Deep-Sky CCD-Astrofotografie

Transkript

1 Deep-Sky CCD-Astrofotografie Teil II Gerd Neumann Hersteller auf, und bitten Sie um die Adressen einiger Kamerabesitzer, um sich dort direkt über deren Erfahrungen zu informieren. Der erste Teil behandelte die Funktionsweise von CCDs. Ferner erfuhren Sie, welches Fernrohr besonders für den CCD-Baustein geeignet ist und weshalb der Montierung so eine große Bedeutung zukommt. Die Kamera Wenn Sie einen Blick in die Anzeigenseiten der großen Astrozeitschriften werfen, werden Sie feststellen, dass es mittlerweile sowohl weltweit als auch in Deutschland sehr viele Anbieter von CCD - Kameras gibt. Eine allgemeine Kaufempfehlung für eine Kamera oder einen Hersteller kann hier nicht gegeben werden, da die Anforderungen zu unterschiedlich sind. Im folgenden Abschnitt werden die wichtigsten Punkte zur Wahl einer Kamera erläutert. Kommen einige Kameras in die engere Wahl, nehmen Sie Kontakt zum 22 Pixelgröße Die Größe der Pixel Ihres CCDs muss zur Brennweite Ihres Instrumentes passen. Arbeiten Sie mit einem CCD mit sehr großen Pixeln, zum Beispiel 25 µm, an einem kleinen Refraktor mit 400 mm Brennweite, werden auf der fertigen Aufnahme alle Sterne als kleine Quadrate zu sehen sein. Das Sternscheibchen, in das Ihr Teleskop das Licht bündelt, ist bei einer so kurzen Brennweite viel kleiner als ein Pixel, weshalb nur ein einziges Pixel beleuchtet wird, was hässliche, eckige Sterne zur Folge hat. Das andere Extrem ist eine Kamera mit winzigen 6 µm Pixeln an einem Teleskop mit 3 m Brennweite. Das Scheibchen dehnt sich jetzt über 10x10 Pixel aus und wird rund dargestellt. Schwache Sterne lassen sich jedoch kaum nachweisen, weil sich das Licht über so viele Pixel verteilt, dass das Signal im Rauschen untergeht. Das Optimum ist erreicht, wenn das Sternscheibchen auf ein Feld von 3x3 Pixeln fällt. An einem hervorragenden Standort, bei bester Luftruhe, sollte die Brennweite so groß gewählt werden, dass sich das Beugungsscheibchen über 3x3 Pixel erstreckt. In einer durchschnittlichen Nacht sollte sich das

2 Andromeda 1/08 Seeingscheibchen, also die Fläche, in der das Beugungsscheibchen aufgrund des Seeings hin und her hüpft, über 3x3 Pixel erstrecken. Chipgröße Hier gilt: Je größer, desto besser. Die ersten für Amateure verfügbaren CCDs waren 2,5 mm x 2,5 mm groß. Heute haben die meisten Kameras eine Diagonale von 8 mm bis 12 mm, seit Ende 2003 sind sogar Kameras mit einem CCD in der Größe des Kleinbildformates erhältlich. Nehmen Sie den größten Chip, den Sie sich leisten können, und achten Sie auf jeden Fall darauf, ob Sie später einen größeren Chip nachrüsten (lassen) können. Leider steigt mit der Größe des CCDs auch die Menge der Daten, was sich bei der späteren Bearbeitung sehr bemerkbar macht. Außerdem brauchen Sie für große CCDs sehr gute Optiken, 23 damit an den Bildecken nicht nur die Abbildungsfehler des Teleskops zu sehen sind. Blooming Oben wurde ein CCD - Sensor als ein Feld nebeneinander stehender Eimer dargestellt. Regnet es besonders stark, sind die Eimer früher oder später voll und laufen über. Dies passiert auch bei einem CCD: Hat ein sehr heller Stern ein Pixel gesättigt, laufen Elektronen in die benachbarten Pixel über. Dieser Effekt heißt Blooming und sieht auf dem fertigen Bild ausgesprochen hässlich aus. Es gibt CCDs, die zusätzliche Elektroden auf dem Chip haben, die überschüssige Elektronen abführen. So ein Anti-Blooming- Gate ist eine feine Sache, wenn man nur schöne Bilder machen möchte. Problematisch ist allerdings, dass die Elektroden einen Teil der Pixelfläche abdecken, und so die Empfindlichkeit um 20% bis 30% reduzieren. Weiterhin verhält sich der Chip nicht mehr linear, weil auch schon vor Erreichen der Füllgrenze Elektronen abgeführt werden. Wollen Sie auch Photometrie betreiben, verbietet sich aus diesem Grund der Einsatz von Kameras mit ABG.

