Een astronomische, parallactische montering is een vereiste voor scherpe astrofoto's met lange belichtingstijden:
Deel 9: Bediening van een astronomische montering
Als een camera stevig op een normaal fotostatief is bevestigd, worden hemellichamen alleen scherp afgebeeld als de belichtingstijd een maximale waarde niet overschrijdt, die afhankelijk is van de brandpuntsafstand, het opgenomen hemelgebied, de pixelformaat van de gebruikte sensors en de persoonlijke eisen aan een "scherpe" afbeelding.
Bijvoorbeeld, bij een brandpuntsafstand van 3000 millimeter moet al bij belichtingstijden langer dan 1/45 seconde verwacht worden dat een onscherpe weergave optreedt als de camera de beweging van de hemel niet volgt. Zelfs bij gebruik van een 24-millimeter groothoeklens worden sterren na 10 seconden belichtingstijd niet meer als puntjes, maar als kleine streepjes afgebeeld.
De reden hiervoor is de rotatie van de aarde. De hemel lijkt zich boven onze hoofden van oost naar west te draaien. Daarom gaan niet alleen de zon en de maan onder, maar ook de planeten en de sterren komen op in het oosten en gaan in het westen onder. Het draaipunt van deze beweging is de hemelpool (op het noordelijk halfrond de noordelijke hemelpool, op het zuidelijk halfrond de zuidelijke hemelpool). Dit is de plek aan de hemel waar de verlengde aardas de "hemelkoepel" raakt wanneer men zich de hemel voorstelt als een halve bol. Bewoners van het noordelijk halfrond hebben hierbij een voordeel: Dicht bij de noordelijke hemelpool staat als richtpunt de gemakkelijk vindbare Poolster, die ook wel de "Noorderster" wordt genoemd.
De enige manier om lange belichtingstijden te realiseren en toch sterren puntvormig af te beelden, is door de camera tijdens de belichting de beweging van de hemelrotatie te laten volgen. Hiervoor is een astronomische montering nodig, waarbij een as parallel aan de aardas wordt uitgelijnd.
Als deze as tijdens de belichting met de juiste snelheid wordt verplaatst, ontstaan "gevolgde" hemelfoto's. Deze beweging wordt meestal gedaan door een elektromotor. Een astronomische montering wordt ook wel parallactisch of equatoriaal genoemd.
Componenten van een parallactische montering. Legende - zie onderstaand overzicht:
• 1: Driepootstatief (alternatief: kolomstatief)
• 2: Besturing (in het afgebeelde geval: geavanceerde computerbesturing met GoTo-functie en objectendatabase)
• 3: Inzichtpositie van de poolzoeker. Het bevindt zich in het binnenste van de uurhoek (4), waarvan de richting wordt aangegeven door de pijlorentatie.
• 4: Uurhoek, de enige as die wordt aangedreven als de montering de hemeldraaiing volgt. Aan het onderste uiteinde zit de poolzoeker (3), het bovenste uiteinde is afgedekt met een deksel dat wordt verwijderd wanneer de poolzoeker wordt gebruikt.
• 5: Positie van de declinatie-as, die zijn voortzetting vindt in de tegengewichtsstaaf (12). Tijdens de beweging normaal gesproken niet beweegt rond de declinatie-as.
• 6: Set schroeven, waarmee door druk en tegendruk de instelling van de kantelhoek (polshoogte) van de uurhoek mogelijk is. Het wordt gebruikt voor het uitlijnen van de montering. Als de montering eenmaal is uitgelijnd, worden deze schroeven niet meer aangepast.
• 7: Set schroeven, waarmee door druk en tegendruk de instelling van het azimut (horizontale "kijkrichting" van de uurhoek) mogelijk is (de achterste schroef is moeilijk te zien op de afbeelding). Het wordt gebruikt voor het uitlijnen van de montering. Als de montering eenmaal is uitgelijnd, worden deze schroeven niet meer aangepast.
• 8: Hefboomklem van de uurhoek.
• 9: Hefboomklem van de declinatie-as.
• 10: Zwaluwstaartgeleiding voor het bevestigen van een prisma rail om een telescoop of camera op de montering te monteren.
• 11. Schroefklem die een in de zwaluwstaartgeleiding (10) geschoven prisma rail vastzet.
• 12: Tegengewichtsstang (in de afbeelding zonder gewicht).
