Využítí videokamery v astronomii

Videokamera se už v dnešní době stává stejně běžná jako fotoaparát. Obvykle si ji lidé nekupují kvůli astronomickým pozorováním, ale když už ji máte, je škoda ji pro astronomii nepoužít. V tomto článku bych chtěl poukázat na některé možnosti použití videokamery v amatérské astronomii, zejména pak při pozorování zákrytů hvězd Měsícem a planetkami.

Použití samostatné videokamery

Pro některé pozorování je možné využívat videokameru bez dalších úprav či příslušenství. Porovnáme-li však záběry z videokamery (např. snímek, který jsem natočil během úplného zatmění Slunce v roce 1999) s fotografiemi pořízenými klasickým fotoaparátem, je zřejmé, že v této oblasti nemůže zatím video konkurovat klasickému filmu. I kvalitní digitální kamera totiž nemá lepší rozlišení než 500 řádků. Hlavní výhodou kamery je ovšem možnost zachytit určitý děj v čase.

Dále bych se chtěl zmínit o nastavení a pracovních režimech kamery. Obecně lze napsat, že čím rozsáhlejší manuální režim kamera má, tím lépe. Naprostou nutností je možnost vypnutí automatického ostření, což snad lze u každé kamery. Pokud je možno ručně nastavovat clonu nebo alespoň expozici, je to velká výhoda. Některé videokamery mají možnost nastavení režimu prodloužené expozice. Každý snímek se pak exponuje obvykle 8x delší dobu (160ms místo 20ms), což přinese zisk asi 2 magnitud, ovšem za cenu horšího časového rozlišení. Pokud se pokusíte s běžnou kamerou snímat hvězdnou oblohu, pravděpodobně zjistíte, že dosah kamery je podobný, jako má lidské oko, ovšem silně závisí na nastavení zoom objektivu. Přestože má totiž kamera obvykle průměr objektivu kolem 3 cm, využívá celý tento průměr pouze při velkém přiblížení (např. zoom > 8). Skutečný průměr vstupní pupily objektivu si můžeme snadno spočítat podle vzorce D = f / c , kde D je průměr vstupní pupily, f je ohnisková vzdálenost a c je clonové číslo objektivu. Má-li tedy např. objektiv kamery světelnost 1:1.4 a zoom rozsah 4 - 50 mm, potom při širokoúhlém nastavení objektivu (zoom = 1) vychází D = 2.86 mm. Kamera má tedy v tomto nastavení průměr vstupní pupily pouze necelé 3 mm ! Pokud se tedy budete pokoušet zachytit videokamerou některý jasný meteor nebo například záblesk Iridia, je třeba najít vhodný kompromis mezi maximální dostupnou magnitudou a velikostí zorného pole.
Za velmi příznivých podmínek je možné se pokusit natočit videokamerou zákryt jasné hvězdy Měsícem. Úkaz musí nastávat za neosvětlenou stranou Měsíce, hvězda musí být dostatečně jasná (nejlépe jasnější než 2 mag) a Měsíc nesmí mít moc velkou fázi. Takové podmínky nastávají opravdu výjimečně, ale nejsou zcela vyloučeny - v minulých dvou letech nastalo např. několik příznivých zákrytů Aldebarana. Pokud chcete takový úkaz natočit, stačí připevnit videokameru na vhodný stativ (paralaktická montáž není nutná i když je samozřejmě výhodná), nastavit zoom (optický) na maximum, ručně zaostřit na Měsíc, pořípadě ručně nastavit expozici a clonu tak, aby byla zakrývaná hvězda nejlépe viditelná a pak už jen neváhat a točit. Aby byl takto natočený zákryt použitelný k dalšímu zpracování, je nutné do záznamu vhodně přihrávat přesný čas. To však může být docela problém. Existují sice zařízení, které dokáží do videosignálu vkládat čas z přijímače časového signálu DCF, ovšem u běžné videokamery nelze do videosignálu nic přidávat. Jediná možnost pak je použít videokameru jen pro snímání obrazu a signál z ní přivádět přes vkladač času do videomagnetofonu, kde se bude teprve nahrávat. To je dost komplikované řešení, které navíc vyžaduje pozorovací stanoviště s přívodem elektřiny. Vytrácí se pak jedna z hlavních předností videokamery, totiž snadné použití kdekoliv v terénu, např. na expedicích za tečnými zákryty hvězd Měsícem. Jednodušší je proto použít malý přenosný přijímač DCF signálu. Pokud je však kamera zaostřena na Měsíc, nelze už současně snímat display hodin. Pak nezbývá, než použít následující postup: Nejprve natočit display s přesným časem, pak kameru přeostřit a natočit zákryt hvězdy a pak opět natočit display. Celý záznam je nutné pořídit vcelku, bez vypínání kamery. Pečlivým odpočítáním snímků je pak možné z tohoto záznamu určit okamžik zákrytu s přesností na jeden snímek. Chtěl bych ještě upozornit, že nejsou příliš vhodné přijímače, které mají LCD display, což je ovšem nejčastější případ. LCD display totiž reaguje pomalu a není možné přesně určit okamžik změny číslice. Řešením je buďto si z přijímače vyvést přímo DCF signál a ten přivádět k LED diodě nebo (pokud nemáte rádi elektroniku) si koupit hotový DCF modul, který má už DCF signál vyveden.
Zákryty Aldebarana nebo Regula ovšem nenastávají často (a když už nastanou, tak obvykle prší), takže pokud se chcete opravdu věnovat natáčení zákrytů hvězd Měsícem, bude nutné Vaši kameru vhodně spojit s dalekohledem.

Spojení videokamery s dalekohledem

Připojením kamery k dalekohledu získáme možnost snímat i méně jasné hvězdy a současně zlepšíme úhlové rozlišení kamery. Propojení obou optických soustav by mělo splňovat tyto podmínky :

1. Využití veškerého světla soustředěného objektivem dalekohledu a zamezení vinětace.
2. Vhodná velikost zorného pole
3. Možnost vkládat do obrazu časový údaj z přijímače DCF signálu
4. Potlačení rušivého světla Měsíce (u zákrytů hvězd Měsícem)

První podmínka by měla být samozřejmostí pro každou optickou soustavu a zmíním se o ní později, vždy u konkrétního návrhu soustavy dalekohled - kamera.
Velikost zorného pole závisí na tom, co budeme chtít kamerou točit. Pro planetkové zákryty je výhodnější co největší pole (např. 1 stupeň), abychom měli v záběru více hvězd a snáze se orientovali podle mapky okolí zakrývané hvězdy. Pro snímání zákrytů hvězd Měsícem to chce najít vhodný kompromis. Čím je totiž pole menší, tím tmavší je pozadí (soustava má menší světelnost) a hvězda vynikne, protože se dá lépe odstranit rušivé světlo Měsíce. Ovšem se zmenšováním zorného pole se stává náročnější zakrývanou hvězdu nalézt, zejména pak u výstupů. Mně se osvědčila velikost zorného pole cca 5', ale pokud nemáte u dalekohledu přesný hledáček a chcete točit i výstupy, tak doporučuji zorné pole větší, cca 10'. Videokamera se dá použít i pro snímání planet nebo třeba detailů na Měsíci. Je to výhodné proto, že tyto pozorování ruší neklid atmosféry (seeing). Pokud ovšem natočíme videozáznam, je možné si vybrat pro další zpracování ty snímky, kdy byla zrovna atmosféra nejklidnější. Chceme-li však využít rozlišovací schopnosti dalekohledu, je nutné obraz značně zvětšit. Uvážíme-li např. rozlišení videozáznamu 250 řádků (VHS) a měřítko 1" na řádek, pak vychází zorné pole velké 250", takže přibližně jen 4'. Z následujících obrázků si můžete udělat představu, jak vypadá Měsíc, Jupiter a Saturn ve videokameře propojené se zrcadlovým dalekohledem 355/1600 mm. Velikost zobrazeného pole je cca 6' x 5' u Měsíce a cca 3' x 2.5' u planet. Pro zvídavce, kteří by si chtěli snímky porovnávat např. s atlasem Měsíce, uvádím, že záběry jsou výškově překlopeny, takže sever je dole a západ vpravo.

Pokud se budete chtít věnovat zákrytům hvězd Měsícem nebo planetkami, budete muset vyřešit vkládání času do obrazu. Každá videokamera sice dokáže do obrazu vkládat časový údaj, ale ten není dostatečně přesný a většinou neobsahuje sekundy. Lze ho však použít pro hrubou orientaci a do obrazu pak stačí vkládat jen přesné sekundové značky z přijímače DCF signálu. Sekundové impulsy je možné získat úpravou běžného DCF přijímače nebo raději zakoupením DCF modulu, který je má vyvedeny. Postačí, když tyto impulsy přivedeme k malé LED diodě a tu vhodně umístíme do záběru kamery. To však nemusí být tak jednoduché, jak to možná vypadá. Optickou soustavu je totiž nutno navrhnout tak, aby se dala najít vhodná rovina, která se ostře a ve vhodném měřítku zobrazí do obrazu v kameře. Do této roviny je pak možné LED diodu umístit, např. do rohu obrazu. Pro snazší a přesnější zpracování videozáznamu se mi osvědčilo tvarovat impulsy elektronickým obvodem na délku jednoho snímku, tj. 40ms. Následující dva obrázky dokumentují zákryt dvojhvězdy XZ7838 Měsícem. Na druhém záběru je již první složka dvojhvězdy zakryta. LED dioda, napojená na signál DCF, je vidět v pravém dolním rohu.

Jestliže máte více zkušeností s elektronikou, můžete místo LED diody do obrazu umístit miniaturní display synchronizovaný DCF signálem.
Potlačení rušivého světla Měsíce je možné dosáhnout zejména zmenšením světelnosti celé optické soustavy a vhodným umístěním clon. Podrobněji se o tom zmíním v následující části.

Návrhy optických soustav

1. Soustava s Keplerovým dalekohledem

Existuje samozřejmě více možností jak spojit dalekohled s kamerou. Zřejmě nejjednodušší je zaostřit dalekohled i kameru na nekonečno a obojí vhodně mechanicky spojit. Schématicky ukazuje takovou soustavu následující obrázek.

Aby nedocházelo k vinětaci, je nutné, aby vstupní pupila kamery byla stejná nebo raději větší než výstupní pupila okuláru dalekohledu. Toho je možno dosáhnout nastavením zoomu kamery (větším "přiblížením"), čímž se zvětší vstupní pupila kamery nebo použitím silnějšího okuláru u dalekohledu, čímž se naopak zmenší výstupní pupila okuláru. Obojí vede k tomu, že výsledné zorné pole je poměrně malé, kamera zobrazí jen malý výřez z obrazu, který vzniká v ohniskové rovině F. To by ani moc nevadilo při snímání planet a zákrytů hvězd Měsícem, kdy je velké zvětšení výhodné, problém je však s vkládáním času do obrazu. Jediná přístupná rovina, kam lze umístit LED diodu je totiž právě v ohnisku F a ta je tak zvětšena, že i miniaturní dioda o průměru 2 mm by zabírala téměř celé zorné pole. Tato soustava je proto vhodná pouze pro snímání planet a detailů na Měsíci a Slunci.

2. Soustava s Galileovým dalekohledem

Místo okuláru lze použít i Barlowovu čočku (rozptylku), čímž vznikne vlastně Galileův dalekohled, jak ukazuje následující obrázek.

Výhoda této soustavy spočívá v tom, že je podstatně kratší než předchozí návrh, jinak má podobné vlastnosti. Podstatnou nevýhodou ovšem je, že u Galileova dalekohledu neexistuje přístupná rovina, která by se ostře zobrazila do obrazu v kameře, takže ani v tomto případě nelze do obrazu vkládat čas opticky.

Jak je vidět, ani jeden z předchozích návrhů neumožňuje vkládat do obrazu čas. Toto řeší až následující dva návrhy. Využívají při tom toho, že kameru lze při nastavení zoomu 1x - 3x (širokoúhlý záběr) zaostřit na velmi malou vzdálenost, cca 2 - 3 cm. Nemám ověřeno, jestli to lze u každé kamery, ale pokud to kamera umožní, jsou tyto soustavy výhodnější.

Dalekohled je bez okuláru, takže funguje jako teleobjektiv a v primárním ohnisku F vykreslí reálný obraz pozorovaného předmětu (např. Měsíce). Na tento obraz je zaostřena kamera, která je umístěna asi 3 cm za ohniskem. Aby bylo možno kameru zaostřit na tak malou vzdálenost, je nutné na ní nastavit zoom na cca 2x - 3x. Jak už jsem se zmiňoval v úvodní části článku, má kamera při tomto nastavení velmi malou vstupní pupilu, která není schopna pojmout všechno světlo soustředěné dalekohledem a docházelo by k vinětaci. Proto je nutno ještě umístit mezi kameru a ohnisko F tzv. polní čočku P, která zobrazuje výstupní pupilu dalekohledu (v podstatě objímku objektivu) do vstupní pupily kamery. Jako polní čočku lze použít jednoduchou čočku (i brýlovou) o ohniskové vzdálenosti cca 5 - 6 cm. Je umístěna těsně (cca 5 mm) za obrazovou rovinou, takže se její barevná vada téměř neprojeví. Její optimální vzdálenost od kamery závisí na nastavení zoomu a je nutno s ní trochu experimentovat, aby bylo celé zorné pole rovnoměrně osvětlené. Takto postavená soustava vykreslí obraz až do velikosti cca 18 x 25 mm, což např. u dalekohledu s ohniskovou vzdáleností objektivu 1 m představuje zorné pole větší než 1 stupeň. Do ohniskové roviny F je možno umístit rámeček R s LED diodou napojenou na signál DCF.

4. Soustava pro zákryty hvězd Měsícem

Předchozí soustava je dobře použitelná na točení planetkových zákrytů, ovšem pro zákryty hvězd Měsícem není příliš vhodná, zejména máte-li světelný dalekohled. Měsíc totiž pozorování silně ruší svým světlem a je vhodnější použít méně světelnou soustavu. Tak vznikla soustava, kterou v současné době používám ve spojení se zrcadlovým dalekohledem 355/1600 mm a jejíž schéma ukazuje následující obrázek.

Obraz vykreslený v ohnisku primárního zrcadla F je zvětšen pomocným objektivem O a zobrazen do sekundárního ohniska F'. Zvětšení objektivu O je nutno navrhnout podle toho jaký máme dalekohled a podle požadované velikosti zorného pole. V mém případě zvětšuji obraz 6,25x, takže velikost obrazu v sekundárním ohnisku F' odpovídá ohniskové vzdálenosti 10 m. Další část už je v podstatě shodná s předešlou optickou soustavou. Rámeček s LED diodou je umístěn v sekundárním ohnisku a polní čočka zobrazuje výstupní pupilu objektivu O do vstupní pupily kamery. V mém případě je celá soustava dlouhá asi 40 cm, proto je zde ještě rovinné zrcátko Z, které láme světlo rovnoběžně s tubusem dalekohledu, takže lze celé zařízení přišroubovat z boku na tubus a je mechanicky dostatečně tuhé. Aby se co nejvíce potlačilo parazitní světlo Měsíce, doplnil jsem soustavu clonami C1 a C2.
Clona C1 je umístěna v primárním ohnisku a má za úkol maximálně odstínit osvětlenou část Měsíce hned na začátku optické soustavy. Mně se osvědčila irisová clona ze starého objektivu, protože se dá měnit její průměr. Její funkci dokumentuje obrázek zákrytu hvězdy XZ4297, který byl v Plzni blízký tečnému. Přesným nastavením clony by se dal i v tomto případě zcela odstínit osvětlený povrch Měsíce ze záběru.
Clona C2 potlačuje světlo rozptýlené v tubusu a je umístěna v místě, kam objektiv O promítá obraz výstupní pupily objektivu dalekohledu. Měla by mít stejný průměr, jako tento obraz.
Objektiv O musí být kvalitní a dostatečně světelný, aby nekazil obraz a neomezoval světlo. Používám pro tento účel Zeiss Tessar 2.8/50 ze staré prohlížečky mikrofiší. Výhodnější by byl patrně objektiv s kratší ohniskovou vzdáleností (např.2.8/28), celá soustava by pak byla kratší. V nouzi by zřejmě bylo možné použít místo tohoto objektivu i kvalitní okulár, ale nemám to ověřené.
Následující obrázek ukazuje praktické provedení popisované soustavy.

Pro správnou funkci všech popsaných soustav je důležité, aby vlastní kamera neclonila. Pokud to kamera umožňuje, používejte zásadně manuální nastavení a plně otevřenou clonu. Pokud máte moc světla (např. při snímání Měsíce), je výhodnější zkracovat expozici, ale neclonit, protože clona kamery obvykle způsobí vinětaci. Pokud kamera neumožňuje manuální nastavení clony, je nutné věnovat velkou pozornost odstínění Měsíce ze záběru. Pokud totiž v záběru není osvícený Měsíc, je obvykle světla tak málo, že si kamera i v automatickém režimu zcela otevře clonu.

Videoukázky

Několik videoukázek pro doplnění tohoto článku najdete na samostatné stránce.

Závěr

Cílem tohoto článku není podat úplný a podrobný návod na propojení dalekohledu s videokamerou, ale podělit se o zkušenosti s ostatními amatéry a začátečníkům poskytnout inspiraci k experimentování. Rozhodně si totiž nemyslím, že popisované soustavy jsou dokonalé, stále je co vylepšovat. Záměrně jsem také omezil popis jen na optické řešení, neboť mechanické provedení už silně závisí na konkrétním typu dalekohledu a kamery a také na možnostech každého amatéra. Závěrem bych se chtěl omluvit odborníkům za případné nepřesnosti či chyby - nejsem optik a budu vděčný za připomínky nebo náměty k vylepšení popisovaných soustav.