Astrofotografie – Ratgeber für Einsteiger und Fortgeschrittene

Welche Kamera ist für mein Teleskop geeignet?

Wer sich für eine DSLR-Kamera entscheidet, macht im Grunde nichts falsch. Je nach Höhe des Budgets sollte man aber eine Astrokamera im Betracht ziehen. Absolut empfehlenswert ist die QHY 268C, die über Astrolumina bezogen werden kann.

Eine DSLR-Kamera sollte folgende Voraussetzungen erfüllen:

• manueller Modus
• Blitzabschaltung
• Autofokusabschaltung
• Anschluss für Fernauslöser (Fernbedienung, PC via USB)
• Rauschunterdrückung – kameraseitig
• BULK

Eine Astrokamera mit CCD-Sensor sollte folgende Voraussetzungen erfüllen:

• APS-C Sensor für längere Brennweiten
• USB 3.0
• Pixelgröße möglichst klein (z.B. 3.76µm)
• Kühlung
• Full Well Kapazität möglichst hoch
• geringes Ausleserauschen

Die richtige Belichtungszeit

Die Objekte am Sternehimmel bewegen sich aufgrund der Erdrotation. Längere Belichtungszeiten führen deshalb zu strichpunktartigen Objekten. Die Belichtungszeit fällt je nach Optik unterschiedlich aus. Während mit einem 50mm-Teleskop bis zu 10 Sekunden belichtet werden kann, beträgt die Belichtungszeit bei einem 300mm-Teleskop maximal 0.8 Sekunden. Je größer die Brennweite, desto kürzer muss die Belichtungszeit ohne Nachführung sein. Mit einer Nachführung lässt sich die Erddrehung kompensieren, so dass längere Belichtungszeiten möglich sind. Aber auch die Montierungen stoßen oft an ihre Grenzen, so dass Toleranzen mit einzubeziehen sind. Bei Serienaufnahmen muss deshalb immer wieder nachkorrigiert werden. Mit einer Guiding-Kamera lässt sich dieses Problem aber in den Griff bekommen. Ohne Nachführkontrolle (Guiding) sollte nicht länger als 20-30 Sekunden pro Aufnahme belichtet werden, um unscharfe Bilder zu vermeinden.

Eine längere Gesamtbelichtungszeit führt zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis. Aber ab einer bestimmten Gesamtbelichtungszeit wird das Summenbild nur noch wenig besser. Wenn ein DSO 8 Stunden lang belichtet wurde, wird es erst nach weiteren 20-50 Stunden minimal besser. Es lohnt sich dann nicht mehr, wesentlich mehr Zeit für minimale Verbesserungen zu investieren.

Bei der Belichtungszeit mit einer Spiegelreflex- oder einer spiegellosen Systemkamera sollte man beachten, dass zu viele Serienaufnahmen dazu führen, dass sich der Verschluss abnutzt. Daher eher länger belichten und den ISO-Wert etwas reduzieren.

Die Belichtungszeit richtet sich sowohl am Objekt (lichtstarke und lichtschwache Objekte) als auch an der Lichtstärke des Teleskops (Öffnung und Öffnungsverhältnis). Die Umgebungshelligkeit sowie die Kamera und deren Full Well Kapazität spielen eine wichtige Rolle. Experimentieren hilft hier am ehesten, um das Rauschen weitesgehend zu unterdrücken. Grundsätzlich sollte man bei der Ermittlung der optimalen Belichtungszeit darauf achten, dass der hellste Bildpunkt nicht sättigt. Das Zusammenspiel zwischen Gain/ISO und Belichtungszeit kann je nach Deep Sky Objekt variieren. Wenn wir beispielsweise den Orion-Nebel betrachten, sollte der innere Kern nicht ausgebrannt erscheinen, denn dann wurde entweder zu lange belichtet oder ein zu hoher Gain gewählt.

Mit einem kleinen Gain können helle Objekte länger belichtet werden und geraten nicht so schnell in die Sättigung. Das Ausleserauschen ist aber relativ hoch. Wenn ein großer Gain gesetzt wird, können sehr kurze Belichtungszeiten realisiert werden. Das Ausleserauschen ist dann am geringsten. Bei einem großen Gain und langen Belichtungszeiten werden helle Objekte schnell übersättigt. Der Gain hat nur Auswirkungen auf die Einzelframes.

Wenn Photonen auf dem Sensor treffen, macht es zunächst keinen Unterschied, ob diese mit 1s oder mit 120s Belichtungszeit gemessen werden. Zumindest solange in der Summe dieselbe Gesamtbelichtungszeit erreicht wird. Rein rechnerisch betrachtet kommt beim “Stacken” das gleiche Ergebnis heraus. Das “Stacken” ist nämlich nichts anderes als eine Aufsummierung der Gesamtbelichtungszeit. Das führt dazu, dass sich das Signal-/Rauschverhältnis verbessert. Die Anzahl der Einzelframes an sich hat keine Auswirkung auf das Gesamtbild und lässt es auch nicht glatter erscheinen.

