Planetenfotografie – Ratgeber für Einsteiger und Fortgeschrittene

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Die Planetenfotografie ist ein Teilgebiet der Astrofotografie, bei der Sonne, Mond, Planeten unseres Sonnensystems sowie Asteroiden und Kometen fotografiert werden. Günstige Astrokameras, moderne Rechner mit großem Datenspeicher und kostenlose Tools ermöglichen Amateur-Astronomen einen einfachen Einstieg mit Erfolgserlebnissen. In diesem Planetenfotografie Ratgeber werden Themen wie Farb- und Monochromkameras, Planetenaufnahmen, Kameraeinstellungen, Stacking, Bildbearbeitung und Derotation von Planeten behandelt. Das passende Video dazu gibt es auf unseren YoutTube-Kanal.

Neben Planeten gehören vor allem hochauflösende Mondbilder zur Planetenfotografie. Dabei werden Videos im SER-Format angefertigt, die mit Tools wie PIPP in ein gängiges Format wie AVI konvertiert werden. Die Einzelframes werden anschließend mit einem geeigneten Tool wie AutoStakkert!3 analysiert und die qualitativ besten Aufnahmen übereinander (engl.: stack) gelegt. Das durch das Stacken erzeugte Summenbild wird üblicherweise mit einem Wavelet-Filter bearbeitet und anschließend die Farben angepasst. Dazu eignet sich vor allem das kostenlose Tool RegiStax. Gearbeitet wird im TIF-Format. Als technisches Equipment bieten sich Planetenkameras an, die für die Astrofotografie ausgelegt sind.

Planetenfotografie

Das Seeing wird zunehmend unruhiger und hat dadurch einen immer größeren Einfluss auf die Bildqualität. Deshalb werden Planeten auch nicht fotografiert, sondern aufgenommen. Die Länge eines Videos ist unter anderem von der Planeteneigenrotation abhängig und beträgt im Durchschnitt 60 Sekunden. Das gilt vor allem für Jupiter und Mars. Daraus werden dann die besten Aufnahmen gefiltert, übereinandergestapelt und Summenbilder der einzelnen Videos derotiert und erneut gestackt.

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Mit verschiedene Tools wie PIPP, AutoStakkert!3, RegiStax und Bildbearbeitungsprogrammen wie GIMP, Photoshop oder Affinity werden Aufnahmen gestackt und Details durch Schärfen mittels Wavelet-Filter oder Deconvolution herausgearbeitet. Es gibt noch weitere Tools wie Topaz Gigapixel AI oder Topaz Sharpen AI, die Bilder mittels künstlicher Intelligenz bearbeiten. Hier ist jedoch vorsicht geboten, denn bei Planetenbildern kann dies zu Artefakten führen, die so aussehen, als würden sie Teil des Planeten sein, es aber nicht sind.

Für die Planetenfotografie eignen sich vor allem Astrokameras mit kleinen Pixeln (z.B. 2,4µm oder 3,76µm). Für den Betrieb ist ein Rechner mit USB-Anschluss erforderlich. Je nach Sensor- und Teleskopgröße werden Planeten unterschiedlich groß dargestellt. Mithilfe von Barlowlinsen kann der Maßstab angepasst werden, was jedoch ein noch feinfühligeres Fokussieren und längere Belichtungszeiten erfordert. Denn durch den Einsatz von Barlowlinsen wird die effektive Brennweite vergrößert, gleichzeitig aber das Bildfeld verkleinert. Dadurch wird auch das Zentrieren der Planeten in die Bildfeldmitte erschwert. Eine motorisierte Fokussierung ist daher von Vorteil, um ein verwackeltes Bild während dem Scharfstellen zu vermeiden.

