visione del cielo stellato. La situazione e ancora migliorata da quando i sensori elettronici (CCD e CMOS) hanno sostituito la pellicola chimica, con una efficienza di rivelazione della luce molto maggiore. Oggi sono disponibili a prezzi relativamente accessibili (da circa 150 Euro in su) fotocamere che permettono di vedere facilmente stelle 6-7 volte piu deboli di quelle visibili ad occhio nudo. Lunica caratteristica importante che deve avere una fotocamera per fotografare le stelle e di poter essere usata in modalita MANUALE. Non tutte lo possono fare: (quelle nei cellulari di solito no).

10 03-11-2011la macchina fotografica10 Obiettivi Le caratteristiche principali di un obiettivo fotografico sono: Il diametro utile D La lunghezza focale F A parita di diametro e lunghezza focale ci sono in commercio tanti modelli, di prezzo diverso a seconda della qualita dei vetri usati e della precisione di lavorazione delle lenti La qualita dell obiettivo e fondamentale per la qualita della fotografia finale.

11 03-11-2011la macchina fotografica11 Obiettivi Un obiettivo fotografico di solito e composto da diverse lenti (da 4 fino a 9), per correggere varie aberrazioni ottiche e avere un grande campo di vista. Una delle case produttrici di obiettivi fotografici piu famose e la Carl Zeiss di Jena (Germania). Tra gli schemi ottici piu noti di questa casa ci sono il Planar (1896), il Tessar (1902) e il Sonnar (1932).

12 03-11-2011la macchina fotografica12 Obiettivi Planar (6 lenti) Tessar (4 lenti) Sonnar (5 lenti)

13 03-11-2011la macchina fotografica13 Obiettivi Dal diametro dell obiettivo dipende la quantita di luce raccolta in un dato tempo (che cresce con l area dell obiettivo); Dalla lunghezza focale dipende la capacita di distinguere sorgenti di luce molto vicine tra loro (che cresce con la focale). L apertura e il rapporto tra la focale e il diametro, F/D. Valore tipico di questo rapporto per obiettivi moderni e 2, ma puo essere maggiore (es. 3.5; 4) specie per obiettivi di grande F. Chiudendo il diaframma diminuisce il diametro utile, mentre la focale non cambia: chiudere il diaframma di solito migliora la qualita dell immagine, ma richiede tempi di posa maggiori per avere la stessa intensita di segnale.

14 03-11-2011la macchina fotografica14 Il campo di vista L obiettivo forma una immagine della sorgente luminosa su un piano, detto piano focale; su questo piano si trova il rivelatore (oggi un sensore elettronico, ieri una pellicola fotografica chimica). Una delle prime domande che ci poniamo, in una fotografia astronomica, e quanto cielo entra nella mia immagine? Poiche la distanza apparente tra due stelle sulla volta celeste si misura in gradi, la nostra domanda diventa: quanti gradi e grande il mio campo di vista?

15 03-11-2011la macchina fotografica15 Campo di vista Per rispondere a questa domanda ci servono due dati 1)La focale dellobiettivo; 2)Le dimensioni del sensore La relazione geometrica tra campo di vista (u), dimensione del sensore L e lunghezza focale (f) e: Tan(u)=L/2f

16 03-11-2011la macchina fotografica16 Campo di vista I sensori delle reflex digitali moderne (cosiddette DSLR) sono grandi circa 23x16 mm: il campo di vista con un obiettivo da 50 mm e circa 26x17.5 gradi, con un obiettivo da 20 mm, 65x43 gradi. Se usiamo un teleobiettivo (focale 200 mm) o addirittura un telescopio (focale 2000 mm), il campo di vista diminuisce in proporzione alla focale; In compenso aumenta la risoluzione (ingrandimento) ossia la capacita di distinguere stelle apparentemente molto vicine tra loro, o i dettagli della superficie della Luna o di un pianeta.

17 03-11-2011la macchina fotografica17 Orione, Roma Canon A530, posa 15 secondi

18 03-11-2011la macchina fotografica18 Aquila e Ofiuco, ISS e un aereo, Canon A530, 15 secondi

19 03-11-2011la macchina fotografica19 Esempio: localita S.Eraclio Costellazione di Orione, campo 65x43 gradi, Nikon D90

20 03-11-2011la macchina fotografica20 Il tempo di posa La quantita di luce raccolta nella nostra foto dipende dal tempo di posa e dal diamero utile dellobiettivo. Se vogliamo vedere quante piu stelle possibile, dobbiamo aprire al massimo il diaframma e allungare al massimo il tempo di posa. Ma la Terra gira (360 al giorno, 15 in un secondo) e quindi se allunghiamo troppo il tempo di posa le stelle saranno dei bastoncini e non dei cerchietti (stelle mosse).

