Astrofotografie – Ratgeber für Einsteiger und Fortgeschrittene

Kamera

Es gibt viele Wege, um Astrofotografie zu betreiben, wobei sich vor allem DSLR- und CCD-Kameras durchgesetzt haben. Die Wahl der richtigen Kamera ist aber garnicht so einfach, da die Geräte verschiedene Kriterien erfüllen müssen, auf die wir im weiteren Verlauf dieses Artikels eingehen werden. Doch so viel vorweg: Die Chipgröße der Kamera sollte zum Teleskop passen und die Pixelgröße möglichst klein sein. Das lässt sich über den Astronomy field of view calculator sehr einfach berechnen.

DSLR oder CCD-Kamera?

Die DSLR-Kameras sind in der Astrofotografie weit verbreitet. Beliebte Modelle werden von Händlern als modifizierte Astrokameras angeboten. Die Kameras haben aber einen entscheidenden Nachteil. Sie lassen sich nicht kühlen. Dennoch können damit ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden. Die CCD-Kameras bieten im Vergleich zu den DSLRs auf den ersten Blick keinen großen Vorteile. Der Anschaffungspreis ist doppelt so hoch und der Einsatzbereich beschränkt sich lediglich auf die Astrofotografie. Aber die gekühlten CCD-Chips von Astrokameras wie der QHY 268C sind extrem lichtempfindlich und rauscharm. Sie lassen sehr lange Belichtungszeiten zu. Einen Testbericht zur QHY 268C gibt es hier.

Astrokameras mit kleinem Chip eignen sich vor allem für Planetenbilder, Autoguiding und kleine Deep Sky Objekte. Die Kameras mit APS-C-Sensor richten sich inbesondere an ambitionierte Astronomen, die größere Deep Sky Objekte aufnehmen möchten. Das abgebildete Gesichtsfeld ist aber nicht nur von der Sensorgröße ahängig, sondern auch von der Aufnahmebrennweite. Das Gesichtsfeld eines Newton 10″ f/4 (Brennweite: 1000) ist identisch mit dem eines Newton 8″ f/5 (Brennweite: 1000). Der Newton 10″ f/4 ist aufgrund seines schnellen Öffnungsverhältnisses zwar schwerer handzuhaben, fängt dafür aber mehr Details ein und verkürzt die Belichtungszeit erheblich.  

Planetenfotografie

Das Seeing hat großen Einfluss auf die Qualität von Bildern. Deshalb werden Planeten grunsätzlich nicht fotografiert. Stattdessen werden Videos von Planeten erstellt und zwar mit einer durchschnittlichen Länge von 60s. Das gilt vor allem für Jupiter und Mars. Daraus werden dann die besten Aufnahmen selektiert. Mehrere Videos mit mehr als 1 Minute zu kombinieren oder gar Videos von über 1 Minuten aufzunehmen, macht bei einigen Planeten wenig Sinn, da diese sich im Gegensatz zu Deep Sky Objekten und Sternen schnell drehen.

Durch verschiedene Bildbearbeitungsprogramme wie PIPP, AutoStakkert!3, RegiStax und einem Bildbearbeitungsprogramm wie GIMP oder Photoshop ist es möglich, aus den gestackten Aufnahmen knackscharfe und detaillierte Bilder zu generieren.

Astrokameras haben einen entscheidenden Nachteil: Für den Betrieb ist ein Rechner mit USB-Anschluss notwendig. Je nach Kamerachip und Teleskopgröße werden Planeten unterschiedlich groß dargestellt. Mithilfe von Barlowlinsen kann der Maßstab angepasst werden, was jedoch ein noch feinfühligeres Fokussieren erfordert. Denn durch den Einsatz von Barlowlinsen wird die effektive Brennweite vergrößert, gleichzeitig aber auch das Bildfeld verkleinert. Dadurch wird auch das Zentrieren der Planeten in die Bildfeldmitte erschwert. Es ist ratsam, das Objekt zunächst mithilfe eines Okulars zu zentrieren. Anschließend kann das Okular mit der Barlowlinse gekoppelt werden und das Objekt erneut in die Bildfeldmitte ausgerichtet und fokussiert werden. Danach kann das das Okular entfernt und die Kamera eingesteckt werden. Die Belichtungszeit in der Astrokamera-Software sollte auf 10-20ms und der Gain etwa auf die Hälfte eingestellt werden. Jetzt sollte der zentrierte Planet sichtbar sein.

