Astronomie: Aufnahmeverfahren (Image Capturing)

Gehört zu: Astrofotografie
Siehe auch: Bildbearbeitung

Historie

Früher als man noch keine digtalen Kameras (Sensoren) hatte und nur den chemischen Film, war klar: man muss lange belichten.
Link: http://www.astrotreff.de/topic.asp?TOPIC_ID=237847

Die ersten Digitalkameras hatten als Sensor CCD-Chips – heute findert man immer mehr CMOS-Chips.

Quellen und Links

Ich bin durch Videos von Nico Carver auf Youtube darauf gekommen, mal etwas ausführlicher die Vorgehensweise (Workflow) bei meiner Astro-Fotografie zu beschreiben.

Welche Geräte setze ich ein?

Hier behandele ich zuerst den Fall, dass eine Digitalkamera (One Shot Colour) fokal an einem Teleskop angebracht wurde und Fotos (keine Videos) geschossen werden sollen.

Einstellungen für die Digitalkamera

Wenn man die Geräte und den Plan zusammen hat und das Wetter mitspielt, geht es an das Fotografieren ansich, also das Aufnehmen eines Bildes (Image Capturing).

Dazu muss man das Beobachtungsobjekt richig ins Gesichtsfeld einstellen (Suchen, Framing), das Bild schön scharf stellen (Fokussieren) und dann belichten – aber mit welchen Einstellungen?

  • Welche Empfindlichkeit?    (ISO bzw. Gain)
  • Welche Blende?
  • Welche Belichtungszeit?
  • Wieviele Einzelbilder?

ISO Empfindlichkeit

Als ISO-Zahl für die Empfindlichkeit verwende ich bei meiner Digitalkamera Canon EOS 600Da meist 800 ISO oder 1600 ISO.
Höheres ISO (Gain) rauscht mehr, also vielleicht mal ISO 400 probieren…

Kamerasensoren können “ISO-invariant” sein oder auch nicht.
Link: https://www.stephanwiesner.de/blog/iso-invarianz-iso-loser-sensor/

Blende

Die Blende heisst in der Astrofotografie “Öffnungsverhältnis” und ist durch das Gerät praktisch vorgegeben. Mein kleiner Refraktor Orion ED 80/600 hat immer 600/80 = 7,5 oder mit dem Flattener/Reducer 510/80 = 6,375 – sprich also f/7,5 bzw. f/6,375.

Belichtungszeit

Prinzipiell gilt: Mit steigender Belichtungszeit sammelt man mehr Licht und das Nutzsignal hebt sich besser vom Hintergrund ab: sog. Signal-Noise-Ratio = SNR. Aber da kommen noch weitere Aspekte hinzu.

Mit steigender Belichtungszeit (ceteris paribus):

  • verbessert sich der Signal-Rausch-Abstand (SNR)
  • nimmt auch das Dunkelrauschen (des Sensors) zu; dieses kann man aber durch den Abzug von Dunkelbildern (s.o.) komplett eliminieren.
  • wird der Himmelshintergrund immer heller.  Das sieht man im Histogramm: dort wandert der “Berg” immer weiter nach rechts.
  • macht sich die (scheinbare) Bewegung der Himmelsobjekte durch die Erdrotation immer stärker bemerkbar; diesen Effekt können wir durch Nachführung eliminieren

Maximale Belichtungszeit limitiert durch Himmelshelligkeit

Um die maximale Belichtungszeit zu finden, mache ich bei konstantem ISO eine kleine Serie von Aufnahmen mit zunehmender Belichtungszeit und schaue dann die Histogramme an. Je länger ich belichte, um so mehr rückt das Histogramm an den rechten Rand d.h. das Bild wird heller und heller. Ich muss eine Belichtungszeit finden, bei das das Histogramm nicht ganz am linken und auch nicht ganz am rechten Rand steht. Das hängt näturlich von der Himmelshelligkeit ab, also von der Lichtverschmutzung am Standort (natürlich fotografiere ich erst nach Ende der astronomischen Dämmerung und wenn der Mond nicht da ist).