3 Kühlung Auch wenn kein Licht auf das CCD fällt, sammeln sich Elektronen in den Pixeln an. Diesen Effekt nennt man Dunkelstrom. Er wird immer schwächer, je tiefer der CCD - Sensor gekühlt wird. Ungefähr alle 7 C halbiert beziehungsweise verdoppelt sich der Dunkelstrom. Die CCD - Kameras an Profisternwarten werden häufig mit flüssigem Stickstoff auf ca C gekühlt, so dass der Dunkelstrom keine nennenswerte Rolle mehr spielt. Bei den typischen Amateurkameras wird der CCD - Chip elektrisch mit Peltier- Elementen auf 30 C bis 35 C unter Umgebungstemperatur gekühlt. Schon kleine Temperaturschwankungen des CCDs haben große Auswirkungen: Wird der Chip 1 C wärmer, steigt der Dunkelstrom schon merklich an. Darum ist es wichtig, dass die Kühlung genau geregelt ist, was bei den meisten Kameras gut funktioniert. Allerdings gibt es noch immer einige Hersteller, die Kameras ohne geregelte Kühlung anbieten. Verschluss Der Verschluss steuert die genaue Länge der Belichtungszeit. Gute Verschlüsse sind sehr teuer, weshalb es auch Kameras ganz ohne mechanischen Verschluss gibt. Diese Kameras sollte man nur nicht zur Fotografie von Mond und Planeten verwenden. Auch sehr helle Sterne machen Probleme, denn 24 da während des Auslesens des CCDs weiter Licht auf den Chip fällt, entstehen bei hellen Sternen Schwänze in Ausleserichtung. Weiterhin kann man nur mit einem mechanischen Verschluss bequem Dunkelstromaufnahmen machen, denn wenn der Verschluss zu ist, fällt kein Licht auf den Chip. Wenn Ihre Kamera keinen mechanischen Verschluss hat, müssen Sie das ganze Teleskop abdecken und hoffen, dass kein Streulicht in den Tubus fällt. Schnittstelle Irgendwie müssen die Daten aus der Kamera in den Computer und die Steuersignale in die Kamera. Die ersten Kameras wurden an die serielle Schnittstelle angeschlossen. Bei größeren CCDs musste der Benutzer dabei viel Geduld aufbringen: Download-Zeiten von 2 bis 4 Minuten pro Bild waren keine Seltenheit. Heute haben die meisten Kameras eine parallele Schnittstelle. Moderne Kameras lassen sich über den USB - Anschluss oder ein Netzwerkkabel steuern. Auch bei großen Chips liegen die Downloadzeiten unter 10 Sekunden und das nächtliche Arbeiten, vor allem das Fokussieren macht wirklich Spaß. Technischer Support Jedes technische Produkt geht früher oder später einmal kaputt. Muss Ihre CCD - Kamera zur Reparatur erst in die

4 Andromeda USA geschickt werden, können Sie sich auf eine lange CCD - freie Zeit einstellen. Informieren Sie sich vor dem Kauf einer Kamera im Internet und bei anderen Benutzern über den Support der verschiedenen Hersteller und Händler. Es gibt auch in Deutschland verschiedene Hersteller hochwertiger Kameras, und es ist eine feine Sache, wenn man bei einem Problem einfach direkt mit dem Hersteller telefonieren kann. Am Teleskop Fokussieren Das saubere Fokussieren einer CCD - Kamera ist sehr anspruchsvoll, und gleichzeitig der Schlüssel zu guten Bildern. Nehmen Sie sich hierfür viel Zeit, und kontrollieren Sie auch im Laufe einer Nacht immer wieder, ob sich Ihre Kamera noch genau im Fokus befindet. Die Außentemperatur fällt im Laufe einer Nacht, und der Tubus Ihres Instrumentes wird sich etwas verkürzen. Auch Linsen und Spiegel ändern ein wenig ihre Form und damit auch die Brennweite. Je nachdem wie