Astrofotografie

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie man zu einem guten Bild von einem Objekt gelangen kann. Mit etwas technischem Verständnis lässt sich dafür sogar ein kleines, billiges Video-Modul verwenden, wie es z.B. für Überwachungszwecke an einen Fernseher angeschlossen wird. Damit können sogar gelegentlich ganz hervorragende Bilder gemacht werden, viele Bilder unserer Bildergalerie wurden so hergestellt. Eine Videokamera verwendet einen sogenannten CCD-Chip, der oft millionen winziger lichtempfindlicher "Pixel" besitzt, die das Bild punktweise aufzeichnen, und an einen Computer oder Videomonitor weiterleiten:

Ein Lichtstrahl, der von einem Punkt eines Gegenstandes ausgeht, (orange) wird in der Kamera durch eine Linse gebündelt und trifft auf einen Pixel des CCD-Chips (grün). Alle anderen Punkte des Gegenstandes erzeugen auf dieselbe Weise einen Bildpunkt auf dem CCD-Chip. Nach einiger Belichtungszeit (bei einer Videokamera ist das maximal 1/50s) hat sich so ein "Ladungsbild" des Gegenstandes auf dem Chip gebildet. Diese Bild wird nun Pixel für Pixel ausgelesen, und über ein Kabel in den Computer (oder Monitor) gesendet (roter Pfeil). Dabei haben Videokameras für Fernseher leider eine für Astronomie sehr unangenehme Eigenschaft:  Weil ein Fernseher bei 25 Bildern pro Sekunde unerträglich flimmert ("Flimmerkiste"), sendet man von der Kamera nicht 25 Bilder pro Sekunde, sondern 50 Halbbilder. Jedes Bild wird also in zwei Halbbilder zerlegt, von denen das eine die ungeraden "Zeilen" des CCD-Chips enthält, und das andere die geraden Zeilen. Die beiden Halbbilder werden im Fernseher im Abstand von 1/50s auf die Bildröhre geschrieben, und ergeben dort zusammen dann alle 1/25s ein komplettes Bild (Interlace-Verfahren).

Beim Erstellen von Astrobildern gibt es bei normalen Videokameras neben dem Nachteil, dass mit dem Interlace- Verfahren gearbeitet wird, noch das Problem mit dem Bildrauschen und dem erheblichen Dunkelstrom.

Man könnte nun handelsübliche Digital-Kameras verwenden, diese machen oft bei jeder Belichtung automatisch einen Darkframe, und subtrahieren ihn vom eigentlichen Bild. Dadurch werden die Bildfehler stark reduziert. Solche Kameras in der preiswerten Version haben aber kein abnehmbares Objektiv, das Fernrohr muss sein Bild durch die Kameralinse hindurch projizieren, was problematisch ist. Auch haben diese Kameras trotz Darkframeabzug immer noch ein kräftiges Bildrauschen: Bildrauchen entsteht durch Wärmebewegung der Moleküle, dabei werden Elektronen "freigeschüttelt" und füllen die Pixel im CCD-Chip mit Ladung, die eine nicht vorhandene Helligkeit vortäuscht. So entsteht der "körnige" Bildeindruck, der bei schwachen Objekten das eigentliche Bild völlig unsichtbar macht!

Für professionelle Kameras gibt es nach oben keine Preisbeschränkung, das elektronische Rauschen wird minimiert, indem der CCD-Chip mit Kühlung auf ca. 30-60 Grad Celsius unter die Lufttemperatur abgekühlt wird. Wieviel so eine Kühlung nützt, kann man im Vergleich mit gewöhnlichen Digitalkameras erkennen. Mit gewöhnlichen Digitalkameras kann man höchstens ein paar Minuten belichten, dann ist das Bild durch die Wärme der Kamera völlig verdorben. Mit professionell gekühlten Kameras kann man ohne weiteres bis zu mehrere Stunden belichten, und erreicht so auch lichtschwächste Objekte, die mit dem besten Auge auch im Teleskop nicht mehr sichtbar sind!