Azimutale montering
Met een fotostatief is een dergelijke volging niet te realiseren, zelfs niet als de fijnafstemming zeer soepel verloopt. Dit zou falen doordat het beeldveld tijdens een langere belichtingstijd om de ster draait die wordt gevolgd, want een fotostatief kan de rotatiebeweging van de hemel niet compenseren. Stel je het sterrenbeeld Orion voor: Het komt, "liggend" aan de linkerkant, in het oosten op, richt zich bij zijn hoogste punt in het zuiden verticaal op en gaat, "liggend" aan de rechterkant, in het westen onder. Als je dit sterrenbeeld met het fotostatief volgt, zou de camera alleen "omhoog en omlaag" of naar rechts worden bewogen, zonder echter de draaibeweging te compenseren.
Schematische weergave van de hemeldraaiing aan de hand van het sterrenbeeld Orion. Een azimutale gemonteerde, gevolgde camera kan het sterrenbeeld Orion niet in het beeldveld houden, en het beeldveld draait in de loop van de tijd (rode beeldveldgrenzen). Als de camera parallactisch is gemonteerd, volgt deze enerzijds de beweging van Orion en maakt tegelijkertijd ook een draaibeweging, zodat het vastgelegde beeldveld constant blijft (gele beeldveldgrenzen).
Een montering die alleen op- en neergaande bewegingen en zijwaartse bewegingen kent, wordt een "azimutale" montering genoemd en staat tegenover de parallactische. Een fotostatief vertegenwoordigt dus een eenvoudige vorm van een azimutale montering. Een van hun beweegbare assen staat loodrecht op de grond en staat horizontale bewegingen toe, dus aanpassingen van het azimut. De andere as loopt parallel aan de grond en zorgt voor bewegingen naar boven en beneden, dus de hoogte.
Een azimutale montering is niet geschikt voor gevolgde hemelfoto's. Uitzonderingen zijn de montagingen van moderne grote sterrenwachten. Daar wordt tijdens de belichting op een complexe manier om de optische as gedraaid om de beeldveldrotatie tegen te gaan.
Azimutale montering (links) en parallactische montering (rechts). Bij de azimutale montering (links) staan beide bewegingsassen loodrecht op respectievelijk horizontaal met de grond. Het functioneert als een fotostatief. De parallactische montering (rechts) wordt gekenmerkt door de schuin staande uurhoek (pijl naar linksboven). Het type "duitse montering" vereist gewichten aan de declinatie-as (pijl van linksonder naar rechtsboven).
Parallactische montering
Parallactische monteringen zijn verkrijgbaar in verschillende uitvoeringen. Ze hebben allemaal gemeen dat één as parallel aan de aardas wordt uitgelijnd, deze wordt de uurhoek genoemd. Daarnaast moet er een tweede as zijn, loodrecht op een hoek van 90 graden, de declinatieas, om een telescoop of camera op elk punt van de hemel te kunnen richten.
Voor de amateur zijn grofweg twee typen beschikbaar; de zogenaamde "Duitse montering" (vernoemd naar het land waar de uitvinder ervan, de Duitse opticus en natuurkundige Joseph von Fraunhofer, werkzaam was) en de gabelmontering.
Twee parallactische monteringen: de gabelmontering (links) en de "Duitse montering" (rechts). De ingetekende rode pijlen geven de positie van de uurhoek aan.
Duitse montering
Deze montering bestaat uit een asiskruis en wordt gekenmerkt doordat aan de ene kant van de declinatieas de telescoop of camera is bevestigd, terwijl aan de andere kant een tegengewicht zorgt voor balans. Vooral onder astrofotografen is dit type erg populair en wijdverspreid, omdat de uurhoek eenvoudig op de hemelpool kan worden uitgelijnd. Bovendien is het aanbod van Duitse monteringen uitgebreid: alle gewichts- en prijsklassen zijn vertegenwoordigd, en de meeste daarvan kunnen individueel worden aangeschaft en niet alleen in combinatie met een telescoop. Als nadeel kan worden opgemerkt dat bij gebruik van een telescoop deze bij het volgen van een onderwerp tegen het statief of de kolom kan stoten, wat een omschakeling van west naar oost (of omgekeerd) noodzakelijk maakt.
