Welkom op de homepage van Adri Gerritsen   -   sterbedekkingen, eclipsen en overige bedekkingsverschijnselen

Hoeveel meters film ik destijds ontwikkeld heb, weet ik niet meer; het moeten er velen zijn geweest. Het was vooral frustrerend vast te moeten stellen dat van de vele tientallen planeetopnamen er slechts enkelen het predikaat bevredigend mochten dragen. Uiteindelijk ben ik hier dan ook maar mee gestopt, omdat die paar succesjes niet opwogen tegen de hoeveelheid energie die je erin moest stoppen.


De webcam biedt uitkomst

Vanaf het moment dat ik me in 1985 serieus met het waarnemen en voorspellen van sterbedekkingen ben gaan bezighouden, heb ik geen enkele astrofoto meer gemaakt. Een ieder zichzelf respecterende milieubeweging zal me hier wel dankbaar voor zijn geweest, want er verdwenen in die tijd immers heel wat liters fixeermiddel door de gootsteen ...
In 2002 schafte ik, na het een en ander gelezen te hebben over het gebruik van webcams in de astrofotografie, een Philips ToUcam Pro (PCVC740K) aan voor de luttele prijs van € 79,= (beduidend minder dan het bedrag dat je voor een goed fototoestel neertelt). Deze webcam is zeer populair onder astrofotografen, omdat de lichtgevoeligheid relatief gezien groot is. Dit heeft als voordeel dat je bijgevolg maar kort hoeft te belichten voor het verkrijgen van bruikbare opnamen.

Als je de "ouderwetse" manier van fotograferen (de natte fotografie) vergelijkt met de webcam, dan blijkt dat laatstgenoemde grote voordelen heeft. Op de eerste plaats zijn dat dus de lage aanschafkosten. Daar komt nog eens bij dat de opnamen op de harddisk van een PC worden opgeslagen. Indien een opname niet bevalt, dan wis je deze gewoon en probeer je het nog eens zonder dat je daarvoor in de buidel hoeft te tasten.

De korte belichtingstijden (voor planeten ongeveer 1 / 25 seconde) maken het mogelijk de seeing als het ware te bevriezen, hetgeen bij de traditionele manier van fotograferen, waar de lens niet zelden meerdere seconden openstaat, vrijwel nooit lukt (tenzij er sprake is van extreem goede seeing). Een ander belangrijk aspect betreft het resultaat, dat vrijwel direct zichtbaar is. En, last but not least, lenen digitale opnamen zich bij uitstek voor het toepassen van beeldbewerking.

Een behoorlijke foto van Saturnus had ik in mijn hele leven nog niet gemaakt. Op zaterdag 13 maart 2004 bleek echter dat de seeing voor Nederlandse begrippen behoorlijk goed was, zodat ik mijn kans schoon zag om na al die jaren alsnog revanche te nemen.
Om te beginnen werd de 15 cm Newton telescoop reeds vroeg buitengezet, omdat dit soort instrumenten nu eenmaal wat meer tijd nodig heeft om zich aan te kunnen passen aan de buitentemperatuur. Indien dat namelijk niet gebeurt, dan treden er allerlei ongewenste luchtwervelingen in de telescoop op die uiteindelijk de beeldkwaliteit alsnog in negatieve zin beïnvloeden.
Vervolgens werd een 20 mm Plössl oculair geplaatst met daaraan de webcam gekoppeld. Door middel van oculairprojectie ontstond zodoende een beeld van Saturnus op de CCD-chip van de webcam. De kwaliteit van het beeld kon voortdurend worden gevolgd op de monitor van de PC.

