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La Flat Field Box
Uno strumento utile per realizzare flat field accurati per la calibrazione delle immagini digitali


Introduzione.

La polvere e la vignettatura sono problemi che producono difetti in ogni immagine CCD o DSLR. Mentre la polvere può essere rimossa dalla superficie del sensore digitale, o dalle lenti ad esso vicine, la vignettatura non può essere fisicamente rimossa, tranne cambiando telescopio. Per risolvere il problema della polvere ho scritto una breve guida sulla pulizia dei sensori delle DSLR. Ma anche dopo aver fatto una pulizia accurata, la polvere può rimanere in piccole quantità, ed è comunque un problema per le immagini. Inoltre ci sono problemi ulteriori, come la non uniformità di sensibilità dei pixel. La soluzione a tutti i problemi citati è l'impiego di un'immagine di calibrazione, chiamata flat field, che corregge individualmente ciascuna immagine grezza, da impiegare dopo la sottrazione del dark, ma prima di ogni altra elaborazione.
Un flat field contiene l'informazione di quanta luce arriva a ciascun pixel. Vediamo un esempio: si punti il telescopio verso uno sfondo uniforme e si riprenda un'immagine. In teoria tutti i pixel dovrebbero ricevere la stessa quantità di luce. Ma nella realtà un pixel potrebbe ricevere 100 fotoni e un altro solo 50. Questo è dovuto al fatto che parte della luce in arrivo al secondo pixel viene assorbita dalla polvere o dalla vignettatura, o ancora il pixel potrebbe essere meno sensibile. Lo stesso rapporto verrò però sempre rispettato, anche durante la ripresa del cielo notturno. Quindi per ricostruire a posteriori la risposta uniforme di tutti i pixel, il segnale del secondo pixel va moltiplicato per 2 (=100/50=riferimento/pixel da correggere). Solitamente un'immagine di flat field viene "normalizzata", ovvero divisa per il suo valor medio. Così il valore medio dell'immagine normalizzata sarà uno. Per correggere l'immagine di profondo cielo bisognerà quindi dividere ciascun suo pixel con ciascun pixel del flat normalizzato. Questi calcoli sono automaticamenre realizzati da tutti i software di elaborazione astronomica.

La ricerca della sorgente uniforme.

Un passo fondamentale per la realizzazione di un buon flat field, è quello di puntare il telescopio a una sorgenti luminosa estremente uniforme. Queste sorgenti sono molto difficili da trovare in natura, con la uniformità necessaria, ed ecco perchè costruire una sorgente di flat field è molto importante. Molte sorgenti possono essere usate, eccone alcune:

Sorgente Pro Contro
cielo del crepuscolo facile da ottenere 1) non perfettamente uniforme

2) ci possono essere stelle nello sfondo (e quindi sarà necessaria una operazione di mediana, dopo la normalizzazione di ciascun flat)

3) luminosità continuamente variabile: solo poche decine di minuti con la giusta luminosità possono essere sfruttati

4)è necessario che la fotocamera sia stata prima messa a fuoco, e quindi raramente il metodo si può applicare al crepuscolo serale

5) se il cielo del mattino è nuvoloso non si possono ottenere flat.

flat di cupola 1)può essere remotizzato

2)si può ottenere sempre

3)luminosità costante

1)serve una cupola...

2)l'interno deve essere veniciato di bianco o ci deve essere un pannello bianco

3)l'uniformità dipende molto dall'illuminazione.

pannello bianco 1)facile da costruire

2)economico

3)può essere usato sempre

4)luminosità costante

non perfettamente uniforme a seconda della posizione della sorgente luminosa

flat field box 1)luminosità estremamente uniforme

2)può essere usato sempre

3)abbastanza economico

4)luminosità costante

abbastanza ingombrante

pannello luminoso 1)luminosità estremamente uniforme

2)molto compatto

3)può essere usato sempre

4)luminosità costante

abbastanza costoso (circa 1€ per millimetro di apertura)

schermo LCD 1)facile da trovare (un pc portatile)

2)può essere usato sempre

3)luminosità costante

1)probabilmente troppo luminoso

2)uniformità dipendente dal modello

maglietta bianca di fronte al telescopio 1) facile da realizzare

economico

2)può essere usato sempre

1)non perfettemente uniforme, a seconda dell'illuminazione

2)contaminazione dovuta alla luce direttamente trasmessa



La mia flat field box .