Gabelmontering
Gabelmontages worden praktisch alleen aangeboden in combinatie met telescopen. Als parallactische uitvoering moet de hele gaffel worden gekanteld zodat de uurhoek naar de hemelpool wijst, wat eerder ongunstige mechanische verhoudingen creëert. De meeste gabelmonteringen op de amateurmarkt vertonen feitelijk een uitgesproken trillingsgedrag, daarom zijn ze zelden te vinden in astrofotografisch gebruik. In tegenstelling tot de Duitse montering kan als voordeel van de gabelmontering worden genoemd dat een hemelobject de hele nacht kan worden gevolgd zonder dat een telescoop of camera een obstakel (statief/kolom) dreigt te raken, waardoor omschakelen niet nodig is.
Periferie
Wanneer men bij een montering alleen naar de asmechanica kijkt, zijn er aanvullende componenten nodig om er een functionerende eenheid voor astrofotografie van te maken:
• 1. Statief/Kolom
Een driepootstatief heeft voordelen bij mobiel gebruik, omdat het praktisch overal kan worden geplaatst. Een kolom biedt meer bewegingsvrijheid voor een telescoop, maar staat alleen veilig op een vlakke ondergrond. Hoe dan ook, er moet worden gelet op een hoge stabiliteit. Uiteindelijk zal de zwakste schakel in de hele keten de stabiliteit en daarmee ook de maximale volgprecisie beperken.
• 2. Motoren
Sommige monteringen worden geleverd met reeds geïnstalleerde motoren, bij andere moeten ze apart worden aangeschaft. Voor korte belichtingstijden is in feite de motorische aandrijving van de uurhoek voldoende, dus een tweede motor voor de declinatieas kan worden weggelaten. Bij langere belichtingstijden kunnen onder bepaalde omstandigheden ook corrigerende bewegingen van de declinatieas nodig zijn, zodat twee motoren - één voor elke as - aanbevolen zijn. De meeste monteringen werken met stappenmotoren die met microstappen lopen en de monteringsassen bewegen via een worm en een tandwiel. Een andere oplossing zijn servomotoren.
• 3. Besturing
Elke montering heeft een besturing nodig. Als deze niet bij de levering is inbegrepen, moet deze apart worden aangeschaft. De taak van de besturing is het voorzien van de motoren van spanning en aandrijfimpulsen. Daarnaast biedt het de meer of minder snelle en fijne motorische beweging van de montering in alle richtingen via vier knoppen aan.
Naast deze fundamentele functies bieden sommige besturingen extra functies:
• Verandering van de volgsnelheid (naast siderisch, dus op de sterren, optioneel ook voor de zon en maan)
• Autoguider-aansluiting: een aansluiting om met behulp van een speciale digitale camera, die autoguider wordt genoemd, regulerend in te kunnen grijpen in de werking van de montering indien dat nodig is. Wie werkt met lange brandpuntsafstanden en lange belichtingstijden, zal op den duur willen dat de 'volgen' aan een autoguider wordt overgelaten en waarde hechten aan de uitrusting van de besturing met een autoguider-aansluiting.
• GoTo-functie: In combinatie met snelle motoren maakt een GoTo-besturing het automatisch positioneren van de montering op een hemelobject naar keuze mogelijk. Voor de astrofotograaf speelt de GoTo-functie geen doorslaggevende rol, dus een beperkt budget moet indien nodig eerder worden geïnvesteerd in een stabielere montering.
Handbedieningskast van een telescoopmontage: elk twee knoppen maken de motorische aanpassing van de uurhoek (1) en de declinatieas (2) mogelijk om de telescoop nauwkeurig op een hemelobject uit te richten. Met een schuifschakelaar aan de zijkant (3) kan de besturing worden in- en uitgeschakeld en kan de werking op het noordelijk of zuidelijk halfrond van de aarde worden geselecteerd. Met schakelaar 4 wordt de bewegingssnelheid van de motoren bij gebruik van de knoppen 1 en 2 vastgesteld.
• 4. Poolzoeker
Dit is een minitelescoop die in de holle uurhoek van de montering wordt geschroefd en een snelle en gemakkelijke alignering (zie hieronder) mogelijk maakt.
Gesimuleerd zicht door een poolzoeker. De blauwe lucht komt overeen met het uitzicht in de vergevorderde schemering. De elementen in het oculair worden verlicht door een rode led, zodat ze ook nog voor zwartere luchten kunnen worden herkend. Duidelijk te zien is de gewenste positie van de Poolster (Polaris), die op de juiste plaats in de afbeelding te zien is. De afwijking van de Poolster van de ware hemelpool (midden van het gezichtsveld) wordt automatisch in aanmerking genomen. De ingetekende sterrenbeelden wijzen alleen op de richtingen en zijn niet zichtbaar in de poolzoeker.
