Filtros para astrofotografía

NOTA: Este artículo ha sido publicado en el número 75 de Amateur Astrophotography Magazine

En astrofotografía, al igual que en la fotografía convencional, lo que hacemos es capturar la luz en un momento determinado y registrarla con la ayuda de nuestro equipo fotográfico. Antigualmente usando distintos productos químicos, películas y papeles, y hoy día, usando sensores de silicio de alta resolución y gran capacidad de captación de luz.

Para poder hablar de filtros en astrofotografía es preciso que hablemos primero de la luz ya que al entender sus principios podemos entender mejor el mecanismo de funcionamiento de estos filtros.

La luz

La luz tal y como la entendemos hoy día es una combinación Onda-Partícula (es algo complejo explicarlo aquí y mis conocimientos de física cuántica no llegan a tanto, pero para eso tenemos la wikipedia ). Está compuesta de "partículas" llamadas fotones que se comportan como una onda electromagnética que se mueve a la velocidad de la luz.

Espectro visible

Dependiendo de la frecuencia de un haz de luz podemos situarlo en un área del espectro electromagnético. Sólo una pequeña porción del espectro electromagnético es visible para los seres humanos, definida entre las longitudes de onda desde los 380nm hasta los 780nm.

El resto del espectro electromagnético

Sin embargo existen multitudes de frecuencias del espectro electromagnético que conocemos y que no son visibles para el ser humano aunque muchos de nosotros las usemos casi a diario.

Las longitudes de onda más pequeñas de 380nm pertenecen a los ultravioleta (que como su nombre indica son los que están más allá del violeta). En esta parte del espectro se encuentran los rayos UV (que recibimos en pocas cantidades desde nuestro sol y atenuados por la capa de ozono), rayos x (usados en técnicas médicas de radiodiagnóstico), rayos gamma (explosiones cósmicas emiten radiación en esta parte del espectro). Todos ellos, frecuencias y rayos de alta energía capaces de ionizar la materia y romper enlaces químicos, lo que los hace peligrosos para la vida.

Las longitudes de onda mayores de 780nm son los infrarojos. Aquí se encuentran las ondas infrarojas (las radiaciones caloríficas de nuestro cuerpo se emiten en gran parte en esta frecuencia), las microondas (que casi todos usamos para calentar alimentos de forma rápida) y las ondas de radio (móviles en todas sus bandas, WiFi, radiofrecuencia para abrir el garaje, la radio que escuchamos en el coche y muchos otros ejemplos).

Funcionamiento de los filtros

Ahora que sabemos cómo se comporta la luz podemos imaginar como funciona un filtro. Básicamente, cuando la luz pasa a través de un filtro, se atenúan o bloquean determinadas longitudes de onda mientras que deja pasar otras.

Esto normalmente se consigue recubriendo los vidrios de los filtros con distintos elementos químicos que bloquean las longitudes de onda no deseadas, dejando pasar las que nos interesan.

En la imagen se aprecia que el vidrio del filtro tiene un recubrimiento que refleja la luz de forma diferente a un vidrio normal.

Demostración de funcionamiento de un filtro

Hace un tiempo publiqué un tweet en el que mostraba como actuaba un filtro de contaminación lumínica svbony que había comprado en Aliexpress unas semanas antes.

En el lado izquierdo de la foto se puede ver el espectro de una lámpara fluorescente de vapor de mercurio que he obtenido usando un espectrógrafo casero. En el lado derecho se ve el espectro de la misma lámpara al colocar el filtro delante de la entrada de luz del espectrógrafo.

En la imagen de la derecha podemos ver que el filtro ha bloqueado algunas longitudes de onda visibles mientras que ha dejado pasar otras.

La gráfica de especificaciones de este filtro es la siguiente:

Como podemos ver, la gráfica indica que se bloquean todas las longitudes de onda excepto las de las zonas roja y azul del espectro visible. Si lo comparamos con la imagen anterior podemos ver en la imagen de la derecha que las únicas longitudes de onda que ha dejado pasar son precisamente la Azul y la roja.

¿Para qué querríamos usar filtros en astrofografía?

Los filtros son muy útiles en la fotografía digital y sobretodo en la astrofotografía. En la astrofotografía científica interesa aislar determinadas longitudes de onda para hacer estudios específicos, o eliminar señales que interfieren en las señales que realmente se desea estudiar.

