DIY motorisierte Reise-Montierung für Kamera mit Teleobjektiv

AstroFun

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Nachdem die Montierung für mein "großes" Teleskop ( Projekt: Selbstbau einer Dobson-ähnlichen Montierung aus Alu-Profilen ) mechanisch erstmal fertig ist, sollte es jetzt an die Programmierung der Steuerung fürs Guiden gehen. Allerdings war das Wetter in der letzten Zeit doch etwas unfreundlich und es waren nur selten Sterne zum Üben sichtbar. Daher als Einschub ein kleines DIY Reise-Teleskop für einen geplanten Urlaub in einer Gegend mit hoffentlich wenig Lichtverschmutzung.

Es gibt ja sehr nette kleine Smart-Teleskope für Unterwegs, allerdings ist der Hobby-Etat dafür zu begrenzt. Daher Selbstbau, das ist ja auch ein Teil des Spaßes.
Ausgangsbasis war im wesentliches vorhandenes Material, wie ein HANIMEX 1:4, f=300mm Fotoobjektiv mit M42 -Gewinde. Zuerst habe ich daran eine Webcam adaptiert, das war dann aber doch von der Software-Ansteuerung zu limitiert. Daher soll es meine alte Kamera werden (Canon M50), die kann über ein Handy halbwegs und über einen Laptop recht gut ferngesteuert werden.

Für die Motorisierung habe ich zwei Getriebemotoren bei Ebay gekauft (je 16 Euro), die haben einen Gleichstrommotor und eine Untersetzung von etwa 1:200. Die Gleichstrommotoren wurden durch Schrittmotoren ersetzt, mit Microstepping 1:16 ergibt das eine Schrittweite von ca. 3 Bogensekunden. Das ganze ist nicht schön, aber tut erst mal. Insgesamt sind es zwei Teile, einmal der Block mit den beiden Motoren und dann die Schelle für das Objektiv. Das Objektiv wiegt ca. 1.3 kg, bei einer Halterung am Kameragehäuse würde sich das verziehen. Allerdings wird dadurch das Fokussieren etwas schwierig (Drehen der Kamera), aber meistens ist der Fokus auf ja unendlich. Die Montage der beiden Teile geht sehr einfach über zwei Rändelmuttern.

Das Stativ ist eher schwächlich, aber unter freundlichen Bedingungen ohne Wind schwingt es nicht. Mit den Schrittmotoren kann die Kamera sehr genau bewegt werden. Die Schrittmotoren werden über einen Arduino UNO mit grbl angesteuert. Für die Computer-Steuerung soll es wahrscheinlich ein alter Windows Laptop werden, die Software möchte ich in Python selber schreiben.
 

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Zu dem Projekt habe ich eine Frage:

Die Montierung ist Azimutal. Um damit nachzuführen, müssen beide Motoren bewegt werden. Gibt es eine "Formel", mit der die "Bewegung" der Sterne berechnet werden kann abhängig von der Position des Beobachters und der des beobachteten Objekts? Damit können dann die Motoren entsprechend angesteuert werden. Das zusätzliche Drehen der Einzelbilder beim Stacken geht mit Software, das habe ich schon programmiert.
 
Heute habe ich die Montierung an einem Strommast getestet. Vertikal läuft das super, sehr genaue Positionierung ohne Umkehrspiel. Hier ist die Kamera nicht ganz im Schwerpunkt montiert und macht eine Art Vorspannung. Horizontal ist das Umkehrspiel deutlich. Entweder wird das per Software kompensiert oder da kommt eine Feder rein.

Dann habe ich das eingebaute alte Objektiv HANIMEX 1:4, f=300mm, M42 Gewinde mit einem Canon EF 75-300 mm, 1:4-5,6, Bajonett EF verglichen. Das Ergebnis hat mich doch überrascht: das modernere Canon Objektiv hat eine deutlich bessere Auflösung und einen deutlich höheren Kontrast als das Altglas (Vergütung ?). Ich hatte zuerst das HANIMEX eingebaut, da das mit einem Öffnungsdurchmesser von 74 mm eine zweimal größere Lichteintrittsfläche im Vergleich zum Canon hat (Öffnungsdurchmesser 52 mm). Aber die besseren Abbildungseigenschaften und das geringere Gewicht (725 g statt 1273 g) sprechen doch für das Canon Objektiv.

Also ist die Halterung jetzt für das Canon Objektiv umgebaut. Jetzt geht es an Programmieren zum der Motorisierung und dann muss die Elektrik noch schöner.
 

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Zum Testen der Nachführung habe ich gestern die Kamera mit dem Canon-Objektiv aus einem Fenster in Richtung Osten gehalten, https://nova.astrometry.net/upload meint der helle Stern in der Mitte der Bilder heißt Zosma. Mit der Motorisierung lassen sich einzelne Stern präzise in die Mitte des Kamerabildes einstellen.

Ohne Nachführung bei kurzer Belichtungszeit und hoher Verstärkung (1s, ISO 8000) ist wenig sichtbar und es rauscht erheblich (Bild 1). Bei längerer Belichtung und niedrigerer Verstärkung (62s, ISO 400) gibt es wie erwartet Striche (Bild 2).

Mit Nachführung machte die Montierung regelmäßig alle 2 Sekunden vertikale und horizontale Schritte von jeweils nominell 30''. Diese Werte wurden empirisch bestimmt für möglichst wenig Versatz des Sterns in der Mitte. Mit dieser Nachführung sieht ein Bild mit den gleichen Belichtungsparametern wie in Bild 2) schon deutlich besser aus und die Sterne sind wieder halbwegs rund (Bild 3 ). Das sieht schon mal gar nicht so schlecht aus und die Selbstbau-Montierung arbeitet vernünftig.

Als letztes habe ich mit Nachführung eine Serie mit 50 Einzelbildern gemacht, ein Bild (1s, ISO 400) alle 5s. Die Bilder wurden anschließend mit einem selbstgeschriebenen Programm gestackt und die Einzelbilder wurden dabei automatisiert einmal bezüglich Intensität und Schärfe selektiert, dann parallel verschoben, und dann rotiert. Im Ergebnis sind die Sterne noch etwas schärfer als bei der Langzeitbelichtung (Bild 4).
 

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Da das Stativ für Fotos aus einem Fenster doch zu unflexibel ist und der Drehkopf ziemlich wackelt, habe ich jetzt eine flexiblere Halterung gebaut. Einmal für das Stativ ohne den wackeligen Drehkopf, dann mit einer Klemm-Halterung z.B. für Tische oder Fensterbänke, und dann für eine Klemm-Halterung mit Ausleger aus dem Fenster raus. Die Multi-Halterung ist viel stabiler als das Stativ vorher und lässt sich schnell montieren. Anbei ein paar Fotos zu Illustration.

Die Aufnahmen mit der Foto-Kamera sind leider auch nicht optimal. Man muss 2 Programme handhaben (Motor- und Kamera-Steuerung), und die EOS-Utilities zur Kamera-Steuerung erlauben z.B. keine Einstellung der Intensität des Vorschaubildes. Dadurch wird das Suchen erschwert, da die Motorisierung für ein GoTo noch nicht genau genug kalibriert ist. Trotzdem gab es gestern einen Schnellschuss von den Plejaden.
 

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    Canon f300, tracking x=50'' y=-30'', stacked 50x, 1s, ISO 20000 Plejaden.jpg
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Um das Reise-Teleskop testweise komplett mit selbst geschriebener Software zu betreiben habe ich die Kamera Canon M50 durch die
ZWO ASI 071 MC Pro Color (nicht gekühlt) von meinem "großen" Teleskop ersetzt. Das Objektiv ist ein altes M42 Fotoobjektiv HANIMEX 1:4, f=300mm.

Die Testobjekte lagen diesmal im Osten, hier ist die Lichtverschmutzung aber deutlich, unterstützt durch eine freundliche Straßenlaterne direkt vor dem Fenster.
Trotzdem wollte ich es mal mit Nebeln probieren, mein allererster Versuch. Mit Stellarium habe ich mir welche im Sichtbereich rausgesucht und dann mal ausprobiert.

Angeschaut habe ich mir unter anderem M63, hier mit Exp=0.9s, Gain 600, 193 Einzelbilder. Die Einzelbilder wurden wieder gestackt inklusive Filterung, parallel-Verschiebung und Rotation.

Da es sich um eine mit Schrittmotoren angetriebene azimutale Montierung handelt, ist eine kontinuierliche Bewegung für lange Belichtungszeiten schwierig zu realisieren. Auch eine Rotation ist nicht eingebaut. Deshalb die vielen Einzelbilder mit eher kurzen Belichtungszeiten, die dann im Nachgang gestackt werden. Trotzdem ist die gesamt Belichtungszeit von ca. 170 s sehr kurz im Vergleich zu den Stunden, die ich im Forum bei anderen Bildern gefunden habe.

Immerhin ist der Nebel schwach zu erahnen (im roten Kreis), aber ohne Konturen. Wie gesagt, das ist mein erster Versuch in Richtung Nebel, mit einer sehr einfachen Ausstattung und bei hoher Lichtverschmutzung.