Professionelle Kameras arbeiten nicht in Farbe, weil eine Farbkamera für jeden Bildpunkt drei Pixel in den drei Grundfarben rot grün und blau benötigt. Das reduziert die Auflösung und die Empfindlichkeit. Professionelle Kameras machen drei Bilder hintereinander durch Farbfilter der Grundfarben. Die drei schwarz/weißen Bilder werden dann im Computer wieder in den Grundfarben gefärbt und zu einem Farbbild überlagert. Als Beispiel ist unten ein Bild des Adler-Nebels, vom Hubble-Teleskop aufgenommen, angeführt. Die linken drei Aufnahmen wurden mit der s/w-Kamera des Teleskops durch Farbfilter rot, grün, blau aufgenommen (NASA), und im Computer zu dem Farbbild rechts zusammengesetzt.

Durch die langen Belichtungszeiten ergibt sich bei professionellen CCD-Kameras ein besonderes Problem: Speziell bei hoher Vergrößerung und bei sehr langer Belichtung muss das Fernrohr extrem genau nachgeführt werden. Im Bericht über Fotografie auf Kleinbildfilm weiter unten wird gezeigt, dass es dabei um tausendstel Millimeter geht! Damit sich das Bild im Laufe der Belichtung nicht um den Bildmittelpunkt dreht, muss das Fernrohr zudem parallaktisch montiert werden, d.h. eine Achse der Montierung muss exakt auf den Himmelspol ausgerichtet werden. Es gibt mehrere Möglichkeiten der exakten Nachführung:

• Visuell über ein Leitfernrohr, dass auf das Teleskop aufmontiert ist, unter Verwendung eines Fadenkreuzokulars bei hoher Vergrößerung. Man sitzt dann stundenlang am Fernrohr, und muss extrem konzentriert mittels der Steuerbox jede kleinste Abweichung korrigieren (nichts für mich)! Verschiebt sich das Leitrohr durch Wärmespannungen etc. während der Belichtung auch nur ein hundertstel Millimeter, so ist das Bild ohnehin im Eimer!

• Visuell über einen Winkelspiegel am Hauptrohr, der ein Sternbild seitlich in ein Fadenkreuzokular herausspiegelt. Damit vermeidet man das Leitrohr, die Arbeit wird aber nicht weniger mühsam!

• Elektronische Nachführung mittels eines "Autoguiders", einer zweiten kleinen Digitalkamera, die sich die Position eines Sterns auf dem Chip merkt, und bei Abweichungen das Rohr so steuert, dass die Abweichung korrigiert wird. Diese Methode funktioniert sowohl mit Leitrohr als auch mit Winkelspiegel, und gefällt mir schon wesentlich besser, weil ich während die Elektronik  arbeitet, im warmen Auto meinen Kaffee trinken kann......

• Wer das Geld für einen Autoguider sparen will, kann auch die Kamera sich selbst nachführen lassen: Dabei unterbricht die Kamera die Belichtung in kurzen Abständen, und arbeitet kurz als Autoguider, bevor sie die Belichtung fortsetzt. Das klingt sehr gut, hat aber den Nachteil, dass das Bild sehr häufig vom Chip gelesen werden muss, um es portionsweise in den Bildspeicher zu addieren. Beim Auslesen entsteht aber jedesmal durch die Elektronik das sogenannte "Ausleserauschen", das bei einer sehr langen Einzelbelichtung nur einmal auftritt. Diese Verfahren ist also nicht optimal.

Mit einer professionellen Digitalkamera lassen sich also sehr schöne Bilder von schwachen Objekten machen. Wermutstropfen ist jedoch der extrem hohe Preis: Selbst für semi-professionelle Einsteigerkameras darf man locker bis zu 2000 Euro hinblättern, nach oben gibt es kein Limit! Wir besitzen ein solches Teil leider (noch?) nicht.