schnell die Temperaturen fallen, sollten Sie sie einmal bis zweimal pro Stunde überprüfen. Es ist sehr ärgerlich, eine ganze Nacht am Rechner neben dem Teleskop verbracht zu haben, um bei der späteren Verarbeitung der Aufnahmen festzustellen, dass die Bilder leicht unscharf sind. Es gibt eine ganze Reihe von Verfahren, wie Sie den genauen 1/08 Fokus manuell einstellen können. Mittlerweile gibt es auch Okularauszüge mit Schrittmotor und einer Steuerung, so dass eine entsprechende Software Ihre Kamera vollautomatisch scharf stellen kann. Probieren Sie die verschiedenen Methoden einmal aus und entscheiden Sie, anhand der Ergebnisse, welchem Verfahren Sie den Vorzug geben. 1. Hellstes-Pixel-Verfahren Während die Kamera laufend Bilder macht, zeigt die Software jeweils die Koordinaten und den Pixelwert des hellsten Pixels an. Sie verstellen Ihren Okularauszug so lange bis der Helligkeitswert am größten ist. Nachteilig an diesem Verfahrens ist, dass der Helligkeitswert bei kurzen Brennweiten teilweise erhebliche Sprünge macht: Je nachdem, ob das Licht auf ein oder zwei Pixel fällt, ändern sich die Helligkeitswerte sprunghaft. Man muss beim Fokussieren die Werte im Kopf mitteln und entsprechend weiter fokussieren. 25

5 2. Kleinster Durchmesser des Sternscheibchens Dieses Verfahren funktioniert im Prinzip genauso wie das erste Verfahren, allerdings beurteilt man nicht den Helligkeitswert, sondern den Durchmesser des Sternscheibchens. Programme wie MaxIm DL-CCD oder AstroArt geben im Fokussiermodus auch die Halbwertsbreite der Sternscheibchen aus. Diese beiden Verfahren funktionieren recht gut, erreichen aber bei schlechtem Seeing oder sehr großen Brennweiten nicht zuverlässig den besten Fokus. Wirkungsvoller sind folgende Verfahren: 3. Scheinerblende Das Fokussieren mit der Scheinerblende geht schnell, ist zuverlässig und erfordert nur minimalen Aufwand: Die Scheinerblende deckt die Eintrittsöffnung Ihres Teleskops bis auf zwei kleine Öffnungen am äußeren Rand vollständig ab, so dass nur zwei schlanke Lichtbündel den Fokus erreichen. So 26 lange der CCD - Chip sich nicht genau im Fokus befindet, wird jeder Stern als Doppelstern abgebildet. Je dichter Sie am Fokus sind, desto enger liegen die beiden Scheibchen beisammen, und nur genau im Fokus sehen Sie nur einen einzigen runden Punkt. 4. Beugungsmuster Wenn Sie ein Teleskop haben, bei dem der Fangspiegel an einer Fangspiegelspinne befestigt ist, werden Sie von der visuellen Beobachtung und der Fotografie die Spikes an hellen Sternen kennen. Genau diese kann man auch zum Fokussieren verwenden, denn sobald der Chip nicht genau im Fokus ist, verschwinden sie vom Bild. 5. Automatisches Fokussieren Zum automatischen Fokussieren brauchen Sie einen motorisierten Okularauszug mit Schnittstelle zum Computer. Ein Programm wie FocusMax (www. focusmax.org) verstellt den Okularauszug und analysiert die Bilder, die Ihre Kamera liefert. Nach einer anfänglichen Lernphase kennt das Programm Ihr Instrument und kann die Kamera selbstständig fokussieren. Für mich war die Anschaffung eines automatischen Fokussierers die wertvollste Ergänzung meiner CCD - Ausrüstung: Während früher unscharfe Bilder leider die Regel waren, habe ich seit der Anschaffung von FocusMax keine einzige unscharfe Aufnahme mehr produziert.

6 Andromeda 6. Nachführung Egal wie gut Ihre Montierung ist, werden Sie, wenn Sie mit mehr als 500 mm Brennweite arbeiten, nachführen müssen. Da Sie bei der CCD - Astrofotografie sowieso einen Computer dabei haben, bietet sich die Nachführung mit einem Autoguider an. Es gibt von der Firma SBIG ( Kameras, die einen zweiten Chip integriert haben, mit dem man nachführen kann. Leider findet man nicht immer einen passenden Leitstern, und bei Aufnahmen durch Farb- oder Linienfilter muss man oft zu lange belichten um ein brauchbares Signal zu erhalten. Im Normalfall ist der zweite Chip aber sehr praktisch: Er ist gleichzeitig fokussiert und, um die Aufnahmen schon vorher zu planen, kann man sich das Feld von Haupt- und Guidingchip in Sternkartenprogrammen anzeigen lassen. 1/08 Belichtungszeiten Wollen Sie wirklich schöne, rauscharme Bilder erzielen, sind häufig nicht mehr als zwei bis drei Objekte pro Nacht schaffbar. Für eine Farbaufnahme eines Objektes benötigen Sie typischerweise eine ganze Nacht! Mit einer Belichtungszeit von 10 s bis 60 s sehen Sie die meisten Deep-Sky Objekte nur als kleine, verrauschte Matschflecke auf dem Monitor. In den ersten Nächten kann man so durchaus über 50 Objekte pro Nacht aufnehmen, allerdings kann man mit diesen Bildern wenig anfangen. Sie sehen nicht hübsch aus, woran auch viel Bildverarbeitung nichts ändert. Wollen Sie das Potential Ihrer Kamera voll ausschöpfen, müssen sie lange belichten! Leider stehen neben einem schwachen Objekt häufig auch ein paar helle Sterne, welche Ihr CCD nach kurzer Zeit sättigen. Wenn Sie eine Kamera mit Anti-Blooming-Gate haben, passiert nichts weiter; besitzen Sie aber eine Kamera ohne ABG, laufen die Pixel über und die Bilder sehen ziemlich verunstaltet aus. Sie sollten eine lange Belichtungszeit in viele kürzere Aufnahmen aufteilen, die Sie dann im Rechner addieren. Eine Gesamtbelichtungszeit von 120 Minuten kann also zum Beispiel aus acht Einzelaufnahmen a 15 Minuten bestehen, wenn nach 15 Minuten noch kein Stern im Bildfeld den Chip gesättigt hat. Die längste Belichtungszeit für eine Einzelaufnahme kann auch anders begrenzt sein: Hat Ihre Montierung einen starken Pendelfehler oder Sie möchten Sie nicht aktiv nachführen, kann eine Einzelaufnahme immer nur so lange dauern, dass die 27

7 Sterne gerade noch als Punkte und nicht als Striche abgebildet werden. Versuchen Sie jedoch, jede Einzelaufnahme so lange wie möglich zu belichten, denn je höher die Zahl der Einzelaufnahmen ist, desto stärker macht sich das Ausleserauschen bemerkbar. Kalibrieren der Rohdaten Die Rohbilder einer CCD - Kamera sehen nicht besonders schön aus: Sie sind verrauscht, zeigen vielleicht eine aufgehellte Ecke, Staubflecken und Cosmics, die Spuren der kosmischen Strahlung. Aber in diesen Rohdaten steckt viel Information, und der erste Schritt auf dem Weg zum fertigen Bild ist ihre Kalibrierung. Dunkelstrom Dunkelstrom entsteht, egal ob Licht auf den CCD - Chip fällt oder nicht. Leider