Farb- und Monokameras

Jede Kamera besitzt einen Schwarz-Weiß-Sensor, der Helligkeitsinformationen aufnimmt. Für die Farbbilder sind hauchdünne Filter vor dem Chip verantwortlich. Vor jedem einzelnen Pixel sitzen Farbfilter, wobei auf rot und blau zwei grüne folgen. Diese vier Pixel ergeben ein farbiges Pixel. Man nennt dieses Filtersystem vor dem Chip auch Bayer-Matrix. Die Umrechnung zu einem Farbbild übernimmt die Kamera, zumindest für Formate wie JPEG. Im RAW-Format können Bilder später auch an einem Computer in Farbbilder umgerechnet werden. Das nennt sich „debayern„. Der Vorteil ist, dass sich aus einem Bild ein Farbbild ergibt.

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ZWO ASI 178 MC Bayer-Matrix

Auch unter den Astrokameras gibt es Geräte mit einer Bayermatrix. Man nennt diese Farbkameras auch one-shot color-Kameras. Ein großer Vorteil ist, dass die Aufnahmen jederzeit abgebrochen werden können und sich am Ende trotzdem ein farbiges Endergebnis ergibt. Farbkameras haben aber einen großen Nachteil und zwar einen Auflösungsverlust, da nur mehrere Pixel zusammen ein farbiges Bild ergeben.

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ZWO ASI 178 MC und MM

Monochrome Kameras besitzen einen Schwarz-Weiß-Chip, jedoch ohne Farbfilter. Dennoch lassen sich damit farbige Bilder aufnehmen. Dafür gibt es L-RGB-Filtersätze, mit denen nacheinander für jeden Farbkanal ein Bild erstellt werden kann. Die drei eingefärbten Bilder werden mittels Software an einem Rechner übereinandergelegt und ergeben ein Farbbild. Bei der Verwendung von Farbfiltern wird das Spektrum des Lichts von etwa 750nm (rot) bis etwa 400nm (violett) abgedeckt. Außerhalb dieses Wellenlängenbereichs wird alles abgeblockt.

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ZWO ASI 178 MM mit Filterrad

Für ein Farbbild sind drei Bilder erforderlich. Deshalb eignen sich monochrome Kameras eher für Fortgeschrittene und Profis, da die Aufnahmen mit mehr Aufwand verbunden sind. Bei Planetenaufnahmen kommt hinzu, dass die Planeteneigenrotation Probleme beim Stacken bereitet. Hier gibt es Tools wie WinJUPOS, mit denen Planetenbilder derotiert werden können. Mehr als 15 Minuten sollten die Videos jedoch nicht voneinander entfernt liegen, da ansonsten unschöne Artefakte beim Derotieren entstehen.

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ZWO ASI 178 MC – UV/IR-Sperrfilter

Der große Vorteil von monochromen Kameras ist, dass alle Pixel genutzt werden und somit die maximale Auflösung erreicht wird. Mond und Planeten werden kontrast- und detailreicher. Für die Helligkeit und Schärfe ist übrigens der Luminanzkanal verantwortlich, bei einigen Planeten wie den Jupiter aber kontraproduktiv. UV/IR-Sperrfilter lassen das gesamte sichtbare Spektrum des Lichts passieren. Diese sind in einigen Astrokameras wie der ZWO ASI 178 MC werksseitig verbaut, haben dort aber eine andere Funktion. Bei einer Farbkamera kommen die Farben mit einem UV/IR-Sperrfilter im empfindlichen Bereich des Sensors besser rüber. Ansonsten haben diese Filter keine besondere Bedeutung. Die Bilder einer Farbkamera haben 3 Kanäle, die alle einen Luminanzanteil und einen Farbanteil enthalten. Die beiden Anteile ergeben das RGB-Bild. Wenn das RGB der Farbkamera in ein monochromes Bild (Graustufenbild) umgewandelt wird, dann ergibt das ein L-Bild, da die Farbe ohne Luminanz entfernt wird.

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Mond Nahaufname mit einer ZWO ASI 178MM, Tele Vue Barlow 2,5x Powermate und IR-Passfilter

Auch mit einer Monokamera können Farben aufgenommen werden, indem 3 Filter (R,G und B) verwendet werden. Der Vorteil einer Monokamera ist, dass der Farbbereich frei gewählt werden kann und so z.B. Seeingeinflüsse reduziert werden können. Es können Rotfilter oder IR-Passfilter verwendet werden, die dann als Luminanz definiert werden. Die Farbinformationen bekommt man entweder vom RGB der Farbkamera oder vom zusammengesetzten RGB der Monokamera. Ein L-Filter bei einer Monokamera macht bei der Planetenfotografie keinen Sinn, da dieser das ganze Spektrum abdeckt und das Bild unscharf werden lässt. Der Einsatz dieses Filters ist eher bei Deep Sky Aufnahmen sinnvoll. Wenn das Bild einer Farbkamera mit dem Luminanzkanal einer Monokamera (z.B. Rot oder IR-Passfilter) kombiniert werden soll, dann muss der Luminazanteil des Farbbildes zunächst entfernt werden. In GIMP oder Photoshop wird dafür die Farbe der Ebene gewählt und dann einfach über die Luminanz gelegt. Manche Bilder müssen zunächst in Fitswork als Luminanz festgelegt werden. In anderen Bildbearbeitungstools bietet die Ebenenoption eine Art „Luminanz“ an. Wenn ein RGB aus einzelnen Bilder einer Monochromkamera kombiniert wurde, dann gibt es hier natürlich keinen Luminanznanteil, der entfernt werden muss, bevor die gewünschte Luminanz darübergelegt wird.

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Jupiter – Farbkamera vs. Monokamera

Trotz der vielen Vorteile einer monochromen Kamera, können mit Farbkameras teilweise wesentlich bessere Ergebnisse erzielt werden. Zum einen spart man sich das drei- bis vierfache der Zeit und die wahrscheinlichkeit gutes Seeing zu erwischen, ist wesentlich höher als bei monochromen Kameras, wo zusätzlich auch noch derotiert werden muss. Auch steigt der Aufwand bei der Bildbearbeitung.

Der Einsatz eines IR-Sperrfilters ist immer dann sinnvoll, wenn Linsen wie z.B. Barlowlinsen zwischen der Optik (Teleskop) und der Kamera (Sensor) verwendet werden. Linsen sind für den sichtbaren Teil des Lichts korrigiert. CCD- und CMOS-Chips sind jedoch auch bei unsichtbaren Licht sehr empfindlich und bilden dieses nichtfokussierte Licht ebenfalls ab. Um scharfe Bilder von Planeten im Spektralbereich zu erhalten, werden deshalb IR-Sperrfilter verwendet.

Der Luminanzkanal wird üblicherweise mit einer Belichtung durch einen UV-/IR-Sperrfilter belegt. Es können aber auch andere Filter genutzt werden, um zusätzlich zum Farbbild (RGB) noch eine Belichtung für den Luminanzkanal zu erstellen. Dabei können verschiedene Spektralbreiten abgedeckt werden. Der Astronomik ProPlanet 642 BP IR Passfilter lässt z.B. nur infrarotes Licht mit einer bestimmten Wellenlänge durch. In diesem Bereich sind Seeingeffekte deutlich geringer als im Bereich des sichtbaren Spektrums. Für Mond- und Planetenaufnahmen sind diese Filter nicht mehr wegzudenken.

Brennweite und Abbildungsmaßstab

Bei Astrokameras für die Planetenfotografie sollte man sich nicht von den technischen Spezifikationen zu einem Kauf verleiten lassen. Der limitierenden Faktor sind das Seeing und das Teleskop, das gut justiert sein sollte. Bei der Wahl einer geeigneten Astrokamera stolpert man über den Begriff Sampling, was die Pixelanzahl des zu abbildenden Bilds im Sensor beschreibt. Wird ein Objekt durch wenige Pixel abgetastet, erscheint es pixelig und wird als Undersampling bezeichnet. Wird ein Objekt von zu vielen Pixeln abgetastet, erscheint es verschwommen und ausgedehnt. Dies wird auch als Oversampling bezeichnet.

OverUndersampling_2
Over- und Undersampling

Ein Stern sollte deshalb von einem 3×3 Pixelfeld abgetastet werden. Gleichzeitig muss aber auch das Seeing berücksichtigt werden. In Deutschland liegt das Seeing bei etwa 3 Bogensekunden und begrenzt damit auch das Auflösungsvermögen. Der Abbildungsmaßstab legt dabei fest, wie viel ein Pixel an Bogensekunden am Sternenhimmel erfasst. Der Wert 206 entspricht dabei einem gerundeten Wert einer Winkelfunktion:

Abbildungsmaßstab [Bogensekunden/Pixel] = 206 * p [µm] / f [mm]

Mars_Vergleich
Planetenkameras – Mars mit QHY5ii-C und ZWO ASI 178 MC sowie diverse Brennweiten

Es gibt aber auch einen einfacheren Rechenweg. Folgende Formel kann für eine grobe Rechnung herangezogen werden:

Optimales Öffnungsverhältnis = Pixelgröße in Mikrometern x 5

Diese Faustformel basiert auf das Niquist-Kriterium. Dieses besagt, dass pro auflösbare Struktureinheit 2 Pixel vorhanden sein sollten. Als Beispiel betrachten wir einen Newton 12″ mit f/4,9 (1500/305) sowie einen Newton 8″ mit f/5 (1000/200). Eine Astrokamera wie die ZWO ASI 178 MC hat eine Pixelgröße von 2.4µm.

Es ergibt sich damit folgende Gleichung:

12 = 2,4 x 5

Das optimale Öffnungsverhältnis wäre demnach 1/12 und ist mit einer 2,5-fach-Barlow zu erreichen. Mit einer 2,5-fach Barlowlinse verlängert sich die Brennweite eines 8″ Newtons von 1000mm auf 2500mm. Mit 2500/200 ergibt sich ein Öffnungsverhältnis von f/12,5. Eine Vergrößerung macht aber nicht immer Sinn. Wenn die Brennweite schrittweise mit diversen Barlows erhöht wird, nimmt die Größe des Bildes zusammen mit der Anzahl an Details nur bis zu einem bestimmten Punkt zu. Die Qualität der Details wird nämlich durch Faktoren wie Kollimation, atmosphärische Turbulenzen, Fokussierung und thermisches Gleichgewicht begrenzt. 

Für viele Astronomen ist der Faktor 5 aber zu hoch und überfordert die Barlowlinse nur unnötig. Optimal wäre deshalb folgende Gleichung mit einem Faktor von 3,6, die auf dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem beruht:

Optimales Öffnungsverhältnis = Pixelgröße in Mikrometern x 3,6

Mit Fakro 3,6 wird in etwa 85-95% des maximal möglichen Auflösungsvermögen erreicht. Ab da gibt es mit größeren Faktoren nur noch ein minimaler Auflösungsgewinn, der keine wirkliche Verbesserung bringt. Stattdessen führt eine längere Brennweite dazu, dass sich auch die Belichtungszeit verlängert und somit somit weniger Frames zustande kommen. 

Bei 2.4µm großen Pixeln wäre demnach f/8,7 optimal. Bei einem Newton mit f/5 ergibt sich damit ein Barlowfaktor von 1,7. Mit einer 2-fach Barlowlinse fährt man an dieser Stelle sehr gut. Das deckt sich auch mit unseren praktischen Erfahrungen. Für schnelle Newtons ab f/4 sollte eine komakorrigierende Barlowlinse von APM verwendet werden.

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1 Gedanke zu „Planetenfotografie – Ratgeber für Einsteiger und Fortgeschrittene“

  1. Hallo PCPointer,

    euer Bericht ist mega! Vielen vielen Dank dafür.

    Wie ich gehört habe,soll der Bericht immer wieder Mal aktualisiert werden.Ich bin gespannt, was noch folgen wird.

    Insbesondere der Teil zum Thema Derotation und Konvertierungseinstellungen mit PIPP für Monoaufnahme hat mir sehr geholfen.

    Weiter so,
    Markus

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