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Eigentlich fragt man sich, warum in Zeitalter der Elektronik immer noch mit dem althergebrachten Film fotografiert wird. Die Antwort ist relativ einfach: In der professionellen Astronomie hat der Film tatsächlich praktisch ausgedient. Man hat dort genügend Geld für riesige CCD-Chips in bester Qualität mit hoher Lichtempfindlichkeit und einer riesigen Anzahl von Pixeln. Anders in der Amateur-Astronomie. Ein erschwinglicher Chip hat dort (zumindest im Jahre 2003) nur wenige Megapixel, und ist relativ klein. Ein Kleinbildfilm hat dagegen eine Fläche von 24x36mm, und entspricht von der Auflösung her einem CCD-Chip mit mindestens 50 Megapixeln, und auch sehr lichtschwache Objekte lassen sich bei langer Belichtungszeit fotografieren! Kein Wunder also, dass er bei der Fotografie großer Objekte keinesfalls ausgedient hat.

Neben den üblichen Problemen wie hellem Himmelshintergrund und Luftunruhe ist es bei der Kleinbildfotografie besonders die extrem exakte Nachführung des Teleskops bei den langen Belichtungszeiten, die Kopfzerbrechen bereitet. Auch muss das Teleskop unbedingt polar montiert werden, weil sonst die Bildfelddrehung das Foto völlig unbrauchbar macht. Auf dem beigefügten Bild symbolisiert der Kegel ein astronomisches Objekt, dass im Laufe der Nacht seine bogenförmige Bahn am Himmel beschreibt, Zeigt die Spitze des Kegels beim Aufgang im Osten nach links, so zeigt sie um Mitternacht nach oben, und beim Untergang im Westen nach rechts. Würde man das Teleskop nun so nachführen, wie ein Fotograf ein Kamera hält (also die Kamera immer parallel zum Erdboden), so würde auch auf dem Foto die Spitze des Kegels im Laufe der Nacht von links nach rechts wandern, das Bild wäre unbrauchbar. Setzt  man das Teleskop hingegen auf eine polare Montierung (eine Achse zum Himmelspol ausgerichtet), so macht die Kamera am Ende des Teleskops die Drehung des Objekts mit, und es entsteht ein scharfes Bild auf dem Film.

Bei einer Video-Aufnahme kann man einzelne, sehr kurz belichtete Bilder später übereinander schieben und mitteln, eine nicht zu schnelle seitliche Verschiebung des Teleskops während der Aufnahme führt also nicht zu einer Unschärfe des späteren Bildes. Ganz anders bei der Fotografie auf Film, bei der jede auch noch so kleine unerwünschte Bewegung des Teleskops sofort vom Film aufgezeichnet wird. Ein Beispiel möge das verdeutlichen: In der Skizze links sei l die Länge des Teleskops,  und a die Entfernung zum Saturn. Verschiebt sich nun das Teleskop durch eine kleine Drehung vorne um den Weg x, so verschiebt sich die anvisierte Position am Saturn um b. Damit die Cassini-Trennung im Saturnring noch einigermaßen scharf abgebildet wird, darf b nicht größer sein, als die Breite der Trennung. Eine einfache Rechnung mit dem Strahlensatz ergibt dann für die Strecke x bei einem üblichen Spiegelteleskop einen Wert von 0,002 mm! Das bedeutet also, dass das Teleskop währen der ganzen Belichtungszeit mit einer Genauigkeit von 0,002 mm stabil gehalten werden muss, was schon bei leichtem Wind kaum möglich ist, und extrem hohe Anforderungen an die ganze Mechanik und Elektronik eines Fernrohres stellt. Im Normalfall wird also die maximal mögliche Auflösung eines Teleskops bei einer Aufnahme mit Langzeitbelichtung auch nicht annähernd erreicht werden können.

Nicht alle Filme sind für Astrofotos geeignet: Verwendung von sehr lichtempfindlichem Material führt zwar zu kurzer Belichtungszeit, verstärkt aber das "Korn", das in seiner Auswirkung auf das Bild dem Rauschen bei einem CCD-Chip entspricht. Verwendung geeigneter Farbnegativfilme ergibt aber einen großen Helligkeitsumfang, d.h. viel besser als bei preiswerten Digitalkameras können sehr helle und sehr dunkle Bildpartien gleichzeitig dargestellt werden. Da auch Filmbilder in den Computer gescannt und dort digital nachbearbeitet werden können, ist also der Kleinbildfilm für großflächige Objekte bei hoher Auflösung und bei gutem Helligkeitsumfang immer noch dem CCD-Chip des Normalverbrauchers weit überlegen, und wie sich das nervige Nachführen auch auf bequeme Weise mittels Elektronik erledigen lässt, wurde im Abschnitt über CCD-Kameras ja bereits beschrieben! Ein schönes Beispiel für ein Kleinbild-Foto, das so mit einen gängigen CCD-Chip nicht hätte entstehen können, ist z.B. unser Foto vom Kometen Hale Bopp.

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HINWEIS: Dieser Bericht hat dazu beigetragen, dass sich ein ganz neues Verfahren der Astrofotografie bei Amateur-Astronomen etabliert hat, mit dem heute speziell Planetenaufnahmen in einer Qualität gefertigt werden, die zuvor undenkbar war. Dieser Bericht beschreibt die Anfertigung eines hoch auflösenden Mondbildes, wie sie zuvor nur professionellen Observatorien vorbehalten war. Das Ergebnis war so sensationell, dass das Bild in "Sterne und Weltraum" 10/97 im Großformat über zwei Seiten gedruckt wurde! Hier noch einmal in Originalgröße. Gut zehn Jahre war dieses von uns erstmals genutzte Verfahren dann so weit fortgeschritten, dass Aufnahmen mit erheblich besserer Qualität möglich waren, wie unsere Bildergalerie "Details auf dem Mond"  und unser Tutorial zur Mondfotografie 2008 eindrucksvoll zeigen. So gesehen handelt es sich bei dem folgenden Bericht also um ein interessantes "historisches" Dokument, viel Spaß beim Lesen!

Es begann alles Mitte 1996, als uns ein kleines Video-Modul der Firma Völkner Elektronik in die Hände fiel, nicht größer als eine Streichholzschachtel, für moderate 100 DM. Schnell war das Modul über 20m Telefonkabel mit dem Fernseher verbunden, und nach Entfernen der kleinen Objektivlinse provisorisch im Primärfokus unseres Teleskops MEADE 10'' LX 200 montiert. Der Steuerbox des Teleskops spendierten wir ebenfalls 20m Verlängerungskabel, und schon konnte es losgehen! Noch am selben Abend bewunderten wir einen kleinen, recht scharfen Ausschnitt des Mondes auf dem Fernsehschirm, und bequem im warmen Sessel sitzend nutzten wir die RA/DEC-Steuertasten für einen ausgedehnten Spaziergang über die Mondoberfläche. Wir waren begeistert, und möchten unsere Erfahrungen bei der Verbesserung dieses Systems gerne zur Verfügung stellen.

Auswahl des Teleskops: Prinzipiell ist eine hohe Lichtstärke von Vorteil, weil sich damit kurze Belichtungszeiten realisieren lassen, was im Falle einer Bildaufzeichnung auch bei Luftunruhe zu brauchbaren Einzelbildern führt. Ein Öffnungsverhältnis von F10 (entspricht Blende 10 beim Fotoapparat) erweist sich in der Praxis als voll ausreichend. Die Brennweite des Teleskops sollte sich primär am Auflösungsvermögen der Videokamera orientieren. In guter Näherung berechnet sich das Auflösungsvermögen A in Bogensekunden aus der Brennweite f in Metern und der Zeilenzahl z des Videochips in Zeilen pro Millimeter wie folgt: A = 180/fz. Für die hier verwendete 1/2'' s/w-Kamera mit einer Zeilenzahl von etwa 120 Zeilen pro Millimeter und das benutzte MEADE 10'' LX 200 mit 2.5m Brennweite errechnet sich eine Auflösung von 0.6 Bogensekunden.

Leider wird das Videobild aus zwei Halbbildern (gerade/ungerade Zeilennummern) im Abstand von 20 Millisekunden aufgebaut. Dies bewirkt auch schon bei geringer Luftunruhe eine gegenseitige Verschiebung der Halbbilder um etwa eine Zeilenbreite, und reduziert so die Auflösung um einen Faktor 2. Statt 0.6'' sind also nur 1,2'' bei ruhiger Luft und guter Fokussierung realistisch. Damit ist ohnehin auch die mit kleinen Optiken erzielbare Auflösung ausgeschöpft, noch längere Brennweiten wären nur bei CCD-Chips mit deutlich weniger als 120 Zeilen pro Millimeter sinnvoll, oder eventuell auch bei Optiken mit großer Öffnung, wenn unter Inkaufnahme eines sehr kleinen Bildfeldes ganz kleine Details aufgelöst werden sollen.

Da man den Fernseher kaum neben dem Teleskop aufstellen wird, ist ein elektrischer Antrieb des Fernrohrs in RA und DEC wünschenswert, dessen Steuerbox sich mit vieradrigem Telefonkabel verlängern lässt. Bei dem verwendeten MEADE LX 200 war eine Verlängerung bis über 50m unproblematisch. Um die Fokussierung zu erleichtern, ist ein elektrischer Fokussierer wünschenswert. Sollen Bilder im PC digitalisiert und später sehr exakt zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden, so ist eine wenigstens grob auf den Himmelspol ausgerichtete Montierung sinnvoll, damit sich das Mondbild nicht während der Belichtungszeit dreht.

Auswahl der Videokamera: Eigentlich lassen sich mit fast jeder Kamera erstaunliche Ergebnisse auf den Fernsehschirm zaubern, wichtig ist nur, dass sich die eingebaute Optik entfernen lässt, und die Lichtempfindlichkeit genügend groß ist. Für einfache Anwendungen gut geeignet sind kleine preiswerte s/w Videomodule (Elektronk-Versand) mit einer Lichtempfindlichkeit von 0.1 bis 0.01 Lux, sie lassen sich ohne Probleme über lange ungeschirmte vieradrige Telefonkabel mit dem Fernseher verbinden Da solche Module fast immer mit 1/3'' CCD's mit einer aktiven Fläche von 4.8x3.6mm und etwa 160 Zeilen pro Millimeter bestückt sind, sind sie für Teleskope bis zwei Meter Brennweite optimal, bei längeren Brennweiten wird das Bildfeld relativ klein. Schwenkt man ein solches System auf eine Bildpartie mit viel dunklem Hintergrund, z.B. ein Horn des Mondes, so erhöht die Automatik Belichtungszeit und(oder) Verstärkung, womit der helle Teil des Bildes total überbelichtet wird. Für etwas professionellere Systeme ist es daher absolut unverzichtbar, dass sich sowohl der automatische Verschluss auch die elektronische Verstärkungsregelung der Kamera abschalten lässt.

Von den  625 Zeilen des PAL-Fernsehbildes werden effektiv nur ca. 576 Zeilen für das Bild genutzt, der CCD Chip muss also für beste Auflösung mindestens 576 Pixel vertikal aufweisen, horizontal errechnen sich aus dem Seitenverhältnis von 4:3 dazu passende 768 Pixel. Eine gute Kamera sollte also mindestens über 576x768 = 442368 aktive Pixel verfügen. Gut wäre Zur Beobachtung des Bildes auch ein s/w Videomonitor, solche Geräte erreichen mit 10 MHz Bandbreite die doppelte Bildschärfe eines normalen Fernsehers!

Digitalisierung von Bildern am PC: Die Digitalisierung von Videobildern am PC ist eine feine Sache! Mit 25 Bildern pro Sekunde lässt sich problemlos Fokussieren, Positionieren und die momentane Luftunruhe beurteilen. Wegen der sehr kurzen Belichtungszeit für ein Einzelbild, die je nach Lichtstärke des Teleskops und Mondphase 1/50 bis 1/1000 Sekunde beträgt, ist das Luftunruhe "eingefroren", später lässt sich dann das schärfste Einzelbild einer kurzen Videosequenz zur Weiterverarbeitung auswählen.