Dopo aver provato direttamente molti dei metodi sopra descritti, e considerando che vorrei un flat di grande uniformità, ho scelto un compromesso tra qualità e costo e ho realizzato la mia flat field box. Online si trovano molti progetti e ho preso il meglio da ciascuno di essi, al fine di costruire la mia con i materiali disponibili nei negozi della mia zona. Alcuni punti sono importanti:

sorgente luminosa: ho usato LED bianchi per la loro efficienza. Solitamente i led sono dotati di un piccolo proiettore parabolico interno che produce un fascio di luce stretto. Al contrario, per il flat field serve una sorgente quanto più diffusa possibile. Presso un negozio di elettronica ho trovato un nuovo tipo di led piatti, che producono una luce perfettamente diffusa. Inoltre la temperatura colore di essi è di 5000 K (luce calda), più simile alla luce solare rispetto ai led standard da 2500 K (luce fredda) superfici diffondenti: ho trovato e impiegato lastre di plexiglass opale da 2 mm di spessore, ottime per lo scopo.

materiale della scatola: molte soluzioni sono possibili, io ho trovato un materiale simile al cartone ondulato, ma fatto di plastica, facilmente laborabile. Viene venduto come "polionda". luminosità regolabile: è stata ottenuta tramite un potenziometro. Attenzione che è necessario un potenziometro di potenza, come quelli del tipo "a filo". Ecco alcune immagini della costruzione.

Schema meccanico ed elettrico per il mio flat field box da 350mm di apertura.


Le componenti elettriche necessarie, dal basso a sinistra in ordine antiorario: 9 led, 3 resistenze da 100 ohm, un potenziometro a filo da 1 kohm, due connettori maschio/femmina e i connettori standard a banana rosso/nero.


Dettaglio dei 9 let piatti che producono luce diffusa e con temperatura colore di 5000 K.


Un pannello di "polionda" con segnate le posizioni dei led. Un vantaggio di questo materiale è che può essere facilmente forato dai piedini dei led.


Il pannello bianco con i 9 led e il pannello nero col potenziometro e il connettore di alimentazione.


Il retro dei pannelli sopra descritti.


La scatola di polionda deve essere verniciata di bianco sul lato interno. A sinistra, uno dei due pannelli di plexiglass opale. Per incollare le varie parti ho usato colla calda, che produce connessioni molto rigide, che hanno superato (involontariamente) un test di caduta da un'altezza di 1,5 m senra problemi...


Il retro della flat box, con il pannello nero rimosso. Il fissaggio di questo avviene ai quattro angoli con del velcro adesivo.


La flat box da davanti, con solo un pannello di plexiglass, quello centrale. Da notare che l'uniformità è già molto buona anche solo con un pannello, grazie ai led piatti.


Retro della scatola finita, col potenzionetro e il connettore di alimentazione.


La parte anteriore della scatola, con una flangia rotonda per il fissaggio al telescopio.


Immagine dell'uniformità di illuminazione del pannello, ripresa al buio.


Un esempio di flat field ottenuto con la flat box. E' la media di 50 frame da 2 min di posa, usando un filtro H-alfa da 6 nm. La posa lunga è stata scelta per evitare il problema della vignettatura data dall'otturatore con pose corte. Si noti la polvere sul sensore (punti neri e macchie grigie in basso), e sulla lente frontale (ciambelle e filamenti). Inoltre una forte vignettatura è presente nell'angolo in alto a destra, e -molto meno evidente- su tutta l'area, centrata. Infine sono presenti bande orizzontali dovute alla non uniformità di risposta del ccd.


Conclusioni .

Un buon fotogramma di calibrazione è fondamentale per l'astrofotografo esigente. E la flat box è un'ottima sorgente di luce uniforme, oltre che essere abbastanza economica rispetto ad altre soluzioni. Il costo totale per le parti meccaniche ed elettriche è stato di circa 50€, per il pannello da 350 mm. D'altro lato l'ingombro potrebbe essere un problema per l'astrofotografo viaggiante. Ma siccome la flat box la utilizzerò nel mio osservatorio, questo non è un problema.

Qualche altra flat field box:

Giovanni Benintende

Russel Crowman

Jürgen Stein

David Haworth

Mike Dodd, Louise Kurylo

Renzo del Rosso

Ringrazio Olivier Gallati, che mi ha fatto provare la sua flat box da 200 mm alla fine di un'eccellente notte di riprese

Lorenzo Comolli

Sezione Astrofotografia

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