• 5. Voeding
Veelvoorkomend is de werking van monteringen op 12 volt gelijkstroom. Voor mobiel gebruik moet er daarom een batterijpakket of een passende accu worden aangeschaft.
• 6. Monterails
Om een telescoop of camera op een montage te bevestigen, zijn meestal nog andere kleine onderdelen nodig. Veel montages hebben als aansluitplatform een zwaluwstaartgeleiding. Aan de telescoop- of camerazijde moet dan een passend prismarail worden voorzien. Als er een camera moet worden bevestigd, is een stabiele balhoofd een goede aanvulling.
Opstelling
Een parallactische montage moet zo worden opgesteld dat de uurhoek naar de hemelpool wijst (dus in de buurt van de Poolster). Dit proces staat bekend als "polar alignment".
Het makkelijkst gaat het uitlijnen met behulp van een poolzoeker telescoop. De voorwaarde hiervoor is dat de hemelpool en de Poolster vanaf de observatieplaats zichtbaar zijn en niet bijvoorbeeld door een boom of huis worden geblokkeerd. De poolzoeker telescoop kijkt door de holle uurhoek en toont bij het kijken een markering die de beoogde positie van de Poolster weergeeft.
Ook wordt de afwijking van de Poolster van de ware hemelpool, die momenteel ongeveer anderhalve diameters van de volle maan bedraagt, in aanmerking genomen. Afhankelijk van de uitvoering van de montage en de poolzoeker telescoop hoeft alleen de actuele stand van de Poolster ten opzichte van de pool te worden ingesteld, omdat deze ook eens per dag rond de pool draait.
Vervolgens moeten alleen nog de helling (poolhoogte) en de kijkrichting van de poolas (azimut) zo worden aangepast dat de Poolster in de poolzoeker telescoop op de beoogde plaats te zien is. De helling van de poolas komt overeen met de geografische breedte van de observatieplaats, ongeveer 50 graden voor Frankfurt am Main. Een goede montage maakt het mogelijk om de helling van de poolas fijn af te stellen voor eventuele correcties. De kijkrichting wordt aangepast door een eveneens fijngevoelige azimutverstelling.
Om de "kijkrichting" van de uurhoek, dus het azimut, te verstellen, moeten twee handwielen worden bewogen, die door druk en tegenovergestelde druk op een pen van het statiefplateau werken en het delicate horizontale uitlijnen van de montage tijdens de polar alignment mogelijk maken.
Ook de kantelhoek van de uurhoek, dus de instelling van de poolhoogte, wordt uitgevoerd met behulp van twee handwielen die werken met druk en tegenovergestelde druk. Deze kantelhoek komt overeen met de geografische breedte van de observatieplaats en hoeft alleen maar eenmalig te worden aangepast tijdens de polar alignment.
Zelfs met langere brandpuntsafstanden en langere belichtingstijden is de polar alignment met behulp van een afgestemde poolzoeker telescoop nauwkeurig genoeg. Voor korte belichtingstijden met kortere brandpuntsafstanden is het zelfs voldoende als de Poolster eenvoudigweg in het midden van het gezichtsveld van de poolzoeker telescoop wordt gepositioneerd.
Alleen bij hoge eisen aan de precisie van de polar alignment, zoals bij zeer lange belichtingstijden, lange brandpuntsafstanden, stationaire sterrenwachten of een optimale positioneringsnauwkeurigheid van GoTo-montages, wordt de "Scheiner-methode" aanbevolen voor polar alignment. Dit vereist dat er een telescoop en een draadkruisoculair beschikbaar zijn. Een gedetailleerde beschrijving van deze tijdrovende procedure is te vinden op:
http://www.baader-planetarium.de/montierungen/download/scheiner-klassic.pdf
Na de polar alignment wordt de montage geladen, dwz, het tegenwicht, de telescoop en/of camera worden bevestigd. Vervolgens is het nodig om zowel de uur- als declinatieas in balans te brengen. In ideale omstandigheden blijft de montage dan op zijn plaats staan zonder dat de assen vastgeklemd zijn, ongeacht op welk punt van de hemel hij is uitgelijnd.
