Mond- und Planeten Fotografie

Hier geht es um hochauflösende Fotografie. Die kleinsten Details die man abbilden kann liegen im Bereich weniger Bogensekunden.

Für diese Art der Fotografie muss die effektive Brennweite so hoch gewählt werden, dass ein ausreichendes Oversampling auf dem Sensor ensteht. Damit lässt sich nicht nur das Objekt größer abbilden, es gibt auch einen Vorteil punkto Rauschen. Das Rauschen ist feiner als die kleinsten abgebildeten Details und kann ohne an Details zu verlieren abgetrennt werden.

Als Kamera verwendet man am besten eine "Webcam". Die einstige Philips ToUCam (PCVC 840K) war ein guter Einstieg. Heute gibt es dedizierte USB Kameras, die mit dem gleichen CCD Sensor aufwarten, aber direkt für die Mond-/Planetenfotografie adaptiert sind. Diese Kameras sind einfach zu bedienen, bereits mit der mitgelieferen Software kann man durchaus gute Bilder gewinnen.

Kritisch ist allemal das Fokussieren. Eine stabile Montierung ist dabei sehr hilfreich, andererseits kann ein motorisierter Fokussierer den Unterschied machen. Dabei muss man nicht ans Teleskop greifen, und vermeidet dadurch Schwingungen.

Um die notwendige Brennweiten für hochauflösende Fotografie zu erreichen, verwendet man Barlow Linsen mit höherem Vergrößerungsfaktor. Das Öffnungsverhöltnis des Teleskops soll mit der Barlow auf etwa f/25 bis f/30 kommen, dann liegt man im guten Bereich für den üblichen Sensor (Sony ICX-098BQ).

Es werden Filme im AVI Format erstellt. Etwa 10 bis 15 fps. Wieviele Einzelframes das AVI File enthalten soll, richtet sich nach dem Objekt. Bei Jupiter, der sich sehr schnell dreht, hat man etwa zwei Minuten für die Aufnahmesequenz Zeit, ansonsten werden Detrails bereits verschmiert. Es sind vielleicht 1200 - 1500 Frames die in dieser Zeit gewonnen werden können.

Das Live Bild sieht bei der Aufnahme griesslig und unterbelichtet aus. Jedenfalls soll z. B. der Saturnring klar erkennbar sein, die meiste Zeit auch, während das Bild ständig vom Seeing durchgeknetet wird, die Cassini Teilung zwischen A- und B-Ring. Bei Jupiter sollte man die Wolkenbänder deutlich sehen, eventuell schon Strukturen erkennen, z. B. den GRF oder dessen Bucht.

Als Bearbeitungssoftware dient z.B. Registax (üblicherweise besser für Planeten) bzw. AviStack (für Mondaufnahmen).

Generell erfolgt die Bearbeitung so: An einem möglichst verzerrungsfreinen Einzelbild in der gewonnenen Sequenz werden Markierungen für das Alignment gesetzt. Dann wird die Qualität der Einzelbilder ermittelt, die Aufnahmen werden nach Qualität sortiert. Die schlechtesten Aufnahmen können eliminiert werden, sie werden für die weitere Bearbeitung nicht verwendet. Mit den besten Aufnahmen (es sollten wenigstens 800 übrig bleiben) geht man in die exakte Ausrichtung hinein, die Ausrichtung der Frames wird optimiert. Dann werden die ausgerichteten Frames gestackt und dabei gemittelt. Mit einer sog. Wavelet Schärfungsroutine können Details herausgearbeitet werden.

Für ein "perfekes" Bild gehört eventuell Verschieben von Rot- und Blaukanal, um die atmospärische Dispersion oder die durch einen Warmluftkeil im Teleskop verursachte Dispersion auszugleichen.

Das Objekt ist vielleicht schief im Bild, das Bild sollte noch gedreht und zugeschnitten werden. Vielleicht ist es sinnvoll, noch einen Rauschfilter drüber zu lassen.