Nadat het hele systeem was geacclimatiseerd, konden de opnamen eindelijk beginnen. Het avi-filmpje dat werd opgenomen, bestond uit meer dan 1200 frames (beeldjes), die elk 1 / 25 seconde werden belicht. Per seconde werden er op deze wijze 15 frames vastgelegd. Natuurlijk bleek ook nu weer dat vele van de 1200 opnamen vertroebeld waren door momenten van slechte seeing. Maar gelukkig: we hoeven de goede opnamen er niet zelf uit te vissen. In dit geval werd gebruik gemaakt van het beeldbewerkingprogramma Registax, een schitterend initiatief van Nederlandse amateurastronomen.
Dit programma is in staat een avi-filmpje in te lezen en, op basis van diverse door de gebruiker in te stellen parameters, de goede opnamen eruit te halen. Een ander belangrijk pluspunt is dat Registax compenseert voor de onvermijdelijke volgfouten, zodat deze niet alsnog roet in het eten kunnen gooien.
Zodra de goede opnamen eruit zijn gefilterd, vinden allerlei beeldbewerkingen plaats die uiteindelijk details naar voren kunnen halen die soms niet of nauwelijks visueel waarneembaar zijn! Het resultaat dat overblijft, is een opname waarvan de kwaliteit vele malen groter is dan wanneer je op datzelfde moment met een normaal fototoestel aan de slag zou zijn gegaan: voorwaar een grote revolutie!

Aan de slag ...

Met het aanschaffen van een webcam alléén ben je er nog niet. Zoals gezegd: het gaat om een webcam, en niét om een kant en klaar fototoestel dat een-twee-drie aan de telescoop gekoppeld kan worden. Toch is het geschikt maken van dit technisch hoogstandje in feite niet zo moeilijk. De standaard lens die zich namelijk op de camera bevindt, kan er kinderlijk eenvoudig worden afgeschroefd. Maar pas op: het gevaar van stof ligt voortdurend op de loer. Bedenk dat na het verwijderen van de lens, de CCD-chip in direct contact komt te staan met de buitenwereld. Elk minuscuul stofje dat vervolgens op de CCD terechtkomt, zal uiteindelijk als een soort rots worden afgebeeld. Dit soort ruis kan nadien, zelfs met het beste beeldbewerkingprogramma, niet meer fatsoenlijk worden weggefilterd. Kortom: voorkomen is beter dan genezen.

Zodra de lens verwijderd is, dient een koppelstukje aangebracht te worden dat de webcam met de telescoop verbindt. Deze constructie dient robuust te zijn, omdat we anders het risico lopen dat de webcam eraf valt en mogelijk onherstelbaar wordt beschadigd.
In dit verband zijn er twee opties: kopen, óf zelf maken. Ik koos voor laatstgenoemd alternatief, omdat de levertijd van het koppelstukje (dat veelal op bestelling worden gemaakt) een te grote beproeving was voor mijn nieuwsgierigheid. Een 20 mm Huygens Mittenzwey oculair bood echter uitkomst.

Het deel waar het lenzenstelsel zich bevindt, is in feite voor ons doel niet interessant. De lenzen werden er dan ook vervolgens afgeschroefd. Uiteindelijk houden we slechts een aluminium busje over met een schroefdraad, die ons later nog van pas zal komen.

Nadat vele ontwerpen de revue waren gepasseerd, kreeg ik uiteindelijk een ingeving die niet alleen effectief, maar bovendien ook nog eens door zijn eenvoud gemakkelijk én goedkoop uit te voeren was. Het offer dat gebracht moest worden, was niet erg groot: een oculair-zonnefilter.
Ook dit soort toebehoren wordt veelal standaard met een telescoop meegeleverd. Wat mij betreft mogen ze die dingen vandaag nog verbieden, want de kans op permanente blindheid is levensgroot aanwezig. Het oculair wordt namelijk direct in het brandvlak van de telescoop geplaatst, juist daar waar zich de meeste warmte ontwikkelt. Wie wel eens heeft gespeeld met een vergrootglas en een stukje papier, kan zich voorstellen hoeveel méér hitte een telescoop zal produceren. Het is dan ook ronduit gekkenwerk om daar je ogen achter te positioneren ...

