Il telefono al posto dell'occhio: fotografare all'oculare del telescopio

Un pianeta nell’oculare produce sempre la stessa reazione: la mano va in tasca. Si appoggia il telefono al vetro, si guarda lo schermo, e c’è il nero. Oppure una macchia bianca che scivola via appena si respira. Quasi tutti concludono di avere le mani poco ferme e sbagliano diagnosi. Sopra l’oculare, a qualche millimetro di distanza, galleggia un dischetto di luce largo due millimetri e mezzo, e la fotocamera del telefono deve starci dentro.

Due sistemi ottici messi in fila

La tecnica si chiama afocale ed è quello che sembra: il telescopio con il suo oculare da una parte, il telefono con il suo obiettivo dall’altra, uno dietro l’altro. Chi lavora con una reflex toglie l’obiettivo e mette il sensore nel fuoco del telescopio; su un telefono l’obiettivo è incollato lì dov’è, e resta una strada sola. L’oculare rimanda in aria un fascio di raggi paralleli, come se l’oggetto stesse all’infinito. L’obiettivo del telefono, messo a fuoco all’infinito, quel fascio lo raccoglie e lo deposita sul sensore. Ognuno fa il mestiere per cui è stato costruito, ed è il motivo per cui funziona.

Il conto della scala sta in una riga. Un catadiottrico da 200 millimetri a f/10 ha duemila millimetri di focale; con un oculare da 25 millimetri l’ingrandimento è ottanta, perché l’ingrandimento è il rapporto tra le due focali. L’insieme si comporta come un teleobiettivo la cui focale vale ottanta volte quella dell’obiettivo del telefono. La focale reale di una fotocamera principale sta fra cinque e sette millimetri (i «24 millimetri equivalenti» sono una conversione di formato, calcolata a valle). Prendendo sette, il sistema arriva a 560 millimetri di focale reale davanti a un sensore che di diagonale ne misura sette scarsi.

Il dischetto di luce, e sette decimi di millimetro

Quel dischetto sospeso sopra l’oculare si chiama pupilla d’uscita, e il suo diametro si ottiene dividendo la focale dell’oculare per il rapporto focale del telescopio: 25 diviso 10 fa 2,5 millimetri. Da lì passa tutta la luce che lo specchio ha raccolto. L’obiettivo del telefono, sette millimetri di focale a f/1.8, ha una pupilla d’ingresso di 3,9 millimetri. Perché il fascio entri per intero, il cerchio da 2,5 deve stare dentro il cerchio da 3,9, e il margine laterale disponibile è la metà della differenza. Sette decimi di millimetro. Nessuno tiene un telefono a mano libera dentro sette decimi di millimetro, ed è per questo che gli adattatori seri montano due viti micrometriche al posto di una pinza qualunque.

Poi c’è la distanza, che perdona anche meno. La pupilla d’uscita sta a una quota precisa sopra la lente dell’oculare, e quella quota si chiama estrazione pupillare. Gli schemi classici la legano alla focale: per un Plössl i costruttori la dichiarano attorno al settanta per cento della focale dell’oculare, il che su un 6 millimetri lascia poco più di quattro millimetri d’aria. Un telefono è piatto, con la fotocamera che sporge appena, e sopra molti oculari c’è una conchiglia di gomma. Su focali corte la fotocamera non arriva dove dovrebbe stare, e sullo schermo compare un anello scuro che mangia i bordi. Gli oculari a lunga estrazione, quelli per chi osserva con gli occhiali, sono gli stessi che lavorano bene col telefono. Non è una coincidenza commerciale: è la stessa geometria vista da un altro lato.

Quello che il telescopio vi dà davvero

Circola l’idea che il telescopio renda tutto più luminoso, e per gli oggetti estesi è falsa. La luminosità sul sensore dipende dal rapporto focale del sistema, e il rapporto focale di un sistema afocale si ottiene dividendo la focale dell’obiettivo del telefono per la pupilla d’uscita: sette diviso 2,5 fa f/2.8. Lo stesso telefono, da solo sul treppiede, lavora a f/1.8. Davanti a una nebulosa estesa il telefono nudo deposita più luce per micrometro quadrato di quanta gliene consegni un duecento millimetri.

Il telescopio serve ad altro, e lì è imbattibile: alla scala, e alle sorgenti puntiformi. Una stella è un punto: tutta la luce che l’apertura raccoglie finisce dentro una manciata di pixel, e duecento millimetri di apertura raccolgono più di duemilacinquecento volte i fotoni che entrano nei 3,9 millimetri di pupilla del telefono. Su un fondo cielo che resta quello di f/2.8, le stelle deboli emergono da una profondità che dal treppiede non si raggiunge.

La scala si misura in secondi d’arco per pixel, ed è lì che si fa interessante. Con 560 millimetri di focale e i pixel sommati da 1,28 micrometri che il telefono usa di notte, un pixel copre 0,47 secondi d’arco. Il limite di Dawes, la formula empirica che i costruttori stampano ancora sulle schede, dà 116 diviso l’apertura in millimetri: per duecento millimetri sono 0,58 secondi d’arco. Il dettaglio più fine che l’ottica sa produrre occupa poco più di un pixel, quando per portarlo a casa intero ne servirebbero due. L’oculare da 25 sotto-campiona.

Il rimedio è controintuitivo: si accorcia l’oculare. Un 10 millimetri porta l’ingrandimento a duecento, la focale del sistema a 1400 millimetri, la scala a 0,19 secondi d’arco per pixel. La pupilla d’uscita scende a un millimetro, il sistema diventa f/7, e il margine di allineamento laterale sale a un millimetro e mezzo. Più ingrandimento, meno luce per pixel, molta più tolleranza di montaggio. Chi ha provato a mano libera lo sa già: sui pianeti a forte ingrandimento qualche scatto decente esce, sulla Luna a basso ingrandimento l’anello nero non se ne va mai.

Il bordo nero, spiegato con due angoli

Il campo reale che l’oculare consegna è il campo apparente diviso l’ingrandimento: cinquanta gradi diviso ottanta fanno 0,625 gradi di cielo. La fotocamera principale di un telefono inquadra circa 84 gradi in diagonale, e divisi per gli stessi ottanta diventano 1,05 gradi. Il cerchio illuminato copre poco più della metà della diagonale del fotogramma. Tutto il resto è nero. La Luna, che di gradi ne misura circa mezzo, ci sta dentro comoda con margine sui due lati.

Lo zoom sistema l’inquadratura e presenta il conto. Se è digitale ritaglia e basta, e il file finale ha meno pixel veri di quanti ne dichiari il nome. Se il telefono passa a un modulo tele vero cambiano la focale e la posizione della pupilla d’ingresso, e l’allineamento va rifatto da capo. Entrambe si provano sulla Luna, di sera presto.

L’ordine delle operazioni

Prima si mette a fuoco a occhio, sull’oggetto vero: se non è a fuoco per l’occhio, il telefono non ha nulla da salvare. Poi si monta l’adattatore e si cerca il centro con le viti, guardando lo schermo. Poi la messa a fuoco si porta a mano all’infinito e si ritocca sull’immagine ingrandita, perché l’autofocus, davanti a un disco luminoso circondato dal nulla, insegue un contrasto che non trova.

L’esposizione va bloccata. Il telefono misura tutto il fotogramma, nero per due terzi: lasciato libero, sovraespone la Luna fino a farne un tondo bianco senza crateri. Si tocca lo schermo sul terminatore, dove le ombre sono lunghe, e si scende di uno o due stop di compensazione. HDR spento, modalità notte spenta, ogni abbellimento automatico spento.

Lo scatto non si dà col dito. Il tocco sullo schermo passa nel tubo, arriva al focheggiatore e si vede nell’immagine: autoscatto, comando vocale o pulsante dell’auricolare, e due secondi perché tutto si fermi. Sui pianeti la turbolenza decide più di qualunque impostazione, e l’unica risposta è la quantità, con la selezione dei fotogrammi migliori rimandata a casa. Il resto del ragionamento sui pianeti sta in un pezzo a parte.

Cosa aspettarsi, onestamente

La Luna è il bersaglio dove questa tecnica rende il massimo con il minimo sforzo: fotoni in abbondanza, esposizioni da millesimi di secondo, crateri leggibili al primo tentativo. I pianeti chiedono pazienza e una serata di aria calma. Saturno con gli anelli staccati dal disco è alla portata di chiunque abbia montato l’adattatore dritto; la Grande Macchia Rossa è un’altra faccenda. Le stelle doppie strette sono un esercizio elegante e sottovalutato; gli ammassi globulari luminosi reggono bene la somma di molte pose brevi.

Il cielo profondo debole resta fuori. Senza inseguimento un oggetto attraversa un campo da 0,6 gradi in pochi secondi. Con una montatura altazimutale che insegue, il campo ruota lentamente attorno al centro, e su una sessione lunga la rotazione si legge ai bordi. Nebulose e galassie sono il territorio dove il telefono lavora meglio da solo, largo e immobile sul treppiede.

Sopra l’oculare ci sono due millimetri e mezzo di luce che stanno fermi in aria. Tutto il mestiere consiste nel metterci dentro una fotocamera, e nel tenercela.