Astrophotography at the Veluwe Logbook, results, lessons learned

Polar aligment with V-method

ToDo : translate in English

Eerste versie:                12 mei 2009
Laatste wijziging:           21 januari 2010

Achtergrond

Om sterren te kunnen fotograferen met een belichtingstijd van meer dan enkele seconden moet je een gemotoriseerde equatoriale montering gebruiken. Dit is een montering waarbij een motor de camera met de juiste snelheid om de poolas draait die op de noordpool is gericht. De kwaliteit van het eindresultaat wordt mede bepaald door de nauwkeurigheid waarmee deze as op de noordpool is gericht. Het proces van het nauwkeurig richten van de poolas van de montering op de noordpool heet Polar Alignment.   Zie het einde van dit document voor verdere uitleg van gebruikte afkortingen.    

Methode

De nauwkeurigste methode voor Polar Alignment is drift alignment. Hiervoor is een telescoop met een oculair met verlicht dradenkruis of een webcam nodig. Met name de combinatie van webcam en de Drift Explorer functie van de software K3CCDTools werkt nauwkeurig.  Een overblijvende drift van minder dan 3" /min heb ik al een paar keer bereikt.  

Als je geen telescoop of webcam kan of wil gebruiken komt de V-methode in aanmerking. Deze is minder nauwkeurig maar goed genoeg voor opnames met camera's met niet te lange telelenzen (maximaal ca 200-300mm). Je hebt hiervoor alleen een DSLR camera nodig. Het gebruik van Laptop is nuttig maar niet noodzakelijk. 

  Ik verwacht dat ik de V-methode vooral zal gebruiken bij de Min-EQ montering. Je stelt dan minder hoge eisen aan nauwkeurigheid omdat de mechanische kwaliteit van de montering (met name de Periodic Error) ook minder goed is.

De onderstaande beschrijving is daarom specifiek geschreven voor het gebruik van Min-EQ, zonder laptop, met een 135mm telelens.

    Opstelling statief  

• Draai de statiefpoten stevig vast in de montering.
• monteer de camera op de montering en sluit de motor en de stroomvoorziening aan.
• Plaats de montering met een van de drie poten op het zuiden gericht. Gebruik een kompas of de poolster. Een fout van maximaal 15° is toegestaan, maar een kleinere afwijking is beter.
• Richt de kant met de waterpas in tegenovergestelde richting (dus naar het noorden) door de klemschroef onder de montering los te draaien en daarna de montering te verdraaien ten opzichte van de driepoot. Daarna de klemschroef weer vastdraaien.
• In de richting haaks op de waterpas: zet de montering horizontaal door de poot die richting NW of NO wijst te verhogen. Dit hoeft niet heel nauwkeurig. Zet de poolas op het oog verticaal (in oost-west richting bekeken)
• Zet de montering met behulp van de waterpas zo nauwkeurig mogelijk horizontaal, door de poot die naar het zuiden wijst te verhogen of te verlagen ten opzichte van de beide andere poten. Streef naar de juiste hoogte van deze poot met een nauwkeurigheid van 1-2mm.
• Vanaf nu de driepoot niet meer verplaatsen of verschuiven!!

    Grove uitlijning azimuth  

• Richt de poolas zo goed mogelijk op het noorden, met behulp van kompas of poolster. Doe dit door montering ten opzichte van de driepoot te verdraaien. Schatting nauwkeurigheid: 5°. Beter bespaart straks tijd bij de fijne uitlijning van het azimuth.

    Grove uitlijning hoogte 

• Let op: Sla deze stap over als de hoogteinstelling niet veranderd is en je nog op dezelfde geografische breedte zit als bij de laatst uitgevoerde fijne uitlijning van de hoogte. Je doet dan de fijne uitlijning van de hoogte al met het waterpas stellen van de montering. Dit gaat nauwkeuriger dan op de juiste hoogteaanduiding afstellen.
• Zet de hoogteaanduiding op de montering zo goed mogelijk gelijk aan de geografische breedte van de locatie. Streef naar een nauwkeurigheid van ½ streep (=1°)
• Draai daarna de kleminrichting van de hoogte weer stevig vast

    Fijne uitlijning azimuth  

• Richt de camera op het zuiden (als je straks opnames op verschillende plekken van de hemelbol wilt maken) of op een ster in het gebied dat je wilt fotograferen (als je alle opnames in hetzelfde gebied wilt maken).
• Stel scherp op een voldoende heldere ster.
• Laat de montering volgen
• Start een opname van 130sec.
• Gedurende de opname:
  • 10 sec volgen
  • 60 sec 2x snelheid volgen
  • 60 sec volgen gestopt
• Bekijk de opname. De ster ziet er als volgt uit.  

 

• De V-vorm wijst in de RA-richting. De breedte van de V-vorm geeft de grootte van de DEC-drift en is een aanwijzing voor de Azimuth-afwijking. De stip is het startpunt van de opname.
• Schat de DEC-drift als verhouding tussen lengte en breedte van de V-vorm.
• Verdraai het azimuth van de montering over 1mm naar rechts door de klemschroef onder de montering los te draaien en daarna de montering te verdraaien ten opzichte van de driepoot. Daarna de klemschroef weer vastdraaien.
• herhaal de opname van 130 sec.
• Bekijk de opname en bepaal of de V-vorm spitser of stomper is geworden. Indien spitser heb je in de juiste richting bewogen, indien stomper heb je in de verkeerde richting bewogen.
• Maak een schatting van de juiste verdraaiing op basis van de vormverandering van de V na de verdraaiing van 1 mm.
• Verdraai het azimuth over de geschatte afstand en herhaal de opname van 130 sec op dezelfde manier en bepaal de vorm van de V.
• Maak aantekeningen van verdraaiing en van de verhouding van de V-vorm. Herhaal tot V-vorm is verdwenen. Streef naar een nauwkeurigheid van ca 0.5mm 

Fijne uitlijning hoogte  

• Let op: Sla deze stap over als de hoogteinstelling niet veranderd is en je nog op dezelfde geografische breedte zit als bij de laatst uitgevoerde fijne uitlijning van de hoogte. Je doet dan de fijne uitlijning van de hoogte al met het waterpas stellen van de montering. Dit gaat nauwkeuriger dan op de juiste hoogteaanduiding afstellen.
• Let op: sla deze stap over als je in deze sessie alle opnames in hetzelfde deel van de hemelbol wilt maken en tevens de fijne Azimuthinstelling is gebeurd met een ster in dat gebied in plaats van met een ster in het zuiden.
• Richt de camera op oosten of westen op ca 30 graden hoogte.
• Maak een 130sec opname op dezelfde manier als bij nauwkeuriger uitlijning van Azimuth.
• Schat de DEC-drift als verhouding tussen lengte en breedte van de V-vorm.
• Draai de klemschroef van de hoogteinstelling een beetje los en verdraai het hoogte van de montering met de stelschroef over ½ omwenteling. Draai daarna de klemschroef van de hoogteinstelling weer stevig vast.
• herhaal de opname van 130 sec.
• Bekijk de opname en bepaal of de V-vorm spitser of stomper is geworden. Indien spitser heb je in de juiste richting bewogen, indien stomper heb je in de verkeerde richting bewogen.
• Maak een schatting van de juiste hoogteverstelling, voer dit uit en herhaal.
• Maak aantekeningen van verstellingen en van de verhouding van de V-vorm. Herhaal tot V-vorm is verdwenen. Streef naar een nauwkeurigheid van ca ¼ omwenteling van de stelschroef.

  Nakontrole 

• Dit is optioneel. Maak een opname van 15min met f=135mm en een openingsverhouding van f/10. Bekijk de vorm van het sterspoor. Dit is grofweg een sinusvorm. Als het spoor niet in een vierkant past (de lengte van het spoor is groter dan de top-top amplitude) moet je de fijne uitlijning van de hoogte herhalen.

 Gewenste en haalbare nauwkeurigheid

• De waterpas op de Min-EQ heeft een instelfout van ca ¼°. Dit komt overeen met een hoogteverschil van ruim 1mm tussen de poten. Dit komt omdat de waterpas niet exact parallel aan de voet is vastgelijmd. Deze instelfout is al klein, maar je hebt er helemaal geen last van als je de waterpas altijd aan dezelfde kant van de montering gebruikt (in deze handleiding altijd aan de noordkant). Geschatte meetnauwkeurigheid van de waterpas is beter dan 0.5° (elke 2.5mm verhoging onder een poot komt overeen met 0.5°)
• Hoogteinstelling: De afleesnauwkeurigheid van de hoogte is 2°/div. Grof Instellen op een halve streep nauwkeurig (=1°) is goed mogelijk. Dit komt neer op ongeveer 0.5 omw van de stelschroef (4.5 omw = 10°)
• Verdraaingen van de stelschroef van minder dan ¼ omw zijn waarschijnlijk niet zinvol. Je haalt dan een nauwkeurigheid van ½°
• Azimuthinstelling: 1° verschuiving in Azimuth komt overeen met een verschuiving van 0.6mm lang de rand van de montering. Een kleinere Azimuthfout dan 1° is daarom waarschijnlijk niet mogelijk.
• Welke PAE heb je nodig? De Periodic Error van deze montering staat maximaal 1 min belichten bij f=135mm toe. In een beperkt deel van de opnames is 2min bij f=135mm haalbaar, namelijk in de “vlakke” delen van de PEC grafiek. Het streven is daarom om de PA zo nauwkeurig te doen dat de resulterende DEC drift bij een belichting van 2 min bij f=135mm acceptabel is. Dit komt neer op een DEC drift van maximaal 20”/min. Dit vereist een PAE van maximaal 4/3°. In Azimuth is dit 0,85mm langs de rand van de montering. In hoogte is dit 2/3 omwenteling van de stelschroef.
• Hoe is de V-vorm bij een DEC-drift van 20”/min? Gedurende de opname van 2min is de RA-drift 900” (15”*60sec) en de DEC-drift 40”. De verhouding lengte/breedte is dan ca 25/1. Deze verhouding is onafhankelijk van belichtingstijd en brandpuntsafstand en je moet deze verhouding nastreven om de DEC-drift kleiner te laten zijn dan PE in RA. Bij een kortere brandpuntsafstand kan je langer belichting volgens de formule: T_max = 150/f (T in minuten en f in mm). Bij korte brandpuntsafstand en grote openingsverhouding zal de maximale belichtingstijd worden bepaald door achtergrondverlichting in plaats van door de DEC-drift of PE.
• Welke PA is nuttig/haalbaar als je objecten met hoge declinatie fotografeert? De Periodic Error is kleiner naarmate de Declinatie groter is. Vanaf ca 45° wordt dit merkbaar. Dit staat dus een langere belichtingstijd of langere brandpuntsafstand toe. Het is dan wel nodig een betere PA te doen. De DEC-drift als gevolg van PAE is namelijk onafhankelijk van de gebruikte Declinatie.Als voorbeeld: Bij een DEC van 60° kan je in theorie 2x zo lang belichten zonder last te hebben van de PE. Sommige opnames van 4min bij f=135mm kunnen dan goed lukken. Het is dan nodig dat de DEC drift maximaal 10”/min is. Dit vereist een PAE van maximaal 2/3°. In Azimuth een maximale fout van 0.4mm lang de rand van de voet en in hoogte 1/3 omwenteling van de stelschroef. Dit is waarschijnlijk wel haalbaar.

  Gebruikte afkortingen en definities

• PA: Polar alignment. Het proces van het  richten van de poolas van de montering op de noordpool
• PAE: Polar alignment error. Het hoekverschil tussen poolas en noordpool
• PE: Periodic Error. een mechanische eigenschap van een montering die aangeeft wat de periode en amplitude is van de "slingering" in RA bij het volgen van een ster. Bij de Min-EQ is dit ca 200" bij een periode van 15 min
• RA en DEC. Een coordinatenstelsel over de hemelbol, uitgedrukt in graden. Het coordinatenstelsel is zo gedefinieerd dat de hemellichamen als gevolg van de draaiing van de aarde alleen in de RA-richting bewegen. Bij een goede PA wordt dit volledig gecompenseerd door de draaiing van de montering.
• DEC-drift. Dit is een schijnbare beweging van hemellichamen in DEC-richting als gevolg van een niet-perfect PA.
• Azimuth en hoogte. Een coordinatenstelsel over de hemelbol, uitgedrukt in graden. Azimuth is hetzelfde als de kompasrichting, de hoogte is 0° op de horizon en 90° recht boven je hoofd.
• Poolster. Deze ster staat minder dan 1° van de noordpool af.
• Noordpool. De onbewegelijke plaats aan de hemelbol waar alle hemellichamen schijnbaar omheen draaien. De DEC is 90°. De hoogte van de noordpool is gelijk aan de geografische breedte van de plaats waar je waarneemt.
• ': een boogminuut. Dit is 1/60e van een graad
• ": een boogseconde. Dit is 1/3600e van een graad. 

  Todo

• een schaalverdeling langs de rand van de voet van de montering lijmen zodat je met stappen van 0.5mm het azimuth kunt veranderen. 
• een keer een optimale PA uitvoeren met de bovenstaande methode en een sterspoor van 15min in dit document opnemen.

 
  Ervaringen uit de praktijk

Tibi, juni 2009:

V-methode werkt goed. Ik heb zonder overdreven veel moeite een DEC drift van 12”/min gehaald.

Met een DEC-drift van 12”/min kon ik 90 sec belichten op DEC=-30° met f=135mm. Een paar opnames gaven dan te veel drift als gevolg van plaatselijke PE in RA. Bij Dec=40° kon ik sommige frames 2m30 belichten.

Als je de waterpas gebruikt om de opstelling horizontaal te stellen en de geografische breedte zo nauwkeurig mogelijk instelt, is het eigenlijk overbodig om een nauwkeuriger hoogteinstelling van de Poolas met de V-methode te doen. Ik gebruikte alleen de V-methode in het zuiden (voor de Azimuthinstelling) en dit gaf ook in een oosten een voldoende kleine DEC drift

De motor van de Min-EQ is heel nauwkeurig. Hij introduceert geen extra RA-drift, dus mechanisch gezien is er alleen de bekende PE.