21 03-11-2011la macchina fotografica21 Il moto della Terra Costellazione della Sagitta. Nikon D90 Focale 20 mm Posa 30 secondi Le stelle sono chiaramente allungate

22 03-11-2011la macchina fotografica22 Qanto viene grande una stella? Limmagine di una stella e un punto luminoso, ma il nostro sensore sul piano focale e strutturato in pixel, per cui la stella non potra mai essere piu piccola di un pixel. Le dimensioni del pixel di solito non vengono dichiarate esplicitamente, ma sappiamo il numero totale di pixel e la lunghezza dei due lati del sensore, per cui le possiamo calcolare. Esempi: Canon PowerShot A530 2592x1944 pixel (5 megapixel), sensore da 7.8x5.8 mm, ha i pixel grandi circa 3 micron; Nikon D90 4310x2868 (12.3 Megapixel) 23.7x15.7 millimetri, ha i pixel da 5.5 micron.

23 03-11-2011la macchina fotografica23 Scala sul piano focale Un parametro utile per scegliere lobiettivo adatto per i nostri scopi e un parametro detto scala, che definisce la corrispondenza tra angoli e distanze sul piano focale al centro del campo di vista. Scala=atan(1 / focale) E in pratica il numero di gradi per millimetro sul piano focale: per un obiettivo di 50 mm di focale la scala e 1.14 gradi/mm. Se con questo obiettivo fotografiamo la Luna, che ha un diametro di circa mezzo grado, apparira sul rivelatore come un cerchio di 0.43 mm. Sara appena possibile distinguere i Mari, non certo vedere i crateri. La scala sul piano focale e in pratica linverso dellingrandimento: una scala grande vuol dire grande campo e basso ingradimento una scala piccola vuol dire piccolo campo e alto ingrandimento

24 03-11-2011la macchina fotografica24 Tempo di posa Sapendo ora le dimensioni del pixel e la scala, sappiamo a quanti gradi (o primi, o secondi) corrisponde un pixel: Questo numero ci serve per sapere quanto possiamo far lungo il tempo di posa senza che le stelle vengano mosse. Infatti la Terra fa un giro su se stessa in 24 ore, ossia 15 di grado al secondo. Se teniamo la macchina ferma sul cavalletto e facciamo una posa di molti secondi le stelle appariranno sul sensore come una striscia, non come punti luminosi. Esempio: Canon A530, focale 5.8 mm, pixel 3 micron; scala 0.172 gradi/pixel ossia 620/pixel. Per spostarsi di 1 pixel quindi le stelle impiegano 40 secondi.

25 03-11-2011la macchina fotografica25 Al telescopio La lunghezza focale di un telescopio, anche piccolo, e almeno di 500mm; ma puo essere anche 2-3 metri per telescopi amatoriali. Se usiamo un telescopio al posto dellobiettivo della fotocamera, la scala sara di pochi secondi di grado per pixel e quindi sara indispensabile avere un motore che compensi esattamente la rotazione terrestre per avere stelle che non siano dei lunghi bastoncini. La bonta della meccanica del telescopio sara fondamentale per la buona riuscita delle foto.

26 03-11-2011la macchina fotografica26 Perche il telescopio? Un telescopio e in pratica un teleobiettivo, cioe un obiettivo di grande lunghezza focale. Questo comporta un scala (in gradi/mm) piu piccola, e quindi un ingrandimento maggiore. Un telescopio da i seguenti vantaggi; 1.Una brillanza del cielo per pixel minore, e quindi piu risalto alle immagini delle stelle. 2. Possibilita di distinguere dettagli piu piccoli, e quindi osservazione di Luna, pianeti, ammassi stellari.

27 03-11-2011la macchina fotografica27 Un esempio, la nebulosa M57 La nebulosa M57 vista col telescopio da 50 cm F/4.5 di Vallinfreda (Roma). Camera Apogee AP47 raffreddata e filtri B,V,R Posa 30 secondi per colore e poi sommati e bilanciati Campo di vista 20 primi

28 03-11-2011la macchina fotografica28 La costellazione della Lira Costellazione della Lira Nikon D90, obiettivo 20 mm Posa 30 secondi. La doppia epsilon Lyrae e risolta (distanza 3.5 primi). Piccola porzione dellimmagine originale, campo di vista circa 10 gradi.

29 03-11-2011la macchina fotografica29 M57 con 20 mm di focale La zona di cielo della nebulosa M57 Nkion D90, obiettivo 20 mm, F/2.8 Posa 30 secondi. La nebulosa e al centro della congiungente delle due stelle piu brillanti. Le stelle sono allungate per la rotazione terrestre.