Eine sinnvolle Erweiterung ist hier eine motorisierte Fokussierung, denn durch die Berührung des Teleskops verwackelt das Bild, so dass feinfühliges Fokussieren kaum möglich ist.

Farb- und Monochromkameras

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.

Auch unter den Astrokameras gibt es Geräte mit einer Bayermatrix. Man nennt diese Farbkameras auch “One shoot color“-Kameras. Ein großer Vorteil ist, dass die Aufnahmen jederzeit abgebrochen werden können und trotzdem ein farbiges Endergebnis hat. Gleichzeitig ergibt sich dadurch aber auch ein Auflösungsverlust, da nur mehrere Pixel zusammen ein farbiges Bild ergeben.

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.

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 Rotation der Planeten Probleme beim Stacken bereiten kann. Hier gibt es Tools wie WinJUPOS, mit denen Planetenbilder derotiert werden können. Mehr als 20 Minuten sollten die Videos jedoch nicht voneinander entfernt liegen, da ansonsten unschöne Artefakte beim derotieren entstehen.

Der große Vorteil von monochromen Kameras ist, dass alle Pixel genutzt werden und somit die maximale Auflösung erreicht wird. Mond und Planeten werden kontastreicher und detaillierter. Für die Helligkeit und Schärfe ist übrigens der Luminanzkanal verantwortlich, aber nicht unbedingt notwendig. UV/IR-Sperrfilter (L-Filter) 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 ist der Filter dazu da, dass die Farben in dem empfindlichen Bereich der Sensoren besser rüber kommen. Ansonsten haben diese Filter keine besondere Bedeutung. RGBs 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 ergbibt das ein L-Bild, da die Farbe ohne Luminanz entfernt wird.

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 für Planetenfotografie macht keinen Sinn, da dieser das ganze Spektrum abdeckt und das Bild unscharf werden lässt. Das würde nur bei Deep Sky Aufnahmen Sinn machen. Wenn ein RGB einer Farbkamera mit dem Luminanzkanal (Rot, Grün, IR-Passfilter) einer Monokamera kombiniert werden soll, dann muss der Luminazanteil des RGB zunächst entfernt werden. In GIMP oder Photoshop kann dazu nur die Farbe der Ebene des RGB gewählt werden und einfach über die Luminanz gewählt werden. In Fitswork kann ein Bild 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.

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. Zudem 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) montiert sind. Linsen sind für den sichtbaren Teil des Lichts korrigiert. CCD- und CMOS-Chips sind jedoch auch bei unsichtbaren Licht sehr empfindlich und bilden dieses nicht fokussierte 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.

Deep Sky Astrofotografie

Die Astrofotografie ist sehr vielfälltig und bietet verschiedene Möglichkeiten, um Deep Sky Objekte zu fotografieren. Für den Einstieg in die Deep Sky Astrofotografie eignen sich DSLR-Kameras wie die Sony A 7 M2 (ILC7-M2) sehr gut. Noch besser sind jedoch Astrokameras wie z.B. die QHY 268C, die über Astrolumina bezogen werden kann. Bei DSLRs sollte die Belichtungszeit möglichst lange und die Serienaufnahmen kurz gewählt werden, um den Verschluss nicht unnötig zu belasten. Diese Aufnahmetechnik hat sich zwar bewährt, wird aber auch von einigen Nachteilen überschattet. Lange Belichtungszeiten erfordern eine präzise Nachführung der Montierung. Wer seine Aufnahmen beispielsweise vom Balkon aus erstellt, sollte stets bedenken, dass Vibrationen von einem selbst oder vom Nachbarn zu unscharfen Aufnahmen führen können. Außerdem wird bei Langzeitbelichtungen das Bild durch Luftunruhe verschmiert, was sehr gut bei Planetenaufnahmen beobachtet werden kann. Ein Teil der Luftunruhe lässt sich zwar über Bildbearbeitungstools kompensieren, jedoch ist die Nacharbeit mühsam.

Neben DSLRs werden die gekühlten CCD-Kameras immer beliebter. CCD-Kameras gibt es sowohl mit farbempfindlichen Sensor als auch als monochrome Variante. Letztere weist eine höhere Empfindlichkeit als die Farbsensoren auf und ist deutlich vielfältiger einsetzbar. Das Signal-Rausch-Verhältnis von Astrokameras ist zum einen deutlich besser als bei DSLRs und zum anderen sind mit modernen CCDs kürzere Belichtungszeiten möglich. Einige Astronomen nutzen nämlich die Methode der  Kurzzeitbelichtung, auf die wir weiter unten genauer näher werden.

Brennweite und Abbildungsmaßstab

Bei Astrokameras für die Planetenfotografie werben die Hersteller mit interessanten Kenndaten. Davon sollte man sich jedoch nicht gleich zu einem Kauf verleiten lassen. Gute Aufnahmen sind nämlich von Teleskop, Seeing und Licht abhängig. Dabei stolpert man aber auch 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. 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]

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.

Bei der Deep Sky Astrofotografie gibt es keine Antwort auf die Frage nach der Brennweite. Grundsätzlich lassen sich kleine Objekte mit einem Newton 10″ f/5 sehr gut fotografieren. Hier spielt natürlich auch die Größe des Kamerachips eine wesentliche Rolle. Größer als APS-C sollte der Sensor aber nicht sein. Für große Deep Sky Objekte kann es aber auch ein 3″ APO sein. Beide Gerätevarianten bekommt man beim Astrohändler des Vertrauens für rund 1000 EUR.

Barlow Arbeitsabstand

Mit einer Barlowlinse kann die Vergrößerung eines Okulars um einen bestimmten Faktor gesteigert werden. Dabei wird die Brennweite des Teleskop verlängert. Das Okular wird in die Steckfassung der Barlow-Linse gesteckt und diese dann anstelle des Okulars in den Okularauszug gesteckt. Neben den Barlows mit zwei Linsen gibt es auch telezentrische Systeme wie die Tele Vue Powermate. Bei den Barlowlinsen mit zwei optischen Elementen muss ein vom Hersteller vorgegebener Arbeitsabstand zwischen Okular/Kamerasensor und Barlowlinse eingehalten werden. Die Kombination aus Okular und Barlowlinse ist unproblematisch, da das Okular üblicherweise direkt in die Barlowlinsenfassung gesteckt wird. Bei Planetenaufnahmen sitzen zwischen Barlowlinse und Kamerasensor manchmal auch noch ein ADC und/oder ein Filterrad inklusive Adaptern und Steckhülsen. Je nach Arbeitsabstand wird der Einblick bzw. die Abbildung verändert. Das brinbei der Fotografie einen Nachteil, denn bei einer 3-fach Vergrößerung wird das Bild aufgrund der Brennweitenverlängerung dunkler. Die Belichtungszeit und der Gain werden höher. Bei einer 3-fach Vergrößerung und einem Astronomik IR 742 Passfilter ergibt sich eine Belichtungszeit von 25-30ms bei einem maximalen Gain von 410. Mehr als 30 fps bei einer Auflösung von 640×480 sind bei Jupiter dadurch nicht zu erreichen.

Nehmen wir an, dass für Planetenaufnahmen ein Newton 12″ f/5 mit einer ZWO ASI 178 MM zum Einsatz kommen soll. Eine Tele Vue Barlowlinse 1,25″ 2fach würde sich dafür sehr gut eignen, um kein Over- oder Undersampling zu erhalten. Um die Seeingeinflüsse und die Lichtbrechung zu vermeiden, sollen ein Filterrad und ein ADC zwischen Barlowlinse und Kamerasensor angeschlossen werden. Der Arbeitsabstand zwischen Barlowlinse und Kamerasensor beträgt dann etwa 60mm. Laut Tele Vue Diagramm ergibt sich daraus eine 3-fache Vergrößerung, wobei bei Kameras von einem Abbildungsmaßstab gesprochen wird.

Bei telezentrischen Systemen wie der Tele Vue Powermate ist der Verlängerungsfaktor nicht vom Abstand hinter dem Linsenelement abhängt. Bei der Powermate-Barlowlinsen verringert sich der Verlängerungsfaktor sogar. Da die Powermate erst ab 2,5x erhältlich ist, können wir mit einem Arbeitsabstand von 60mm eine Vergrößerung von 2x umsetzen. Eine Ausnahme ist die 5x Powermate. Dazu gibt es diverse Diagramm beim Hersteller.

Chipgröße und Abbildungsfenster

Die ZWO ASI 178MC ist eine ausgezeichnete Kamera für Planetaufnahmen. Mit der ZWO ASI 385MC gibt es aber eine fast identische Kamera. Diese hat zwar nur 12 Bit statt 14 Bit ADC, dafür aber größere Pixel. Die Bildfelder der beiden Kameras sind zwar nicht so verschieden, aber die ZWO ASI 178 MC hat kleinere Pixel und sammelt somit weniger Licht pro Pixel als die ZWO ASI 385 MC. Das zeigt auch das Diagramm für die Full Well Kapazität. Man nimmt dadurch etwas längere Belichtungszeiten in Kauf. Zwar wird oftmals auch mit dem Binning argumentiert, aber das Binning funktioniert nur bei Monochrom-Sensoren. Mit einem Farbsensor ist das bedingt durch die Bayer-Maske vor dem Chip keine Option.

Die ZWO ASI 178MC hat zwar kleinere Pixel, aber diese ist back-illuminated und macht von der Empfindlichkeit damit wieder etwas gut. Außerdem hat sie einen 14 bit ADC mit 15 ke Fullwell. Im Dynamikumfang ist der Unterschied auf alle Fälle sichtbar. Deep Sky Astrofotografie wird mit der ZWO ASI 178MC aber nur eingeschränkt möglich sein. Wird diese z.B. in Kombination mit einem Newton 8″ eingesetzt und auf großflächige Objekte ausgerichtet, so wird auf dem Kamerachip höchstens ein Bruchteil davon abgebildet. Kleinere Objekte wie M27 (auch Hantelnebel genannt) lassen sich mit der ZWO ASI 178MC aber gut fotografieren. Das gilt auch für kompakte Sternenhaufen wie M15 oder dem Blue Snowball. Wer aber ernsthaft Deep Sky Astrofotografie betreiben möchte, greift zu einer Astrokamera mit APS-C Sensor. Um das Rauschen möglichst niedrig zu halten, sollte die Astrokamera gekühlt sein. Die QHY 268C können wir an dieser Stelle uneingeschränkt empfehlen.

Folgendes Bild gibt einen Überblick darüber, wie sich die Teleskopgröße auf die Darstellung eines Objekts auf dem Kamerachip auswirkt:

Möchte man mit einer Planetenkamera den Jupiter fotografieren, liefert ein Newton 12″ eine wesentlich kleinere Abbildung als ein Newton 8″. Gleichzeitig bietet ein Newton 12″ ein wesentlich höheres Lichtsammelvermögen und damit auch mehr Details.

Bei der Auswahl der richtigen Astrokamera sind die Spezifikationen des Herstellers zu beachten. Die ZWO ASI 178MC liefert bei voller Auflösung von 3096×2080 und USB 3.0 60fps (10 bit, Highspeed-Modus) oder 30 fps (14 bit, Normal-Modus). Mit einem USB 2.0-Anschluss sind bei voller Auflösung von 3096×2080 nur 6fps möglich. Da die Auflösung bei Planetenaufnahmen reduziert wird, sind hier 139.9 fps bei 640×480 Pixel möglich.