  • In Handeloh (Bortle 4) finde ich so: xyz
  • In Hamburg-Eimsbüttel (Bortle 7) habe ich: xyz

Diese Ergebnise können je nach ISO-Einstellung der Digitalkamera leicht unterschiedlich sein oder auch nicht s.o. ” ISO-Invarianz”.

Maximale Belichtungszeit limitiert durch Nachführung

Ab welcher Belichtungszeit werden die Sterne nicht mehr punktförmig, sondern Striche?

Als Fausregel gilt: Max. Beliechtungszeit in Sekunden = 500 / Brennweite in Millimetern

Siehe dazu: Nachführung

Rauschen bei der Digitalkamera

Ein elektronischer Sensor erzeugt auch immer einen “Dunkelstrom” der sich als leichtes Rauschen im gesamten Hintergrund zeigt. Dieser ist abhängig von der Dauer der Belichtung und von der eingestellten Empfindlichkeit (ISO bzw. Gain).
Dieses Dunkelrauschen können wir komplett eliminieren, indem wir Dunkelbilder mit gleicher Belichtungszeit und gleicher Empfindlichkeit bei gleicher Temperatur aufnehmen und so ein Dunkelbild vom Nutzbild subtrahieren. Das funktioniert, weil dieses Dunkelrauschen komplett zufällig verteilt ist.

Die Aufnahmesequenz für mein Beobachtungsobjekt

Ist das Beobachtungsobjekt scharfgestellt (Fokussieren) und schö in den gewünschten Ausschnitt eingestellt (Framing) wird man die eingentliche Fotoaufnahmen automatisiert durchfürhren wollen. Das geht beispielsweise so:

  • Ohne Computer im Felde: Intervallometer
  • Mit Computer im Felde: Software wie z.B. APT, BackyardEOS, Sequence generator Pro, MaximDL,…

Planung einer Aufnahmesequenz

Gesetzt den Fall, ich wollte für ein Beobachtungsobjekt eine Gesamtbelichtungszeit von 60 Minuten bei ISO 800 erreichen, so kann ich das durch Stacking ja auf verschiedenem Weg erreichem. beispielsweise:

  • 1 Aufnahme mit 60 Minuten (=3600 Sekunden)
  • 10 Aufnahmen mit je 6 Minuten (=360 Sekunden)
  • 100 Aufnahmen mit je 36 Sekunden
  • 720 Aufnahmen mit je 5 Sekunden
  • etc.

Was ist dann die richtige Wahl? Sicher muß ich berücksichtigen, was meine (oben ermittelte) maximale Belichtungszeit wegen Himmelshelligkeit ist.

  • Das ist in Hamburg-Eimsbüttel dann die 30 Sekunden bei ISO 800. Damit bräuchte ich also 3600:30=120 Einzelaufnahmen.
  • Das wäre in Handeloh dann 300 Sekunden bei ISO 800. Was 3600:300=12 Einzelaufnahmen bedeutet.

Nun gibt es noch zwei Dinge zu berücksichtigen:

  • Nachführung
  • Ausleserauschen

Das Ausleserauchen entseht bei jedem Einzelbild und soll proportional der Wurzel aus n, der Anzahl der Einzelbilder sein.
Link: http://www.astrotreff.de/topic.asp?TOPIC_ID=237847&whichpage=1#829591

Durchführung einer Aufnahmesequenz

Ist das Beobachtungsobjekt scharfgestellt (Fokussieren), schön in den gewünschten Ausschnitt eingestellt (Framing) und entschieden welche Aufnahmesequenz man machen möchte, dann wird man die eingentliche Fotoaufnahmen automatisiert durchführren wollen. Das geht beispielsweise so:

Nachbearbeitung der Bilder (Post Processing)

Sind die Aufnahmen im Kasten, beginnt die Bearbeitung im Computer: