Astrofotografie


Betrachtet man die Bilder im Teleskop, so kommt natürlich schnell der Wunsch auf, diese Bilder zu "konservieren". Auch gibt es viele sehr lichtschwache Objekte, die mit dem Auge im Teleskop nicht gut zu sehen sind, oder bei denen die Farbe wegen der geringen Lichtintensität vom Auge nicht wahrgenommen wird. Solche Objekte sehen erst auf einem Foto so richtig schön aus. Es ist in der heutigen Zeit zwar völlig unproblematisch, sich die entsprechenden Fotos in professioneller Qualität von millionen Euro teuren Teleskopen erstellt herunterzuladen, doch ist ein solches Bild mit einem selbst gemachten eben einfach nicht zu vergleichen.

 

Das die Astrofotografie ein heikles Thema ist merkt man sehr schnell, wenn die ersten Versuche gründlich daneben gegangen sind. Als Anfänger sollte man sich daher zunächst unproblematische Objekte aussuchen, also sehr helle, genügend große, und da bleiben zunächst nur Mond und Sonne übrig. Da die Beobachtung der Sonne mit einem Teleskop extrem gefährlich ist (Augen und Teleskop können in weniger als einer zehntel Sekunde irreparabel zerstört werden), ist der Mond das geeignete Objekt für erste Foto-Versuche. Bei einem Teleskop von 2m Brennweite ist der Mond auf dem Film einer Kamera 20mm groß, passt also gut auf ein Kleinbildformat, und bei Belichtungszeiten von ca. 1/50s könnte man schon ein feines Bild bekommen, wenn die Luft ruhig ist, und wenn das Teleskop beim Auslösen der Belichtung nicht wackelt...........

 

Aber im Ernst: bis man ein richtig schönes Foto "im Kasten" hat, ist es ein weiter Weg, denn die Probleme, die man bekämpfen muss, sind je nach Aufgabenstellung (speziell mit finanziell erschwinglichen Mitteln) fast unlösbar, zumal dann, wenn mehrere dieser Probleme  gleichzeitig auftreten:

Beispiel: Bei der oben erwähnten Mondfotografie mit Kleinbildkamera an einem ruhigen Abend sind alle Probleme gegenstandslos, bis auf die technischen Probleme (z.B. auslösen der Kamera ohne zu wackeln). Bei der Aufnahme einer kleinen, lichtschwachen Galaxie muss man hingegen oft mit allen der erwähnten Problem gleichzeitig fertig werden! So gehört zu jedem schönen Astrofoto eine oft lange und interessante Geschichte.........

 

 Astrobilder mit Videokamera

Von Nicolas Labonte

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).

Bei der Astrofotografie bewegt sich nun das Bild des Objekts (in der Skizze grün) auf dem CCD-Chip wegen der Luftunruhe oft sehr schnell seitlich hin und her, beim Auslesen der Bildinformation ist das zweite Halbbild dann gegen das erste Halbbild leicht seitlich versetzt, was zu Unschärfe führt:  Zuerst werden alle ungeraden Pixelzeilen ausgelesen (1, 3, 5 ...), das Bild des Objekt beginnt sich nach rechts zu verschieben. Dann, eine fünfzigstel Sekunde später werden alle geraden Pixelzeilen aufgenommen (2, 4 ...), das Bild befindet sich nun jedoch weiter rechts. Im Fernseher (oder Computer) werden die geraden und ungeraden Zeilen wieder zu einem einzigen Bild zusammengesetzt, wegen der gegeneinander verschobenen Zeilen sieht das Bild jedoch um so schlechter aus, je größer die Luftunruhe ist ("Kammeffekt").  Mit einer solchen Videokamera sollte man also tunlichst nur arbeiten, wenn die Luft ruhig genug ist, oder im Computer auf ein Halbbild verzichten, und dessen Zeilen mit den Zeilen des anderen Halbbildes "auffüllen", was jedoch die Auflösung ("Schärfe") des Bildes halbiert. Wie unangenehm sich der Kammeffekt auch bei relativ geringer Luftunruhe auswirkt, zeigt das unten im mittleren Bild eingefügte vergrößerte Bildchen des kleinen Kraters (Pfeil). In letzter Zeit fast nur noch Kameras eingesetzt, die über USB oder Firewire direkt an den PC angeschlossen werden, und voll digitale Bilder in den Rechner übertragen. Diese Kameras übertragen keine Halbbilder, sondern volle Bilder, und produzieren deshalb auch keinen Kammeffekt. Kameras dieser Art werden sicher in absehbarer Zeit die analogen Videokameras komplett ersetzen.