Hiervoor wordt een gemonteerde telescoop zo uitgelijnd dat deze exact naar het zuiden (of naar het noorden) wijst en daar op de horizon is gericht, d.w.z. hij bevindt zich in een horizontale positie. Allereerst wordt het tegenwicht op de tegenwichtsstang zo ver axiaal verschoven dat de montage zonder klemmen van de uurhoek in positie blijft zonder te bewegen.
Vervolgens wordt de klemming van de uurhoek aangedraaid en wordt de telescoop in zijn buisklemmen (of door longitudinale verschuiving van de prismarail in zijn houder) langs zijn optische as bewogen totdat ook de declinatieas in balans is.
Zicht vanuit het zuiden op de montage. De telescoop met camera (rechts) is gericht op een punt aan de horizon in het noorden. Door axiale verplaatsing van de tegenwichten (links) wordt een balans gecreëerd, zodat de telescoop zelfs in niet vastgeklemde uurhoek op deze positie blijft.
Vervolgens wordt de verankering van de uurhoek aangedraaid en de telescoop in zijn buisklemmen (of door lengteverplaatsing van de prismarail in zijn houder) langs zijn optische as bewogen totdat ook de Declinatie-as in balans is.
Vervoer
Tijdens het transport van een astronomische montering moeten de tegengewichten worden verwijderd en de klemmen van de uur- en declinatieas worden losgemaakt. Dit beschermt de mechaniek bij eventuele trillingen.
Voorbeelden van geschikte monteringen voor fotografie
Als het gaat om het verkleinen van bagageafmetingen, dan is de "AstroTrac 320x"-montering bijna onverslaanbaar. Dit is een bevestiging voor fotostatieven, te zien in de afbeelding als het aluminiumkleurige deel. Optioneel kan deze montering zelfs worden uitgerust met een poolzoeker (linksboven), maar hiervoor is een statief en statiefkop vereist.
Het is geschikt voor het volgen van camera's met lenzen tot ongeveer 300 mm brandpuntsafstand en eventueel voor zeer kleine en lichte telescopen. Een batterijpak voedt de motor voor het volgen. Ingeklapt is de montering zo groot als een waarschuwingsdriehoek in de auto, maar helaas is de prijs vrij hoog (vanaf 625 euro).
De "Skywatcher EQ-3" vormt het absolute minimum voor gevolgde opnames bij klassieke telescoopmontages, als deze - zoals te zien is op de volgende afbeelding - is uitgerust met motoren. Alleen de kleinste telescopen komen in aanmerking als "nuttige lading", eerder een camera met foto lenzen en geen te lange brandpuntsafstanden. Voor opnames met gematigde brandpuntsafstanden en enkele minuten belichtingstijd is het echter een geschikt platform, dat inclusief statief, motoren en besturing voor ongeveer 230 euro verkrijgbaar is.
De "Celestron Advanced GT" met GoTo-besturing is aanzienlijk stabieler. Het draagt ook middelgrote telescopen met gemiddelde brandpuntsafstand. Bij fotografische eisen in verband met lange belichtingen mag het echter niet overbelast worden; want bij zeer lange brandpuntsafstanden is de precisie van het volgen onvoldoende. Als complete set met statief, poolzoeker en GoTo-besturing kost deze montering ongeveer 750 euro.
De "Vixen GPD2" is een echt "werkpaard" en op alle fronten geschikt voor fotografie en het aanbevelen waard. Het is niet goedkoop en zelfs in de basisuitvoering ontbreken de motoren, maar het draagt ongeveer 8 kg nuttige lading (zonder tegenwicht) moeiteloos en voldoet met zijn mechanische precisie aan alle eisen voor fotografisch gebruik. Het "kale" assekruis zonder statief, besturing, motoren, maar met zeer precieze, verlichte poolzoeker kost 800 euro. Een complete set met snelle motoren, GoTo-besturing, houten statief kan oplopen tot 1800 euro.
De "1200 GTO" van Astro-Physics is een extreem zware, maar toch redelijk draagbare montering, omdat het declinatieblok van de poolhoogte-eenheid gescheiden kan worden en afzonderlijk vervoerd kan worden. Samen wegen ze al meer dan 50 kilogram zonder accessoires. Deze montering is goed ondergebracht in een stationaire sterrenwacht, het draagvermogen is bijna 65 kilogram zonder de tegengewichten! Voor de montering zonder accessoires, maar met GoTo-besturing, moet een bedrag met vijf cijfers worden gerekend.