erzeugen nicht alle Pixel gleich viel Dunkelstrom, weshalb man Dunkelstromaufnahmen (oder Darks ) mit gleicher Belichtungszeit und Chiptemperatur wie die Rohbilder erstellen muss. Als Faustregel gilt: Belichten Sie etwa fünfmal so viele Dunkelstromaufnahmen, wie Sie Objektaufnahmen erzeugt haben. Das gemittelte, rauscharme Masterdark wird dann von Ihrer Objektaufnahme abgezogen. Flatfield Leider ist ein System aus Teleskop und CCD - Kamera nie perfekt: Jedes Pixel hat eine etwas andere Empfindlichkeit als seine Nachbarn. Die meisten Teleskope leuchten wahrscheinlich nicht das gesamte Bildfeld homogen aus, und es ist immer etwas Staub auf den optischen Flächen im Strahlengang, der Schatten auf den Chip wirft. Das untenstehende Bild zeigt eine typische Aufnahme. 28 Zur Korrektur dieser Fehler erstellt man Flatfield Aufnahmen (oder Flats ). Dazu richtet man das Instrument auf eine gleichmäßig beleuchtete Fläche und belichtet so lange, bis das Signal etwa die Hälfte des linearen Bereiches erreicht hat. Geeignete Flächen sind zum Beispiel eine weiße Fläche an der Innenseite der Kuppel oder der Dämmerungshimmel. Viele CCD- Astrofotografen verwenden auch eine Leuchtbox aus zwei Milchglasscheiben und einigen Lampen, die auf die Teleskopöffnung gestellt wird.

8 Andromeda 1/08 Auch bei der Flatfieldkorrektur soll dem Objektbild möglichst wenig zusätzliches Rauschen hinzugefügt werden, weshalb man ca. 20 bis 30 Flatfieldaufnahmen erstellen und diese zu einem Masterflat mitteln sollte. Für die Kalibrierung wählen Sie in den gängigen Bildverarbeitungsprogrammen wie MaxIm DL, AstroArt, CCDWorks oder CCOPS einfach die Verzeichnisse mit den Flatfield- beziehungsweise Dunkelstromaufnahmen an. Die Programme erstellen selbstständig die Summenbilder und wenden diese in der korrekten Reihenfolge auf Ihre Rohdaten an. Filter Filter sind wichtige Zubehörteile bei der CCD - Astronomie. Sie beschränken den Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung. Mit Filtern lassen sich Abbildungsfehler minimieren, Farbaufnahmen erstellen oder Informationen über den Aufbau der Objekte gewinnen. Filter sollten immer so groß sein, dass auch die Ecken des CCDs noch voll ausgeleuchtet werden. Die optische 29 Qualität sollte so gut sein, dass keine sichtbare Verschlechterung des Bildes bewirkt wird. Farbaufnahmen Eine RGB - Farbaufnahme besteht aus den drei Farbkanälen rot, grün und blau. Es gibt Single Shot Color Cameras, die mit einer einzigen Aufnahme ein Farbbild erzeugen; um aber wirklich hochwertige Farbaufnahmen zu machen, sollte man mit einer normalen CCD - Kamera das Objekt jeweils durch einen Rot, Grün- und Blaufilter aufnehmen und diese Aufnahmen im Rechner zu einem Farbbild zusammenfügen. Damit die Farben der Sterne und Objekte im fertigen Bild realitätsnah aussehen, müssen die Transmissionskurven der Filter zum CCD passen. Weiterhin dürfen die Filter kein infrarotes Licht passieren lassen. Sie können also nicht beliebige Farbfilter