Je besser die Rohbilder sind, desto besser wird das Endergebnis sein können. Im Endeffekt lassen sich so Details darstellen, die sich visuell mit demselben Instrument nicht oder nur sehr schwer wahrnehmen lassen würden.

Freilich ist man auf gutes atmosphärisches Seeing angewiesen. Wenn visuell der Planete gut zu sehen ist, mit wenig Seeing Fluktuationen, mag es lohnend sein, sich ans Imaging zu wagen. Sieht man visuell hingegen nur "Matsch" und nur blickweise dann und wann ein paar Details, zahlt es sich nicht aus Noteebook und Kamera anzuwerfen.

Deep Sky Fotografie

Bei der Mond- und Planetenfotografie gibt es genug Licht, man kommt mit kurzen Belichtungszeiten aus. Hingegen sehen wir uns bei der Deepsky Fotografie mit lichtschwachen Himmelsobjekten konfrontiert, was lange Belichtungszeiten erfordert.

Die einfachste Form der Deepsky Fotografie beginnt mit stehender Kamera. Solange die Brennweite relativ niedrig ist, sagen wir unter 100 mm, kann schon eine gewisse Zeit belichtet werden, bevor die Sterne zu kurzen Strichen verzogen werden. Lässt man den Verschluss lange offen, erhält man Strichspuren. Strichspuraufnahmen mit Landschaftshorizont sind oftmals sehr reizvoll.

Die nachgeführte Kamera ist wohl die nächst einfache Stufe. Entweder wird die Kamera Huckepack auf das Teleskop gesattelt, oder mittels einer Schiene mit Fotoschraube direkt auf die Montierung gesetzt, statt eines Teleskops. Mit hinreichend kurzer Aufnahmebrennweite, sagen wir maximal etwa 300mm, können die meisten Montierungen einfach so laufen, und Sterne werden als Punkte abgebildet.

Die höchste Form der Astrofotografie ist die Fokalfotografie. Das Teleskop dient also quasi als "Teleobjektiv" für die Kamera. Damit steigt auch die Brennweite, und damit die Anforderungen für den Astrofotografen, all die Technik zu beherrschen. Es sei hier verraten: Anfänger sollten sich mit der Brennweite nicht überfordern. Bis etwa 1000 mm Brennweite geht noch gut, 2000 mm kann schon zu viel verlangt sein.

Generell sollte die Aufnahmebrennweite mit der Pixelgröße des Sensors abgestimmt sein. Brauchbare Werte für Deepsky Fotografie sind dann gegeben, wenn ein Pixel etwa 1.5" bis 2.5" Himmelsfeld entspricht.

Hier eine Formel zur Berechnung:

Himmelsfeld = 20.6 * Sensorpixelgröße / Teleskopbrennweite

  • Die Pixelgröße des Sensors ist in Mikrometer (μm) einzusetzen
  • Die Brennweite des Teleskops ist in cm einzusetzen
  • Ergebnis ist das Himmelsfeld in Bogensekunden, das von einem Pixel erfasst wird

Beispiel: Teleskopbrennweite: 120 cm, Pixelgröße 9 μm

20.6 * 9 / 120 = 1,5"

Zu feine Rasterung (hohes Sampling) verschwendet Belichtungszeit, zu grobe Rasterung (niedriges Sampling) ergibt "eckige" Sterne, und zu geringe Auflösung. Der genannte Bereich gibt einen guten Kompromiss zwischen Auflösung und erforderlicher Belichtungszeit, angesichts des Seeings, das Sterne zu Streuscheibchen verschmiert. Ein guter Anhaltswert ist eine Auflösung von 2" pro Pixel.

Die einfachste Kamera für Deepsky Fotografie ist die sog. DSLR, also die digitale Spiegelreflexkamera. Speziell Canon EOS Modelle haben sich bewährt und erfreuen sich großer Beliebtheit unter den Astrofotografen. Allerdings sind handelsübliche Spiegelreflexkameras "H Alpha" blind. Die sonst so schön rot leuchtenden Gasnebel sind eher weiß bis leicht pink. Man kann die Kameras umrüsten lassen. In aller Regel wird heute nur ein Filter ausgebaut, um die HA Empfindlichkeit herzustellen.

Mit diesen Kameras und auch dedizierten Astrokameras mit gleichen, handeslüblichen Sensoren liegen die Standard Belichtungszeiten bei rund 10 Minuten. ISO Einstellungen variieren von 400 bis 1600.

Solch lange Belichtungszeiten macht natürlich keine normale Montierung mit, d. h. der Gleichlauf ist nicht so gut wie notwendig. Deshalb muss eine Nachführkontrolle her. Dereinst hat der Astrofotograf mit dem Auge den Leitstern im Fadenkreuzokular beobachtet und Abweichungen per Hand über die Feinsteuerung der Montierung korrigiert. In Zeiten wo auf chemischen Film belichtet wurde, der entsprechend langsam reagiert, war dies ok. Bei heutigen digitalen Sensoren ist der Mensch quasi zu langsam in seiner Reaktion. Nur wenige sehr brav laufende Montierungen kann man noch manuell guiden, solange sich die Aufnahmebrennweite in bestimmten Grenzen hält. Warum auch sollte man heute manuell nachführen, wenn es heute sogenannte Autoguider gibt.

Standalone Guider stehen Software Lösungen entgegen. Standalone Guider sind komplett, mit Kamera, Handbox, allen Kabeln. Kein Notebook notwendig. Bei der Software Lösung braucht man eine Guider Kamera mit Autoguider Anschluss. Die Kamera ist dann in der Regel mit dem Notebook über USB verbunden, und mit dem Autoguider Port der Montierung. In manchen Fällen ist der Computer direkt mit dem Guider Port der Montierung verbunden. In beiden Fällen wertet die Software das Bild aus, und gibt Steuerbefehle entweder an die Kamera, wo sie an den Montierungsport durchgeschleust werden, oder eben direkt an den Guider Port Montierung.

Autoguiding ist keine "Knopfdruck und funktioniert" Sache. Es ist ein geschlossener Regelkreis, der auf die Charakteristik der Montierung abgestimmt werden muss. Im Idealfall arbeitet der Guider korrekt, wenn er unterkorrigiert, werden die Korrekturen zu lasch ausgeführt, wenn er überkorrigiert, wird die Montierung zum Schwingen aufgeschaukelt.

Für ein gutes Guiding muss auch die Balance der Montierung stimmen. Die meisten Montierungen wollen eine winzig kleine Überlast auf der Ostseite, dann läuft das Tracking schön. Eine Überlast auf der Westseite kann ruppigen Lauf zur Folge haben. Es gibt auch Montierungen, die eine perfekte Balance erfordern. Man muss seine Montierung auch mechanisch verstehen lernen.

Es hilft sehr, selbst einmal zu versuchen die Montierung zu guiden - manuell. Man sieht die Charakteristik, man sieht was der Autoguider tun muss. Man versteht besser, was man einstellen soll.

Wenn das Guiding mal passt: Die Langzeitbelichtung einer DSLR bedarf entweder der Ansteuerung über Software (APT hat sich sehr gut bewährt) oder über einen Timer. Die übliche DSLR schafft ja sonst nur maximal 30 Sekunden Belichtungszeit.

Nun kann es also los gehen. Das Objekt ist angefahren, im Feld der Kamera zentriert, der Autoguider hat einen Leitstern und läuft, die Belichtungsreihe kann gestartet werden.

Ein  gewonnenes Bild tut es nicht. Konkrekt: Früher hat man um eine Galaxie auf Film zu bannen z. B. eine Stunde am Stück belichtet, heue braucht man sicher nicht weniger Belichtungszeit, man unterteilt sie aber in handlichere 10 Minuten "Brocken". Sollte eine der Aufnahmen nicht gut sein, z. B. verzogene Sterne (Windböe, ungeplante Erschütterung der Umgebung, Guiding Fehler, etc.), kann sie leichter ausgeschieden werden als wenn nur ein einziges Foto überhaupt existiert.