Beim “Stacken” wird jedesmal auch das Eigenrauschen der Kamera hinzuaddiert. Die Kurzzeitbelichtung bringt zwar mehr Details hervor, führt durch die höhere Anzahl an Einzelframes aber auch zu verrauschteren Summenbildern. Auf der Erde gibt es bedingt durch diverse Gegebenheiten das Rauschen des Himmelshintergrunds. Wenn dieses Rauschen des Himmelshintergrunds größer ist als das Ausleserauschen der Kamera (z.B. Astrokameras), dann macht es keinen Unterschied, ob 1800x1s oder 180x10s belichtet wird, da das Aufsummieren des Ausleserauschens der Kamera kleiner ist als das Rauschen des Himmelshintergrunds.

Einzelframes mit kurzer Belichtungszeit können Informationen enthalten, die erst durch das Aufsummieren sichtbar werden. Insbesondere bei starkem Wind macht es Sinn, kurz zu belichten. Zusätzlich verhindern kurze Belichtungszeiten das Aufblähen von Sterne wie z.B. beim Orionnebel. Andererseits gibt es bei längeren Belichtungszeiten mehr Tiefenschärfe. Unterschiedliche Belichtungszeiten können je nach DSO kombiniert werden.

Wer ein Objekt mit vielen Sternen oder einem hellen Kern lange belichten möchte, aber keine ausgebrannten oder aufgeblähten Sterne haben möchte, sollte den Gain möglichst niedrig einstellen. Dadurch erhöht sich aber das Ausleserauschen der Kamera. Das Signal-Rauschverhältnis wird beim “Stacken” schlechter. Dafür gehen keine Informationen durch Übersättigung verloren. Der Gain hat nur Auswirkungen auf die Einzelframes. Das Summenbild wird nicht heller als ein Einzelbild. Lediglich der SNR verbessert sich, denn das Summenbild wird aus mathematischer Sicht gemittelt, also addiert und gleichzeitig geteilt. Die Helligkeit eines Summenbilds wird durch das Stretching bestimmt.

Kameraeinstellungen (CCD)

• Astrokamera mit geringem Ausleserauschen wählen
• Format: RAW16
• Dateityp: FITs
• Gain 0-60 (Diagramm vom Hersteller heranziehen; Objektteile sollten nicht ausgebrannt erscheinen)
• Offset 10-30 (Histogramm links sollte nicht abgeschnitten sein)
  • Dark-Frame bei Gain X aufnehmen und in Fitsworks den ADU-Wert prüfen
• USB Booster ausschalten
• Einzelbelichtungszeit~1-900 Sekunden
• Darks sollten 10-15% der Lights betragen
• Bias nicht erforderlich, da Informationen bereits in den Darks enthalten sind
• Flats und Darkflats für die Kalibrierung erstellen
• Bilder mit AutoStakkert3!, DeepSkyStacker oder Astro Pixel Processor stacken

Kameraeinstellungen (DSLR)

• Manueller Modus
• Weißsabgleich auf Tageslichts (für RAW irrelevant, da Nachkorrektur möglich)
• Autofokus und Automatikfokus ausschalten
• Blendeneinstellung B einstellen
• ISO-Wert 400-800 für DeepSky (bei schwachen Objekten bis ISO 3200 möglich; kann bei Planetenaufnahmen variieren)
• Rauschunterdrückung kameraseitig ausschalten
• Spiegelvorauslösung aktivieren
• Dateikomprimierung ausschalten (RAW-Format)
• Fernauslöser oder zeitverzögerte Auslösung verwenden
• Belichtungsdauer: 30-180s (bei Fernsteuerung BULB-Modus verwenden)

Sollte eine Software wie Ekos verwendet werden, dann gelten die Einstellungen, die direkt mittels Software vorgenommen werden. Einige Tools lesen jedoch die Parameter der Kamera ein, so dass die oben genannten Einstellungen unabdingbar sind.

Die Kurzzeitbelichtungstechnik

Ambitionierte Astronomen bedienen sich immer öfters der Kurzzeitbelichtung. Denn ob 20x30s oder 600x1s belichtet wird, macht aus Sicht der eintreffenden Photonen auf den Kamerachip zunächst keinen großen Unterschied. Aber bei dem einen mal hat man 20 mal das Ausleserauschen und bei dem anderen wird 600 mal ausgelesen. Dabei sollte das Rauschen stets als SNR (Rauschen im Verhältlnis zum Signal) betrachtet werden. Eine CCD-Astrokamera sollte ein möglichst geringes Ausleserauschen aufweisen. Die ZWO ASI 178MC wäre ein solcher Kandidat. Beim Kauf einer Kamera sollte man aber auf die technische Daten achten. Die Pixelgröße spielt nämlich eine entscheidende Rolle, wenn es um die Dynamik geht. Dabei geht es vor allem darum, wie viele Elektronen gespeichert werden können (engl.: Full well capacity).