1. Ein Bild von einem sehr hellen Objekt (z.B. Mond) erstellen

Zunächst wird mit der Video-Kamera ein Film mit z.B. 400 Bildern von einem hellen Objekt im Computer aufgezeichnet. Diesen zerlegt man mit einem Programm in Einzelbilder. Wenn man sich diese ansieht, erkennt man, dass einige Bilder scharf sind und unmittelbar danach aufgenommene dagegen völlig unscharf sein können, siehe unten!

Hat man Glück, dann findet man ein Bild, das gut genug ist, um es direkt zu verwenden. Dies kommt jedoch sehr selten vor. Um nun ein deutlich besseres Ergebnis zu erreichen, löscht man alle unscharfen Bilder, sodass z.B. nur noch 60 scharfe übrig bleiben. Diese Bilder werden dann im Computer addiert und gemittelt,  und das Ergebnis mit einem Bildbearbeitungsprogramm optimieren. Dabei lässt sich auch unter Anwendung einer "Unscharfen Maske" (USM) auf raffinierte Weise die Verbreiterung der Bildpunkte durch Luftunruhe teilweise wieder aus dem Bild "herausrechnen", wodurch sich die Schärfe deutlich verbessert. Zum Schluss vergleicht man das Ergebnis mit dem schärfsten Einzelbild und man wird sehen, dass das neue Bild meistens die bessere Qualität hat, siehe oben!

Bei der Aufnahme eines etwas lichtschwächeren Objekts, z.B. eines Planeten,  sieht man gleich, dass Einzelbilder nicht mehr direkt verwendbar sind. Sie sind grob körnig und zum Teil unscharf oder verzerrt. Wie bei einem Fotoapparat mit hochempfindlichem Film bei wenig Licht das Bild "körnig" wird, entsteht auch in einer Videokamera bei schwachem Licht durch elektronisches "Rauschen" ein körniges Bild. Hier hilft nun die Statistik: überlagert und mittelt man n verrauschte Bilder, so reduziert sich das Rauschen um die Wurzel aus n. Das bedeutet Folgendes: Wenn 1000 Bilder aufaddiert und gemittelt werden, reduziert sich das Rauschen um den Faktor 32 (Wurzel aus 1000). So lässt sich das Rauschen im Bild deutlich reduzieren. Im Gegensatz zu dem körnigen Einzelbild lässt sich das Ergebnis nun bearbeiten und mit USM schärfen, wobei ein ganz hervorragendes Bild vom Planeten Jupiter mit seien Wolkenbändern und einem Mondschatten entsteht!

2. Ein Bild von einem lichtschwachen Objekt erstellen

Wenn die Objekte noch lichtschwächer werden, macht sich ein weiterer Fehler einer CCD-Kamera bemerkbar, der sogenannte "Dunkelstrom" und das "Ausleserauschen". Auch bei völlig abgedunkeltem Chip bildet sich nach einiger Zeit Ladung in den Pixeln, die eine nicht vorhandene Belichtung vortäuscht. Beim Auslesen der Bildinformation entsteht eine weitere Störung, das Ausleserauschen. Diese beiden Störungen sind bei hellen Bildern zu vernachlässigen, nicht jedoch bei schwachen Objekten.

Um die Bildfehler auszugleichen, macht man einen Film mit abgedunkelter Kamera, er muss möglichst genau so viele Bilder haben, wie der zuvor aufgenommene "richtige" Film. Die Einzelbilder aus diesem Dunkel-Film werden aufaddiert und gemittelt, das Ergebnis heißt "Darkframe". Der Darkframe enthält nun nur die störenden Anteile des Bildes, und wird von jedem Einzelbild des "regulären" Films subtrahiert, bevor diese ebenfalls aufaddiert und gemittelt werden. Auf diese raffinierte Weise werden Dunkelstrom und Ausleserauschen eliminiert, das schwache Objekt wird sichtbar, und das Bild kann mit einem Bildbearbeitungsprogramm weiter verbessert werden, siehe unten!

 

Bei dem Beispiel oben ist zusätzlich zu bedenken, dass eine spezielle Videokamera verwendet wurde, bei der bereits intern 64 Halbbilder aufaddiert werden, um das noch verrauschte Einzelbild links oben zu ergeben. Mit einer normalen Videokamera wäre diese Aufnahme des Kernbereichs des Orion-Nebels wegen zu geringer Lichtstärke  nicht mehr möglich gewesen!