Zodra het glas is verwijderd, houden we een ring over met twee belangrijke eigenschappen. Op de eerste plaats is dat de schroefdraad, die straks eenvoudig bevestigd kan worden aan de schroefdraad van het aluminium busje (deze passen namelijk precies op elkaar). De tweede eigenschap die van nut blijkt te zijn, betreft de gekartelde rand. We moeten ons namelijk realiseren dat na het verwijderen van de lens uit de webcam er een soort van velsrand overblijft die nét te klein is voor deze ring: er moet derhalve een stukje van de rand, die bestaat uit een hard soort plastic, worden weggeslepen.
Het wegslijpen van het plastic is een precies én tijdrovend werkje. Het is verleidelijk om het wat rigoureuzer aan te pakken (met een slijpmachine bijvoorbeeld), maar dat is niet verstandig. Niet alleen is het plastic relatief dun, zodat het gemakkelijk kan scheuren, maar zijn we bovendien ook niet geholpen met een ring die te ruim zit. De constructie zou hier namelijk alleen maar instabieler door worden. Het beste resultaat bereik je dan ook door met de karteling van het oculair-zonnefilter, middels draaiende bewegingen met de hand, laagje voor laagje het plastic weg te slijpen. Deze klus kan in totaal meerdere dagen in beslag nemen, omdat je het simpelweg niet langer dan een paar uur per dag volhoudt.

Uiteindelijk kan onze ring worden gemonteerd op de plastic behuizing van de webcam. Omdat er van nature geen aanhechtingspunten zijn, maken voor ons doel gebruik van een aantal druppels contactlijm. Het spreekt vanzelf dat de CCD-chip zich op dat moment nog veilig in een stofvrije ruimte bevindt. Indien deze namelijk in contact komt met de lijm, is het zondermeer einde oefening.

De laatste stap is erg simpel: het aluminium busje wordt aan de ring geschroefd en ... klaar!. Het geheel kan nu zonder problemen aan de telescoop gekoppeld worden. Aangezien het busje aan twee zijden schroefdraad bevat, kunnen we tevens gebruik maken van filters. Kleuropnamen komen hiermee in een oogwenk binnen handbereik!

Toegegeven, het kopen van een koppelstuk bespaart een boel extra werk, maar daar staat tegenover dat deze oplossing beduidend minder geld kost.

We zullen nu de formules bespreken die nodig zijn om de effectieve brandpuntafstand te bepalen die nodig is om het scheidend vermogen van onze telescoop optimaal te benutten.


Welke brandpuntafstand?

Nu de webcam geschikt gemaakt is voor gebruik achter onze telescoop, doet zich onmiddellijk de volgende vraag voor: welke effectieve brandpuntafstand past het best bij de combinatie van telescoop en webcam?

Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we ons eerst realiseren dat de CCD-chip is opgebouwd uit diverse pixels. De Philips ToUcam Pro webcam (PCVC740K), die is uitgerust met een Sony ICX098BQ chip, bestaat uit pixels die elk een afmeting hebben van 5.6 µm. Ons belangrijkste uitgangspunt is dat het theoretisch scheidend vermogen dat door de telescoop kan worden gehaald, wordt afgebeeld op één pixel van de CCD-chip.
In het algemeen wordt, voor het berekenen van het theoretisch scheidend vermogen van een telescoop, onderstaande formule gebruikt:

           R = 120 / D    (R: scheidend vermogen in boogseconden, D: objectiefdiameter in millimeters)

Bovenstaande formule is echter gebaseerd op het scheiden van twee sterren van ongeveer gelijke helderheid (~magnitude 6) voor de golflengte van geel licht. Indien we de webcam echter inzetten voor het fotograferen van zon, maan en planeten, dan blijkt deze inschatting eerder te pessimistisch. De achterliggende gedachte is namelijk dat we in ons geval met contrastrijke objecten te maken hebben. Dit wordt bijvoorbeeld geïllustreerd door de Cassini-scheiding van de Saturnusringen: alhoewel de schijnbare grootte ongeveer 0.75 boogseconde bedraagt, blijkt een 80 mm telescoop reeds voldoende om de scheiding daadwerkelijk te kunnen zien. Een betere benadering voor zon, maan en planeten is derhalve:

           R = 50 / D    (R: scheidend vermogen in boogseconden, D: objectiefdiameter in millimeters)

