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Notas sobre guiado con lámina refractora
A. Pulido 7-12-2014
Modificado 7-12-2014
El problema del guiado:
En fotografía astronómica de larga exposición, la imagen que se forma sobre el sensor de la cámara principal se desplaza aleatoriamente (por la turbulencia, defectos mecánicos de la montura ...) o sistemáticamente (por error periódico de la montura, mal alineamiento a la polar, flexión de la montura, refracción atmosférica...). Como resultado, la imagen final pierde nitidez y calidad.
Una solución a este problema es hacer guiado utilizando una segunda cámara o una cámara con dos sensores. Se utilizan tres posibles configuraciones. La primera consiste en una cámara con dos sensores. El principal y al lado otro sensor para guiado. Otra posibilidad es usar una cámara de guiado y un prisma fuera de eje. Y por último tener un pequeño telescopio solidario con el tubo principal con una cámara para el guiado acoplada.
Cada cierto tiempo la cámara de guiado hace una toma que es analizada por un programa de guiado (PHD2 por ejemplo). Este programa analiza la imagen y calcula de cuanto se ha desviado la estrella guía respecto a la posición inicial. A continuación envia unos comandos a la montura para corregir la posición del tubo. El proceso se repite una y otra vez.
O sea:
-- se captura una imagen con la camara de guiado (tiempo de captura = Tc)
-- se analiza la imagen para calcular el desplazamiento que hay que corregir (tiempo analisis = Ta)
-- se manda el comando a la óptica activa que desplaza la imagen (tiempo respuesta OA = Toa).
La suma de los 3 tiempos define la bondad del sistema de guiado.
Tiempo de respuesta del sistema: Tguiado = Tc + Ta + Toa.
El inconveniente de esta forma de guiar es que los comandos son enviados directamente a la montura y lo que movemos es la montura entera. Como la montura pesa varios o muchos kilos, es evidente que las correcciones muy pequeñas son prácticamente imposibles.
Óptica activa por lámina refractora:
Surge pues la idea de la óptica activa (o adaptativa, según gustos) que consiste en corregir los errores pequeños no con movimientos de la montura sino con inclinaciones de una lámina refractora interpuesta en el camino de la luz hacia los sensores de las cámaras. O sea los errores pequeños se corrigen inclinando la lámina. Y cuando ya la lámina llega al límite de su movimiento posible, se envían comandos directamente a la montura para que la lámina vuelva a trabajar dentro de sus límites.
Hay que anotar que la luz que forma la imagen sobre el sensor principal y sobre el sensor de guiado es desviada por la lámina refractora. Con lo cual la corrección se hace a la vez para ambos sensores.
Cálculos para guiado con lámina refractora:
El objetivo del telescopio forma la imagen sobre el sensor de la cámara de guiado.
Entre el objetivo y la cámara se interpone una lámina de vidrio paralela a la superficie del sensor.
Al inclinar la lámina, la luz que la atraviesa es desviada por refracción, lo que resulta en un desplazamiento de la imagen sobre el sensor de la cámara.
Cálculo del desplazamiento de la imagen
Suponiendo una lámina con:
- índice de refracción = n
- espesor = e
- ángulo de incidencia del haz de luz = i
- ángulo refracción = r
Aplicando la fórmula
sen(r) = sen(i) / n
se puede calcular el desplazamiento d de la imagen sobre el sensor:
d = e * sen(i-r) / cos(r)
Parámetros de construcción del sistema:
Lámina:
- espesor = e
- índice de refracción = n
- diámetro útil
Actuadores:
- total pasos pico a pico
- inclinación (grados) de la lámina por paso de actuador
- velocidad (pasos/sec)
Características que interesan para el guiado:
Más que los parámetros de construcción, lo que importa son las características útiles al guiado:
- desplazamiento de la imagen por paso del actuador (en um/paso) (sensibilidad)
- desplazamiento total de la imagen (+/- mm) (amplitud)
- número mínimo de pasos para provocar el movimiento de la lámina (holgura, resistencia estática)
- velocidad de desplazamiento en el centro (mm/s) (velocidad)
- velocidad de desplazamiento en los límites (mm/s) (velocidad)
- tiempo de respuesta (ms): tiempo que tarda el sistema en mover un actuador en respuesta al comando recibido desde el programa de guiado.
Estas medidas del desplazamiento se dan en mm y no en grados para que sea más fácil comparar distintos sistemas entre sí independientemente de la focal del tubo utilizado.
Notas:
El índice de refracción n viene a ser cercano a 1,5 para los vidrios normales.
El diámetro útil de la lámina debe permitir el paso libre de luz hacia los sensores.
La velocidad de desplazamiento en el centro y en los límites puede ser la misma o no. Según el tipo de actuadores.
Sistemas comerciales para aficionados:
El primer sistema de óptica activa por lámina refractora para aficionados quizás sea el AO-L de Sbig que apareció sobre el año 2005 (?).