En astrofotografía de aficionado el problema que más comúnmente resuelven los filtros es el de eliminar la contaminación lumínica de nuestras imágenes, aunque también se suelen usar para aislar determinadas longitudes de onda para procesarlas por separado en las imágenes como es el caso de las emisiones en Hidrógeno Alpha.

También es especialmente "dañina" para nuestras imágenes la radiación infraroja. Las estrellas emiten radiación infraroja que al ser captada por la cámara hace que aparezcan halos a su alrededor y mostrándolas mucho más gruesas de lo que apreciamos a simple vista. Este efecto es llamado comúnmente "Star Bloating" y se puede atenuar usando filtros que bloquean la radiación infraroja.

Filtros en las cámaras digitales

Si has utilizado una cámara digital compacta, una cámara réflex o la cámara de un móvil, has utilizado filtros quizás sin saberlo.

Las cámaras digitales hacen uso de sensores de silicio con millones de pequeños detectores de fotones. Cuando tomamos una foto y abrimos el obturador, lo que hace el sensor es contar en cada detector el número de fotones que le llegan e ir sumándolos en su memoria interna.

Al cerrar el obturador y finalizar la captura, la cámara traduce esas cuentas de fotones a valores en una matriz que conforma la imagen final que obtenemos. Hay muchos más pasos en el proceso y múltiples elementos y factores que no he nombrado para facilitar la comprensión del concepto.

Las cámaras monocromas sólo captan la intensidad de la luz en cada pixel sin obtener información acerca de la longitud de onda de los fotones que detectan. Esto significa que descartan parte de la información de la imagen, con lo cual no pueden obtener información del color por si mismas.

Sin embargo, haciendo uso de los filtros podemos obtener la información del color.

El color en la fotografía digital

En la fotografía digital se utiliza la propiedad aditiva de los colores de manera que usando sólo tres colores se pueden obtener todos los demás. Estos colores son los colores primarios en el sistema aditivo de luz, y son el rojo, el verde y el azul, que normalmente se denominan RGB por sus siglas en inglés (Red, Green Blue).

Este principio es el que se usa en los televisores a color, proyectores, pantallas de móviles, y por supuesto en los sensores de las cámaras digitales.

Las cámaras a color, o cámaras OSC (One Shot Color) y las cámaras réflex digitales, ya incluyen una forma de captar el color. El sensor de la cámara está cubierto por filtros microscopicos RGB que forman un patrón sobre los captadores de luz del sensor. Este patrón se llama Matriz o Mosaico de Bayer , inventado por Bryce Bayer de Kodak.

El principio de funcionamiento de este mosaico es que cada pixel obtiene un valor para un color del patrón, y mediante un algoritmo de interpolación, se determina de qué color debería ser un píxel concreto en base a los valores de si mismo y los píxeles adyacentes.

Podríamos decir que una cámara a color, es una cámara filtrada, y debido a ello, suelen ser menos sensibles que las cámaras en blanco y negro.

Además, las cámaras a color tienen un filtro que evita que la radiación infraroja no sea detectada por el sensor. El problema de este filtro es que filtra gran parte de la señal de tonos rojos e infrarojo cercano de la imagen, en la que emiten muchos objetos del cielo. Por eso es muy común que los astrofotógrafos hagan una "astroconversión" de su cámara para eliminar ese filtro y sustituirlo por uno más adecuado o directamente no ponerlo en absoluto.

Tipos de filtros astronómicos

Aunque existen variedad de filtros astronómicos, sólo voy a nombrar los filtros más usados en astronomía de aficionado y su utilidad. Existen multitud de ellos orientados a todo tipo de aplicaciones.

Filtros usados en cámaras monocromas

• Filtro de Luminancia: Filtro utilizado para obtener la mayor señal posible en blanco y negro sobre el objeto fotografiado. En realidad es un filtro que sólo deja pasar el espectro visible y bloquea los Infrarojos y Ultravioletas.
• Filtros RGB: Son tres filtros que permiten pasar sólo las frecuencias de Rojo, Verde y Azul de forma independiente. El uso combinado de estos filtros junto a la señal obtenida con un filtro de luminancia permite obtener imágenes a color con cámaras monocromas.