Uitgaande van een telescoop met een objectiefdiameter van 153 millimeter, komen we dus uit op een waarde van R = 0.33 boogseconden. Indien deze hoek wordt afgebeeld op één pixel, dan zijn de onderlinge verhoudingen optimaal. Te weinig vergroten betekent immers dat de kleinste details tussen de pixels verloren gaan. Te sterk vergroten heeft echter ook geen zin, omdat anders nodeloos lang belicht moet worden met als gevolg verlies aan beeldkwaliteit.
De effectieve brandpuntafstand die door ons wordt gezocht, laat zich eenvoudig berekenen aan de hand van onderstaande formule:

           Feff = 206265 x 0.0056 / R

Hierin is Feff de effectieve brandpuntafstand in millimeter en R het scheidend vermogen in boogseconden. De constanten 206265 en 0.0056 staan respectievelijk voor het aantal boogseconden per radiaal en de grootte van een CCD-pixel in millimeter. Desgewenst kan deze formule worden herschreven tot:

           (1)   Feff = 23.1 x D    (Feff: effectieve brandpuntafstand, D: objectiefdiameter)

De effectieve brandpuntafstand en de objectiefdiameter dienen beide te zijn uitgedrukt in dezelfde eenheid: millimeters, centimeters etc. Uitgaande van een 153 millimeter telescoop, betekent dit een effectieve brandpuntafstand van 3534 millimeter. Deze waarde geldt uiteraard alléén voor de Philips ToUcam Pro webcam, aangezien de CCD-chips van andere webcams afwijkende afmetingen kunnen hebben. In dergelijke gevallen hoeft echter alleen met een andere pixelgrootte rekening gehouden te worden (in dit voorbeeld 0.0056 millimeter).


Oculairprojectie

Indien we van ons rekenvoorbeeld (een 153 millimeter telescoop) uitgaan, dan volgt uit de eerder gegeven formule (1) een effectieve brandpuntafstand van 3534 millimeter. Laten we voorts veronderstellen dat de telescoop een brandpuntafstand heeft van 1310 millimeter. Het wordt direct duidelijk dat het in ons geval geen zin heeft de webcam in het primaire brandpunt van de telescoop te plaatsen: de gewenste 3534 millimeter is namelijk significant groter dan de 1310 millimeter. We zouden dit probleem echter kunnen oplossen door het gebruik van een 3x Barlowlens. Nadeel is echter dat voor een ander systeem, met een andere brandpuntafstand, weer een andere Barlowlens vereist is. Gelukkig is er een methode die in de praktijk méér mogelijkheden biedt: oculairprojectie.

Zoals de naam al doet vermoeden, hebben we voor deze methode een oculair nodig. Verder is het van belang dat de afstand van het oculair tot de CCD-chip van de webcam kan worden gevarieerd (zodadelijk zal blijken waarom). Om dit te kunnen realiseren, wordt het oculair in een soort van houder geplaatst waaraan zich een aantal stelschroeven bevindt. Het voordeel van deze aanpak bestaat eruit dat je, in tegenstelling tot een Barlowlens, met hetzelfde oculair de effectieve brandpuntafstand bijna eindeloos kan variëren door de afstand van het oculair tot de CCD-chip aan te passen. De effectieve brandpuntafstand volgt uit onderstaande formule:

           (2)   Feff = ( Fobj x P ) / Fo - Fobj

In deze formule vertegenwoordigt Feff de gezochte effectieve brandpuntafstand. Fobj staat voor de brandpuntafstand van de telescoop, en Fo voor de brandpuntafstand van het oculair. P staat voor de afstand tussen het oculair en de CCD-chip. Uiteraard dienen we in dit verband steeds dezelfde eenheden te gebruiken (millimeters, centimeters e.d.).