Ein weiterer Vorteil der Kurzzeitbelichtung ist, dass keine CCD-Kühlung erforderlich ist. Mit einem Newton 8″ und einer ZWO ASI 178MC ist man für Deep Sky Aufnahmen gut aufgestellt. Die Schärfe des Bildes wird nämlich nicht mehr durch das Gerät, sondern durch das Seeing bestimmt. Weiter oben haben wir aufgrund der Pixelgröße der ZWO ASI 178MC ein Öffnungsverhältnis von f=1/12 berechnet. Eine Brennweitenverlängerung mit einer Barlowlinse, wie sie bei Planetenaufnahmen vorgenommen wird, ist bei Deep Sky nicht nötig. Ein Reducer würde aber ebenso wenig Sinn machen, da das Bild heller wird und an Schärfe verliert. 

Der Gain ist die Verstärkung, die dafür da ist, dass man überhaupt etwas sieht. Wer bisher mit Belichtungszeiten von 60-120s gearbeitet hat, wird an seiner Astrokamera einen Gain (Verstärkungsfaktor) von 0-50 und einen Offset bzw. Brightness von 15-7 eingestellt haben, um die bestmöglichen Dynamikbereich abzudecken. Das gilt zumindest für die ZWO ASU 178MM/MC. Bei der Kurzzeitbelichtung arbeiten wir jedoch in einem Sekundebereich von 250ms-4s. Dafür wird der Gain möglichst hoch gesetzt, also knapp unter Maximum. Dort ist zumindest bei der ZWO ASI 178MC das Ausleserauschen sehr gering. Der SNR bleibt aber nahezu gleich.

Bevor die eigentliche Aufnahmeserie gestartet wird, sollte ein Testframe mit einer Belichtungszeit von ~30s erstellt werden. Die meisten Objekte wie Galaxien und Messiers sollten ab 30s zumindest aus dem Zentrum heraus sichtbar sein. Nun wird die Belichtungszeit eingestellt, wobei die kürzeste sinnvolle Belichtungszeit dort ist, bei der man noch etwas vom Hintergrund abbilden kann. Je nach Standort beträgt diese für einen Newton 8″ f/5 etwa 2 bis 4 Sekunde. Bei monochromen Kameras kann auch die Hälfte der Belichtungszeit genutzt werden. Jetzt werden sich viele Anwender denken, dass das Bild bei einer Belichtungszeit von 4s und einem extrem hohen Gain viel zu hell und verrauscht sein könnte. Das ist aber nicht der Fall, da man Rauschen niemals isoliert betrachten sollte. Bei einigen Objekten wie M42 oder M31 könnte es aber tatsächlich Probleme geben. Der Offset sollte bei dieser Methode auf 50-100% gesetzt werden. Dazu einfach ein Dark-Frame bei Gain X erstellen und unter Fitworks oder einem anderen Toll prüfen, ob alle dunklen Pixel auch einen Wert über 10 ADUs haben. Fitswork zeigt links unten den ADU-Wert an der Cursorposition an. Dabei handelt es sich um die Intensität an einem bestimmt Pixel. Bei Farbbildern sind es üblicherweise drei Werte, während es bei schwarz-weiß-Aufnahmen ein Wert ist.

Neben den Lights werden noch Darks benötigt, wobei 10-15% der Lights dafür ausreichend sind. Bias werden nicht benötigt, da die Informationen in den Darks vorhanden sind. Für kleine Sensoren machen Flats und DarkFlats keinen Sinn, da die kleine Sensorfläche wesentlich einfacher gereinigt werden kann und eine Vignettierung fast ausgeschlossen ist.

Die neuen Astrokameras nutzen schnelle Übertragungsraten. Dennoch sollte nicht die maximale Übertragungsrate  eingestellt werden.

Zusammenfassung für Kurzzeitbelichtung

• Astrokamera mit geringem Ausleserauschen wählen
• Format: RAW16
• Dateityp: FITs
• Gain 460 (kurz vor Maximum)
• Offset 50-100 (Histogramm links sollte nicht abgeschnitten sein)
  • Dark-Frame bei Gain X aufnehmen und in Fitsworks den ADU-Wert prüfen
• USB Booster ausschalten
• Übertragungsrate nicht ausreizen
• Belichtung ~4s (kürzeste sinnvolle Belichtung, bei der man noch etwas vom Hintergrund mit abbildet)
• Darks sollten 10-15% der Lights betragen
• Bias nur dann, wenn auch Flat erstellt werden; Flats bei sauberen Sensor nicht notwendig, da der Chip klein ist.
• Bilder mit Autostakkert stacken

Beispiel: Eskimonebel

• Gesamtbelichtungszeit: 0,4h
• Lights: 700x2s
• Darks: 700x2s

Die Kurzzeitbelichtung hat aber einen großen Nachteil: Bei längeren Belichtungzeiten entstehen viele Einzelframes, die gestackt werden müssen. Bei einer Gesamtbelichtungszeit von rund einer Stunde mit einer Sekunde Einzelbelichtung ergeben sich 3600 Frames. Das Stacken nimmt dann je Rechenleistung und Algorithmus mehrere Stunden oder sogar Tage in Anspruch. Bei 50.000 Einzelframes geht auch ein guter Rechner in die Knie.