3. Ein Bild von einem äußerst lichtschwachen Objekt erstellen

Jeder CCD-Chip in einer Videokamera hat fabrikationsbedingt kleine Fehler, z.B. eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung. Auch führen unvermeidbare geringe Mengen von Staub und anderen Verunreinigungen auf dem Chip zu nicht erwünschten Bildstrukturen. Normalerweise sind diese Effekte im Vergleich zum erwünschten Bildinhalt so geringfügig, dass sie nicht störend auffallen. Bei ganz lichtschwachen Objekten ist das ganz anders, das erwünschte Bild wird so extrem lichtschwach, dass es in den erwähnten Störungen fast ganz verschwindet. In diesem Fall gibt es eine weitere noch raffiniertere Methode zur Bilderzeugung: Man zerlegt den Video-Film zunächst wie gewohnt in Einzelbilder, "IST-Bilder", in denen die Störungen viel stärker zu sehen sind, als das eigentliche Bild. In dem unten angefügten Einzelbild ist z.B. die durch einen technischen Fehler der Kamera erzeugte Aufhellung am linken Bildrand heller zu sehen, als die kaum erkennbare Bildinformation des Crab-Nebels rechts daneben. Man stellt nun das Teleskop auf einen sternfreien Raum neben das eigentliche Objekt, und belichtet einen weiteren Video-Film, der nur den leicht erhellten Himmelshintergrund (und die Fehler der Kamera) enthält. Die Bilder dieses Films werden addiert und gemittelt, man erhält auf diese Weise ein "Flatfield", kurz "FLAT" genannt. Dann dividiert man im Computer jedes einzelne "IST-Bild" durch das "FLAT", und addiert und mittelt die so gewonnenen Bilder. Das Ergebnis ist ein SOLL-Bild, das nur noch die gewünschte Helligkeitsinformation des Objekts enthält, und sonst völlig frei von allen Störungen ist. Auf dem gewonnenen Bild ist die gewünschte Bildinformation natürlich nach wie vor nur sehr schwach zu erkennen, da das Bild jedoch absolut frei von sonstigen Störungen ist, lässt sich die gewünschte Information ohne Probleme durch entsprechende Änderungen von Helligkeit und Kontrast hervorholen, wie im Beispiel "Endresultat" unten eindrucksvoll zu sehen ist.

In der Grafik oben ist das Verfahren mit dem Flatfield noch einmal prinzipiell erklärt, und es wird gezeigt, wie jede Unregelmäßigkeit bei der Division durch das Flatfield aus dem Bild beseitigt wird. Im unten beigefügten Beispiel (Einzelbild und Endresultat) sieht man eindrucksvoll wie extrem wirkungsvoll die Nutzung des Flatfields ist. Das für dieses Bild verwendete Flatfield wurde bei stark defokussiertem Teleskop am sternfreien Himmel neben dem eigentlichen Objekt gewonnen, alternativ hätte man auch eine gleichmäßige graue Fläche ablichten können. Bei der Erstellung der "IST-Bilder" und des "FLATS" kann gegebenenfalls auch noch der im vorigen Kapitel erwähnte Darkframe verwendet werden, was jedoch in diesem Beispiel nicht erforderlich war. Da die Fehler des Chips bei verschiedenen Temperaturen verschieden stark hervortreten, muss übrigens für jede Aufnahme ein eigenes Flatfield unmittelbar im Anschluss an die eigentliche Belichtung erzeugt werden!

Dieses komplizierte Verfahren ist eigentlich für unsere preiswerte Videokamera schon zu problematisch, das oben aufgeführte Beispiel ist aber dennoch extrem eindrucksvoll: Aus den praktisch nicht erkennbaren Einzelbildern des Videos (die übrigens selbst schon aus jeweils128 kameraintern addierten Bildern bestehen) ist wie durch ein Wunder ein  erstklassiges Bild des sehr lichtschwachen Crab-Nebels geworden, das man in dieser Form mit dem Auge durch das Teleskop nicht einmal andeutungsweise so gut sehen könnte!

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 Astrobilder mit CCD-Kamera

Von Jonatan Hendrich

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:

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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 Astrobilder auf Kleinbildfilm

Von Daniel Göhlen

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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 Historisches zur Videobeobachtung des Mondes 

Auszug aus "Sterne und Weltraum" 10/97

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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