aus Ihrem Okularkoffer verwenden, sondern sollten einen Satz RGB - Filter mit IR - Sperre für CCD - Kameras erwerben. Da jeder Filter nur das Licht einer Farbe passieren lässt, müssen die Aufnahmen sehr lange belichtet werden, weshalb Sie sich für wirklich gute Bilder auf ein Objekt pro Nacht konzentrieren und dafür entsprechend häufig und lange belichten sollten. Falls Sie Ihre Kamera an einem Refraktor oder Teleobjektiv montiert haben, müssen Sie für jede Farbe neu scharf stellen, da selbst ausgezeichnete Opti-

9 ken nicht alle Wellenlängen im selben Brennpunkt vereinigen. Da eine umfassende Behandlung des Themas Farbaufnahmen den Umfang dieses Artikels sprengen würde, beachten Sie bitte die Literaturhinweise am Ende der Artikelserie. Linienfilter Linienfilter lassen nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge passieren. Am Bekanntesten sind die H-Alpha Filter, die nur das Licht des einfach ionisierten Wasserstoffes bei der Wellenlänge von 656 nm passieren lassen. Zudem gibt es noch Filter für OIII (501 nm) und SII (672 nm). Empfehlenswert sind die Filter von CustomScientific (USA) (www. customscientific.com) oder Astronomik (D) ( Mit Linienfiltern kann und muss man sehr lange belichten, um so auch sehr schwache Objekte aufzunehmen. Sie ermöglichen sogar bei Vollmond oder an Standorten mit starker Lichtverschmutzung Deep-Sky Aufnahmen zu erstellen. Das Bild vom Pferdekopfnebel entstand zum Beispiel in nur 400 m Entfernung vom Hamburger Flughafen, wo die Gürtelsterne des Orion mit dem bloßen Auge nur knapp zu erkennen waren. Fortsetzung folgt 30 Bildnachweise: S. 2 MoFi - und Marskollage GN Mars: von links oben nach rechts unten Aufnahmedaten: , 20:00 Uhr MEZ , 22:00 Uhr MEZ , 00:15 Uhr MEZ MoFi von links oben nach rechts unten Bei den drei Fotos, Instrument: SDHF 75 Kamera:EOS 350D 1. Aufnahme:Durchsicht: Wolkenlücken Belichtungszeit: 1/200s@800ASA 14min nach Beginn der partiellen Phase Datum: , 2:57h MEZ 2. Aufnahme: Durchsicht: Wolkenlücken Belichtungszeit: 1/2s@800ASA noch 9min bis zur Totalität! Datum: , 3:52h MEZ 3. Aufnahme: Durchsicht: Wolkenlücken 10min nach Beginn der Totalität. Mit dem bloßen Auge sah man nichts! Belichtungszeit: 5s@1600ASA Datum: , 4:11h MEZ S. 5 - S. 10 alle Grafiken NB S. 14 Hermann-Michael Hahn, Besucher KK S S. 30 alle Fotos GN S. 32 r.o. Einsteinturm KK S. 32 r.u. Spiegel AIP S. 33 l.u. Modell Einsteinturm HGP S. 33 r. Sofabild AIP S. 34 l.o. Einsteinturm HGP S. 34 l.u. Originalskizzen Mendelsohn AIP S. 34 r. Einsteinturm HGP S. 35 l.u. Kriegsschäden 1945 AIP S. 35 r.o. Putzschäden AIP S. 36 ISS GN S. 39 Krater Kopernikus GN Instrument: Intes MK1008 Filter: Astronomik ProPlanet 742 Kamera: DMK31F03 Mosaik aus 9 Bildern, Verarbeitung mit Registax, Mosaik mit AutoPanoPro Belichtungszeit: 1/30s Datum und Ort: 2008 / Münster AIP - Astrophysikalisches Institut Potsdam, NB - Norbert Bertels, MD - Michael Dütting, KK - Klaus Kumbrink, GN - Gerd Neumann, HGP - Hans-Georg Pellengahr