Daher wird man ausreichend Belichtungszeit einplanen, lieber ein paar Aufnahmen mehr als weniger. Warum viele Aufnahmen? Die Aufnahmen werden letztlich gestackt und gemittelt. Die SNR (Signal-Noise-Ratio) vergrößert sich mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der kombinierten Bilder.

Wie man daraus erkennen kann: für wirklich gute Aufnahmen steckt man ordentlich Belichtungszeit hinein. Das geht sich in einer Aufnahmesession oft gar nicht aus. Aber seien Sie deshalb nicht abgehalten: So fängt man nicht an. Mit 10 verwendbaren Einzelbildern ist man schon mal dabei. Was für die eigentlichen Bilder gilt, gilt genauso für (für die geplfegte Aufnahmen notwendigen) Kalibrierdaten (Bias, Darks und Flats), die man auch in erheblicher Anzahl erstellen sollte.

Sollte man also viel mehr kürzer belichtete Aufnahmen machen als weniger lang belichtete? Das ist eine gute Frage. Ersteres ist auf jeden Fall dann sinnvoll, wenn man unter aufgehelltem Himmel fotografiert und rasch an der Himmelshelligkeit anstößt. Das hat aber seine Grenzen. Hat man hingegen dunklen Himmel, ist es klar besser weniger aber dafür lang belichtete Bilder zu haben. Schließlich kann man unter dunklem Himmel schwächere Objekte abbilden, die unter aufgehelltem Himmel kaum mehr fotografierbar sind. Es geht dennoch immer darum, möglichst viele Aufnahmen zu erstellen.

Die gewonnenen Bilder, die das Himmelsobjekt zeigen, sind aber erst die halbe Miete. Die Daten wollen kalibriert werden, Man kann die Bilder dadurch gepflegter aussehen lassen. Das Nutzbild (Light genannt) enthält Rauschen, das man raus rechnen kann. Das Ausleserauschen und den Dunkelstrom. Das Light weist mit hoher Wahrscheinlichkeit Vignettierung auf, und bei Verwendung von Korrekturlinsen wie Flattener, Reducer, Komakorrektor, setzt sich gerne Staub auf diesen Lisnen fest, der dann als dunkle Flecken in Erscheinung tritt.

Hier einige Begriffe:

Bias: Das Auslesrauschen. Ein Dunkelbild mit der kürzest möglichen Belichtungszeit

Dark: Dunkelbild. Normal genauso lang belichtet wie die Aufnahme. Es enthält den Dunkelstrom und das Ausleserauschen. Der Dunkelstrom steigt mit der Temperatur und Dauer der Belichtung an. Wenn die Temperatur konstant ist, für Aufnahme wie für Dunkelbild (d. h. geregelte Kühlung einer CCD Kamera), lassen sich kurz belichtete Darks nach Bereinigung um das Ausleserauschen auf die Aufnahmezeit skalieren.

Für Dunkelbilder ist der Kamera Sensor abgedeckt. Entweder am Teleskop Staubdeckel der Optik aufsetzen, oder bei abgenommener Kamera den Kamera Staubdeckel aufsetzen.

Flat: Diese Hellbilder werden mit relativ kurzer Belichtungszeit aufgenommen. Sie sollen die eventuell vorhandene Vignettierung (Helligkeitsabfall in den Bildecken) zeigen sowie die nicht zu vermeidenden "Dreckflecken" auf Korrekturlinsen oder dem Sensorglas. Flats werden entweder mit Leuchtkästen, Leuchtfolie, oder auch am Dämmerungshimmel aufgenommen. Die effezienteste Sache sind Leuchtfolien, allerdings müssen diese einen weiten Spektralbereich abdecken, nicht nur auf drei Emissionslinien strahlen.

Flats enhalten das Ausleserauschen, Dunkelstrom baut sich kaum auf in dieser kurzen Belichtungszeit, ist aber genau genommen genauso enthalten.