Um das Ergebnis besser einzuschätzen, bin ich sehr an einen Vergleich mit Beispielen von Geräten mit ähnlicher Ausstattung (f300, Öffnung 74 mm) interessiert, z.B. von einem Smart-Teleskop.
 

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Mein erster Versuch einen Nebel zu fotografieren hat mir im wesentlichen zwei Dinge gezeigt, erstens es macht Spaß und zweitens mit dem Foto-Objektiv sind Nebel eher sinnlos.

Daher habe ich mir ein gebrauchtes SkyWatcher Skymax-102 besorgt mit einem Öffnungsdurchmesser von 102mm und einer Brennweite von 1300mm. Das ist schon etwas größer als das Foto-Objektiv, aber noch Reise-kompatibel.

Das Skymax passt auf die Selbstbau Reise-Montierung, nur die Fensterbank-Halterung musste etwas umgebaut werden. Die Motoren ziehen das zusätzliche Gewicht (1.9 kg statt 1.3 kg) ohne Probleme und das Teleskop lässt sich frei drehen.

Die Verbesserung gegenüber dem Fotoobjektiv ist wirklich beeindruckend. Mangels sternklarer Nächte mal wieder das Schild und den Strommast zum Testen. Hoffe auf sternklare Nächte zum richtigen Ausprobieren.
 

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Sucher-Kamera

Mit der jetzt deutlich höheren Vergrößerung durch das Skymax macht eine Sucher-Kamera Sinn.
Daher habe ich diverse vorhandene Kameras getestet. Die Software war jeweils SharpCap eingestellt auf maximal mögliche Intensität.

1) Kamera-Modul (ELP-USB3MP01H-L37, high sensitivity, Chip AR0331, 1/3", 2048 x 1536) mit Objektiv "Türspion": Rauschen, schlechte Auflösung, unbrauchbar im dunkeln

2) Hama Webcam (1080x720, manueller Fokus): Rauschen, schlechte Auflösung, unbrauchbar im dunkeln

3) Bresser Mikrocam 5 MP mit Objektiv F1.6 16 mm: trotz Belichtungszeit bis 2 s wenig empfindlich und deutliches Rauschen, kaum brauchbar im dunkeln

4) HAYEAR HY-500B (40 Euro bei Ali-Express) mit Objektiv F1.6 16 mm: erstaunlich wenig Rauschen, viele Sterne gut sichtbar.
Allerdings ist die Belichtungssteuerung in SharpCap etwas skuril: die FPS (frames per second) muss auf 2 eingestellt werden und die Belichtungszeit auf Minimum (die Skala ist invertiert), das ergibt eine maximale Belichtungszeit von etwa 6 s.

Die Einbindung der HY-500B mit Belichtungssteuerung in Python ist etwas fummelig, sollte aber gehen.
 

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Abbruch wegen zu rucklig laufender Getriebe

Nach diversen Test breche ich hier ab, die Getriebe aus den günstigen Linearmotoren laufen einfach zu ruckelig. Zum GoTo Anfahren reicht es, aber mit dem Tracken wird das nichts. Zum Tracken habe ich zwei Methoden ausprobiert, einmal quasi kontinuierlich und dann diskret.

Beim quasi kontinuierlichen Tracken liefen die Schrittmotoren mit der kleinsten Schrittweite von 1'' und die Schritt-Frequenz war typisch 5-10 Hz, abhängig von der Sternenposition. Bei typischen Belichtungszeiten von 5 s sah es so aus als ob die Sterne hin und her springen und auf den Bildern waren sie deutlich verbreitert gegenüber Bildern mit kurzer Belichtungszeit von 0.5 s.

Beim diskreten Tracken war der Ablauf: Bild mit kurzer Belichtungszeit von 0.5 s, Nachführen, nächstes Bild usw. Das ging im Prinzip ganz gut, aber das Speichern der Bilder dauert jeweils etwa 2s und damit werden 2.5 s Messzeit für 0.5 s Belichtungszeit benötigt. Dadurch werden längere Belichtungszeiten sehr zeitaufwändig. Zusätzlich springen die Sterne teilweise auch hier und mein Programm zum automatisierten Stacken kann den Sternen nicht immer zuverlässig nachfolgen.

Insgesamt hat das am Ende immer weniger Spaß gemacht und ich habe über Alternativen nachgedacht. Dann habe ich schweren Herzens einen alten optischen Monochromator "geschlachtet" und zwei Präzisionsdrehtische PI M-60.DG ausgebaut. Damit geht es in die zweite Runde: DIY motorisierte Reise-Montierung, Version 2 mit Präzisionsdrehtischen
 

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