Bei der Auswahl der Digitalisierugskarte für den PC ist unbedingt darauf zu achten, dass möglichst die volle PAL-Auflösung von 576 Zeilen mit je 768 Bildpunkten digitalisiert wird. Da die ungeheure Datenmenge eines PAL-Videos von ca. 20MB pro Sekunde von einem normalen PC-System nicht verarbeitet werden kann, wird das Videosignal nach speziellen Kompressions-Verfahren in Echtzeit komprimiert. Um den damit verbundenen Verlust an Auflösung gering zu halten, ist die Karte unbedingt auf geringstmögliche Kompressionsrate einzustellen. Die schon zuvor beschriebenen Halbbildversetztung bei Luftunruhe macht bei der Digitalisierung Probleme, es sollte daher von Anfang an mittels entsprechender Option nur ein Halbbild aufgezeichnet werden. Jede Bewegung des Bildes durch Luftunruhe führt zu hohen Frequenzen im Signal und damit zu hohen Datenraten bei der Kompression, eine Bildaufzeichnung ist also nur bei wenig Luftunruhe sinnvoll.

Erstellung einer Aufnahme: Nach Auskühlen von Teleskop und Kamera wird möglichst exakt Fokussiert. Die Belichtungszeit der Kamera wird bei ausgeschalteter elektronischer Verstärkung stufenweise soweit reduziert, dass die hellsten Partien im Bild nicht mehr "ausgewaschen" erscheinen. Danach wird -falls bei der verwendeten Kamera möglich- die Verstärkung langsam erhöht, bis ein optimales Bild am Kontrollmonitor erscheint. Anschließend schafft man Kontrollmonitor und Steuerbox des Teleskops zum PC-Arbeitsplatz, stellt Kontrast und Helligkeit mit der PC-Software so ein, das sowohl am Terminator als auch in den hellen Bereichen ein sauberes Bild erscheint, und digitalisiert mit 10 Bildern pro Sekunde eine Sekunde lang -oder mit 5 Bilder pro Sekunde 2 Sekunden lang- einen Ausschnitt der Mondoberfläche. Mit der Steuerbox des Teleskops verschiebt man dann leicht überlappend zum nächsten gewünschten Ausschnitt, bis schließlich der ganze Mond abgelichtet ist. Bei der verwendeten 1/2'' Kamera mit 6.4x4.8mm aktiver Fläche und einem ungefähr 25mm messenden Mondbild sind ca. 20 Ausschnitte erforderlich, um einen Halbmond komplett zu überdecken.

Bildverarbeitung und Bildausgabe: Aus den aufgenommenen Videos wird das jeweils schärfste Einzelbild herausgesucht, und als Einzelbild exportiert. Diese Einzelbilder werden dann in einem Bildbearbeitungsprogramm sorgfältig zu einem kompletten Mondbild zusammengefügt. Beim Zusammenfügen müssen Kontrast und Helligkeit der Bilder genau aufeinander abgestimmt werden. Diese Vorgänge erfordern sehr viel Zeit, Geduld, Übung und Fingerspitzengefühl, doch das Ergebnis entschädigt für alle Mühen. Das gezeigte Bild wurde am 18.12.96 um 19.50 Uhr bei relativ geringer aber keinesfalls idealer Luftunruhe aufgenommen, und aus 20 Einzelbildern zusammengefügt. Bei normalem Betrachtungsabstand am PC-Monitor lässt es sich ohne erkennbare Unschärfe auf einen Durchmesser von einem halben Meter zoomen, im Format A4 würde nur eine Lupe alle Details zeigen. Bei Kontrastanhebung lassen sich  viele Einzelheiten auch abseits des Terminators hervorheben. Alpental, Hyginusrille und lange Wand sind strukturiert zu sehen. Die steilen Gebirgsketten des Mare Imbrium treten plastisch hervor, fast könnte man dort eine Bergtour planen! 2-3''-Krater  z.B. in der Wallebene Ptolemaeus und westlich der langen Wand am Rand von Birt sind zu erkennen. Bei entsprechender Kontrastanhebung sind selbst die im Mittel nur 1'' (1-3 km) breiten, rillenähnlichen Bruchlinien östlich von Triesenecker gerade noch zu erkennen, Details, die sonst in Vollbildern des Mondes kaum zu finden sind.

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