Von Bias, Darks, Flats werden auch zig Kalibrierbilder gemacht, damit man sie stacken und mitteln kann, um das Rauschen zu minimieren.

Bias und Darks werden jeweils subtrahiert. Für die Flat Bearbeitung wird das Nutzbild durch den aus mehreren Flats erstellten Masterflat dividiert.

Die nun fertig kalibrierten Nutzbilder können jetz in RGB Farbbilder umgewandelt werden (Debayern), gemittelt und gestackt werden.

Die eigentliche Bearbeitung des gestackten Bildes: Schwarzpunkt und Weißpunkt setzen, Den Kontrast durch kunstvolles "Kneten" der Histogrammkurve zwischen Schwarz- und Weißpunkt möglichst gut strecken.

Der Rest der Bearbeitung betrifft meist noch Farbkorrekturen, vielleicht Sättigung anpassen, Farben nachtunen, Eventiell leicht Schärfen und letztlich Reduzierung des Rauschens, das man mit der Kontraststreckung unweigerlich mehr oder weniger geweckt hat.

Ein herzeigbares Bild muss gut ausgewogen sein. Weniger ist oft mehr, Wenn man die letzten Details, die das Bild enthält, nur mit Krampf zeigen kann, sollte man darauf verzichten. Das nächste Mal tiefer belichten, ist die Konsequenz.

Ein recht brauchbares Bildbearbeitungsprogramm für Einsteiger ist Fitswork. Es beinhaltet viele Filter "handlich" zubereitet, man kann mit Reglern spielen und kommt recht rasch zu einem brauchbaren Ergebnis. Andere Bearbeitungssoftware mag mächtiger sein, jedoch wo man alles selbst basteln muss um diese Filtereffekte zu erreichen, das bedar erst einmal des Wissens und viel Erfahrung.

Die Aufbereitung der Kalibrierbilder ist durchaus zeitkonsumierend, wenn man es händisch ausführt. Also schon mit Stapelbearbeitung wie in Fitswork, man kontrolliert aber dabei die PIxelmathematik selber, was getan wird. Freilich gibt es nette Tools wie zum Beispiel den DeepSky Stacker, der einem diese Arbeit abnimmt. Jedoch: Wo "automatisch" etwas getan wird, hat man den Prozess nicht mehr in der Hand, man weiß nicht mehr wirklich, was geschieht. Deshalb muss man abwägen. Die einen schwören drauf, die anderen mögen es nicht. "Vollautomatisch" geht gar nichts. Die oft umfangreichen Voreinstellungen für automatisierte Bearbeitung muss man korrekt setzen und vor allem verstehen. Mit jedem Tool muss man sich detailliert auseinandersetzen.

Das fertige Bild einer DSLR ist natürlich viel zu groß und ganz ehrlich, nur die wenigsten Astrofotos von wirklichen Profis kann man sich in Vollauflösung ansehen. Das Bild wird also verkleiner, um es auf dem Bildschirm gut betrachten zu können, und in das (8 Bit) JPG Format umgewandelt. Ja, erst jetzt. Es ist wichtig die ganzen Bearbeitungen am Bild im 16 Bit oder gar 32 Bit Modus durchzuführen. Um Bilder aber zum Herzeigen zu speichern oder irgendwohin hochzuladen (eigene Homepage, etc.) ist das JPG Format mit einer gewissen leichten Komprimierung bestens geeignet.

Fragt man erfahrene Astrofotografen, so stellt man fest, dass diese mehrere Tools für ihre Bildbearbeitung verwenden. Jedes Software Ding hat seine Stärken und auch Schwächen. So wird immer nur das Gute an einem Tool genützt, eine andere Aufgabe wird von einem anderen Tool besser gelöst.

Der Prozess der Bildbearbeitung ist nicht in Stein gemeisselt. Die Mittel heiligen den Zweck. Man kann etliche Dinge vereinfachen., um Zeit zu sparen. Es kommt auf die Ansprüche des Astrofotografen an. Diese wachsen in der Regel mit der Zeit. Der Abreitsprozess wird sich damit auch verfeinern.