Actualmente (2014) existen tres fabricantes de ópticas activas por lámina refractora.
- SBIG:
Sbig AO-L
Sbig AO-8 ¿ 2007 ?
Sbig AO-X
- StarLight
SXV-AO
SXV-AO-LF ? 2012 ?
- Orion
SteadyStar
Las láminas son de vidrio BK7 con tratamiento antireflectante.
Los actuadores son motores de paso excepto para el Sbig AO-X que utiliza un sistema electromagnético de bobinas más imanes.
Algunos programas de guiado permiten trabajar con las OAs comerciales. Por ejemplo el PHD2 admite la StarLight-AO.
Comparación de los sistemas comerciales:
No es posible comparar adecuadamente los AOs existentes ya que los fabricantes no dan todos las características técnicas.
Sbig AO-8:
* Lámina de espesor 6 mm y diametro ?? mm.
* 2 motores de pasos con reductora.
* Inclinación máxima de +/- 9,6 grados.
* Desplazamiento máximo de la imagen +/- 0,346mm.
* Desplazamiento 0,0027 mm por paso.
* Espesor del AO 48,3 mm.
Sbig AO-L: (Adaptive Optic–Large Format)
* Lámina de espesor 6 mm y diámetro 75 mm.
* 2 motores pap con reductora.
* Inclinación máxima de +/- 4,6 grados.
* Desplazamiento máximo de la imagen +/- 0,165mm.
* Espesor del AO 35 mm.
Sbig AO-8T:
* Para las cámaras de la serie STT.
Sbig AO-X:
* Para las cámaras de la serie STXL y STX.
* Mecánica tipo brújula de barco.
* Actuadores electromagnéticos (bobinas más imanes).
* Lámina de espesor 10 mm y medidas no claras.
* Lámina rectangular de 1.5" x 2" ??? y espesor 10 mm.
* Large (3" aperture) optical element ???
* Desplazamiento máximo de la imagen +/- 0,144mm.
* Desplazamiento mínimo 0,0013 mm.
* Recibe los comandos directamente desde la cámara por puerto I2C.
* Medidas : 175 x 154 x 30 mm. Peso 880 gramos.
SXV AO:
* Lámina de espesor 12mm y diámetro 40mm.
* Medidas : diámetro 112mm x 32mm largo. Peso 500 gramos.
SXV AO-LF:
* Lámina de espesor 13mm y diámetro 60mm.
* Ancho 44mm sin OAG
* Medidas : diámetro 132mm x 38mm largo. Peso 700 gramos.
Características comunes al SXV AO y al SXV AO-LF:
* Se controla por puerto RS232.
* Cuatro motores de pasos. Cuatro vueltas de motor cubren todo el recorrido.
* Movimiento limitado a +/-50 pasos. Más allá se actua sobre la montura.
* Inclinación máxima de +/- 3 grados.
* Desplazamiento máximo de la imagen +/- 0,150mm.
* Desplazamiento calculado de la imagen por paso de actuador = 1,5 um.
* Corrección de la posición de la imagen en pocos milisegundos (=?).
* Aconseja exposiciones de 0,1 segundos para la cámara guia.
* Cada motor tiene un interruptor límite de carrera. Sin embargo, según el manual son posibles atascos (por mal diseño) de la mecánica que se solucionan con un destornillador (sic). Además StarLight ofrece tres versiones de firmware con diferentes límites de carrera: 40, 50, y 60 pasos.
Orion SteadyStar:
* Lámina de espesor 8mm y diámetro 40mm.
* Cuatro motores de pasos.
* Desplazamiento 0,00214 mm por paso.
* Desplazamiento máximo de la imagen +/- 0,214mm.
* Capaz de hacer 40 correcciones por segundo.
* Trae el prisma para off axis guider integrado.
* Inclinaciones de alta velocidad 1.25ms por paso, 60 grados/segundo.
* Inclinación máxima de +/- 4,4 grados.
Resumiendo:
-- las láminas tienen espesores de 6 a 13 mm.
-- la amplitud del desplazamiento total de la imagen sobre el sensor va de +/- 0,150 mm a +/- 0,346 mm.
-- el desplazamiento de la imagen sobre el sensor producido por un paso del actuador es 1,29 um para la sbig AO-X, y de 2,14 um para la Orion SteadyStar.
-- el tiempo que tarda en recorrer la amplitud del desplazamiento total varía de 45 ms para la Sbig AO-L hasta los 500 ms de la Sbig AO-8. Pasando por los 125 ms de la Orion SteadyStar.
Por consiguiente unos valores medios serían aproximadamente:
-- amplitud desplazamiento total = +/- 0,2 mm
-- desplazamiento por paso de actuador = 1,5 um
-- tiempo de recorrido desplazamiento total 100 ms.
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