Los filtros RGB no tienen sentido para una cámara a color ya que los incluye en la matriz de Bayer y filtrar un color dos veces nos va a hacer perder señal. Sin embargo, el filtro de luminancia evita el engordamiento de las estrellas al bloquear la radiación infraroja, y se usa también en cámaras a color que no incluyen filtro infrarojo.

Estos filtros se suelen vender en packs como el pack Optolong LRGB o el pack de filtros ZWO LRGB

Filtros de banda estrecha

Los filtros de banda estrecha, como bien indica su nombre, dejan pasar tan sólo una mínima parte del espectro. Muchos de los objetos celestes emiten en una serie de longitudes de onda de interés para los astrónomos, y para aislar esas señales y procesarlas por separado se han creado filtros específicos para esas frecuencias. Los más usuales son:

• Filtro H-Alfa: El filtro H-Alfa bloquea todas las emisiones excepto las zonas cercanas del espectro a los 656.28nm. Esta frecuencia concreta es emitida por el contenido de hidrógeno ionizado de las nubes de gas en el espacio. Es muy utilizado también en astronomía solar en conjunto con un filtro infrarojo para evitar que los rayos infrerojos deterioren la cobertura del filtro H-Alfa.
• FIltro OIII: El filtro OIII o de Oxígeno doblemente ionizado deja pasar sólo las longitudes de onda entre 500.7nm y 495.9nm que corresponden a los colores turquesa y cyan. Son muy útiles para pbservar nebulosas planetarias y difusas en las que suele haber niveles concentrados de OIII.
• Filtro SII: Los filtros de Azufre Ionizado permiten pasar la luz entre 671.7nm y 673nm emitida por algunas nebulosas.

Se pueden adquirir por separado on en packs como los filtros de banda estrecha Optolong.

Estos tres filtros juntos permiten procesar las imágenes con la llamada Paleta del Hubble, quedando las imágenes con un aspecto parecido al de las fotos del telescopio espacial.

Estos filtros pueden ser usados tanto en cámaras monocromas como cámaras a color ya que aislan longitudes de onda muy cortas.

Filtros para uso en cámaras a color

• Filtros IR/UV: En esencia es el mismo filtro de luminancia que se usa en las cámaras monocromas para evitar que las estrellas se engorden demasiado en la imagen.
• Fiiltros de banda estrecha dual, triple...: Los filtros de banda estrecha duales, triples y de otros tipos son útiles en las cámaras a color porque en una sola toma permiten sacar la combinación de las bandas estrechas sin tener que hacer cada una por separado.

Dos de los más conocidos son el Optolong L-eNhance y el Optolong L-eXtreme. La diferencia entre uno y otro es que el L-eXtreme restringe el paso de la longitud de onda del Hidrógeno beta, mientras que el l-eNhance si la deja pasar.

Filtros de contaminación lumínica

• CLS: Los filtros CLS o "City Light Supression" son filtros que bloquean en parte las longitudes de onda de las emisiones lumínicas de las luces más comunes en las ciudades como las lámparas de vapor de sodio. Hoy día hay filtros CLS que bloquean parte de la emisión de las luces LED y otras fuentes de iluiminación no deseadas.
• CLS-CCD: Este tipo de filtro es específico para camaras que no cuentan ya con filtros IR/UV. Este filtro combina la capacidad de filtrar los infrarojos y los ultravioletas junto a la capacidad de bloquear las mismas frecuencias que un filtro CLS normal.
• Filtros de banda estrecha: Aunque los filtros de banda estrecha no son filtros de contaminación lumínica "per-se", son filtros que debido a que bloquean la gran mayoría del espectro se pueden usar para captar imágenes en sitios con alta contaminación lumínica.

Conclusiones

Existen multitud de filtros utilizados en astronomía (sobretodo planetaria) para aplicaciones específicas que no he incluido en el artículo por falta de conocimiento ya que me centro normalmente en astrofotografía de cielo profundo. Quizás en un futuro me anime a escribir más sobre filtros concretos a medida que aprenda más sobre ellos y pueda probarlos.

Espero que este articulo haya arrojado un poco de luz (ba-dum-tss) al tema de los filtros y que podamos entender mejor qué filtros nos interesan según el uso que queramos darles.

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