Wat direct opvalt zodra je opnamen gaat maken met de webcam, is de relatief kleine hoekdiameter waarover je beschikt. Met een kleine telescoop is het bijvoorbeeld al onmogelijk de maan in haar geheel in beeld te krijgen. Door gebruik te maken van een andere formule, zijn we in staat uit te rekenen hoe groot het beeld is dat door de webcam kan worden vastgelegd:

           (3)   A = 1155 x S / Feff

De waarde A is de hoekgrootte aan de sterrenhemel uitgedrukt in boogseconden en S staat voor het aantal pixels. Feff is de effectieve brandpuntafstand in millimeters. Een rekenvoorbeeld ter verduidelijking.

De Philips ToUcam Pro webcam beschikt over 640 x 480 pixels. Stel, we maken gebruik van een 26 millimeter oculair en een projectieafstand van 100 mm. Onze telescoop heeft een brandpuntafstand van 1310 mm. Uit formule 2 volgt een effectieve brandpuntafstand van 3728 mm. Deze waarde is namelijk het resultaat van ( 1310 x 100 ) / 26 - 1310. De afmetingen die we aldus kunnen vastleggen zijn:

           horizontaal   (640 pixels) : 1155 x 640 / 3728 = 198 boogseconden (~3.3 boogminuten)
           verticaal       (480 pixels) : 1155 x 480 / 3728 = 149 boogseconden (~2.5 boogminuten)

Uit de formules wordt direct duidelijk waarom de maan met haar schijnbare diameter van zo'n 30 boogminuten niet in het beeldveld past. Door de formules echter in 'omgekeerde' volgorde toe te gebruiken, kunnen we iets zeggen over de effectieve brandpuntafstand waarbij dat wél mogelijk is.


De webcam en sterbedekkingen

Na op fotografisch gebied een aantal successen te hebben geboekt, begon ik mij stilaan af te vragen of de webcam óók op het terrein van bedekkingsverschijnselen kon worden ingezet. Het voordeel zou immers groot zijn: een hogere nauwkeurigheid in vergelijking tot een visuele waarneming én de mogelijkheid om de bedekking nog eens terug te zien (erg handig voor twijfelgevallen waarbij de ster langzaam uitdooft). Hiermee zou het tevens mogelijk worden een brug te slaan tussen het visueel waarnemen aan de ene kant en de geavanceerde videotechnieken aan de andere kant.

De eerste experimenten die in dit verband werden uitgevoerd, dateren van 11 juni 2003, de dag waarop de maan de sterren 8 Lib (magnitude 5.2) en alpha Lib (magnitude 2.8) zou bedekken. Ondanks dat de maan voor 91% verlicht was, bleek de bedekking er piekfijn op te staan: een nieuwe toepassing voor de webcam was geboren!

Het vastleggen van een sterbedekking alléén is nog niet voldoende, omdat hiermee nog niets gezegd is over het moment waarop de ster verdwijnt of weer tevoorschijn komt. Het is daarom zaak dat we op de een of andere manier een vorm van tijdregistratie toevoegen aan het beeld. Zo is het bij videowaarnemingen mogelijk, gebruik makend van een zogeheten time-inserter, de precieze tijd toe te voegen aan het videosignaal. Voor de webcam is er een dergelijke oplossing echter nog niet, omdat deze is gebaseerd op USB-technologie.

Om dit probleem tóch op te kunnen lossen, zit er eigenlijk niets anders op dan de tijd in de vorm van een audiosignaal toe te voegen en achteraf te relateren aan de videobeelden waarop de betreffende in- of uittrede te zien is. De hiervoor benodigde software, die dit in een handomdraai voor ons regelt, is echter dermate specialistisch, dat u er tevergeefs op het internet naar op zoek zult gaan. Dit inspireerde mij er toe om zelf aan het programmeren te slaan. Het project kreeg de codenaam WOTAP mee. Op de gelijkname pagina kunt u tevens de software en handleiding downloaden.


Webcam foto-album

Het zal duidelijk zijn dat de webcam voor de amateurastronoom een grote toegevoegde waarde heeft, al is het alleen maar door de kick die je krijgt bij het bekijken van al die fraaie foto's. Hopelijk dat onderstaande opnamen u er toe kunnen bewegen om het zelf ook eens te gaan proberen!