OSC (OneShotColor) oder Mono (SW) Kamera mit Filter?
Eine grundlegende Frage - meistens bereits am Anfang aller astrofotografischen Aktivitäten gestellt - welche Kamera?
Am Anfang für fast jeden, der sich mit Astrofotografie beschäftigt, ist es wahrscheinlich eine sinnvolle Vorgangsweise, eine "Foto"kamera, also eine DSLR (egal ob mit oder ohne Spiegel) zu verwenden um erst einmal festzustellen, ob Astrofotografie wirklich etwas ist, was ernsthafter betrieben werden soll - es ist ja nicht ein "übliches" Hobby, es erfordert relativ viel Zeitaufwand, viel Zeit in der Nacht (zumindest am Anfang), viel Geduld und die Fähigkeit, herbe Enttäuschungen wegzustecken und sich nicht entmutigen zu lassen.
Einige verwenden ganz einfache Adapter um mit dem Handy Aufnahmen zu machen - ja, es geht, aber die Ergebnisse sind fast immer von sehr begrenzter Qualität und selten ein wirkliches Erfolgserlebnis.
Der weitere Schritt ist dann die Verwendung einer oft schon vorhandenen DSLR oder DSLM ( also spiegellosen) Kamera. Objektiv runter, Adapter rauf und los geht´s....so einfach ist es nur in der Werbung. Der Abstand von Sensor zur vorgegebenen Bildebene muss ziemlich genau eingehalten werden (oft ist er 55mm), die Kamera muss mit Energie versorgt werden (eingebaute Akkus leben nicht sehr lange - vor allem nicht, wenn es kalt wird) und die Aufnahmen müssen ja auch gesteuert werden. So beginnt meistens ein Kabelsalat - Steuerung der Kamera, des Teleskops, der Stromversorgung für die Montierung, das Guiding usw. - viele lose Kabel (über die man in der Dunkelheit sehr gut stolpern kann) machen das Leben nicht einfacher.
Erste Grundregel - alle Kabel zusammenfassen und soweit es geht am Teleskop oder einer anderen geeigneten Stelle anklemmen, anheften oder irgendwie anders flexibel aber sicher montieren. Dabei ist aber unbedingt darauf zu achten, dass alle (wirklich alle!) Bewegungen des Teleskope (in RA und DEC, inklusive Meridianflip) durch die Kabelstränge nicht behindert werden.
OSC Kameras
Eine OSC, eine One Shot Color Kamera ist eine Kamera, die mit einer einzigen Aufnahme alle Farben gleichzeitig erfasst - also so, wie es eine "normale" Fotokamera macht. Der Vorteil ist, dass man alle Farben mit jeder einzelnen Aufnahme erfasst und das ist ein Trumpf, wenn man nur wenig klare Sternenzeit hat. Auch ist die nachfolgende Aufarbeitung der Aufnahmen relativ einfach im Vergleich zu einer Monokamera.
Allerdings muss man bedenken, dass man pro Farbe, also pro Kanal nicht die volle Auflösung der Kamera erhält - vor dem Sensor sitzt ja ein Farbfilterarray, der sgn. Bayer-Sensor. Das bedeutet, dass man von einem 24MPx Sensor, der eine RGGB Matrix als Filter hat, nur je 6Mpx Rot und Blau und 12MPx Grün bekommt - und das noch durch die Pixeldimension räumlich getrennt. Das fertige Bild wird also zusammengerechnet und die fehlenden Rauminformationen durch entsprechende Algorithmen errechnet. So fällt es kaum auf, aber ein kritisches Auge sieht, dass da die Auflösung des Bildes nicht der nominalen Pixelzahl entspricht.
Als gangbaren Ausweg nimmt man daher eine OSC mit sehr vielen Pixel - zB 40-60MPx. Da diese vielen Pixel aber wegen der großen Anzahl deutlich kleiner sind, braucht man eine längere Belichtung - die kleineren Pixel können ja nur weniger Photonen registrieren als weniger aber deutlich größere Pixel. Um da keine markanten Nachteile zu haben, wurde die Quantenausbeute in den letzten Jahren stark gesteigert. Quantenausbeute - also die "elektrische" Signalreaktion eines Pixel auf einfallende Photonen. Früher war eine Quantenausbeute von 40% schon recht gut, heute sind 80% und mehr normal.
OSC Kameras haben noch einen weiteren Vorteil (neben der Zeitersparnis und der einfacheren Verarbeitung der einzelnen Aufnahmen) - man kann spezielle Filter verwenden, die dann den Effekt von Monokameras mit Schmalbandfiltern simulieren. Solche Filter sind "2-Wellenlängen" oder 3-Wellenlängen" Filter, die so gemacht werden, dass die schwachen Emissionslinien von Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Schwefel speziell durchgelassen werden. Damit kann man auf einer einzigen Aufnahme sowohl die Wasserstoff (Ha) als auch die Sauerstoff (OIII) und/oder auch die Schwefel (SII) Bereiche abbilden. Natürlich lassen solche Filter relativ wenig "Licht" durch, das bedeutet relativ lange Belichtungszeiten - aber es ist sehr bequem und in Summe auch noch zeitsparend.
Die Ergebnisse solcher Aufnahmen sind erstaunlich gut, können sich aber in Bezug auf die Klarheit der Farben und der Farbtrennung nicht mit denjenigen Aufnahmen messen, die mit Monokameras plus Schmalbandfilter gemacht wurden.
Für sehr viele Objekte sind aber solche Kombinationen durchaus interessant und wenn man dann noch bei der Entwicklung und Verarbeitung dieser Aufnahmen einige Tricks und Kniffe anwendet, so sind auch jene Ergebnisse sehr beeindruckend und durchaus sehenswert.
Es gibt zwei unterschiedliche Gruppen von OSC Kameras, die eine Gruppe sind umgebaute und nicht umgebaute "Foto"kameras, DSLR und spiegellose Digitalkameras, die andere Gruppe sind OSC-Astrokameras.
Die DSLR als Einstiegsoption in die Astrofotografie ist weit verbreitet, hat aber den bedeutenden Nachteil, dass diese Kameras keine eingebaute Kühlung haben und technisch nicht für die Astrofotografie optimiert sind.
Diese Nicht-optimierung beinhaltet auch den Umstand, dass vor dem Sensor mit der Bayermatrix ein Sperrfilter eingebaut ist, das den registrierbaren Wellenlängenbereich drastisch begrenzt - nicht nur im Bereich UV sondern auch im Rotbereich. Dadurch ist es fast unmöglich, Wasserstoffemissionen, die im längerwelligen Rotbereich liegen, auch nur annähernd gut aufzunehmen.
Die teilweise sehr langen Belichtungszeiten müssen fast immer durch externe Steuerungen erreicht werden und, wenn eine DSLR verwendet wird, das Geräusch des immer wieder klappenden Spiegels kann in der Nacht schon sehr störend sein. Bei den spiegellosen Digitalkameras ist dieses zwar nicht mehr vorhanden, aber die etwas aufwendigere Bewerkstelligung der langen Astrobelichtungszeiten ist nach wie vor vorhanden. Um die diversen Nebel (galaktische, planetare etc) aufnehmen zu können, gibt es Clipfilter, die in das Kameragehäuse eingesetzt werden.
Umgebaute Digitalkameras, bei denen der vorher erwähnte UV/IR(deepRed) Sperrfilter ausgebaut wurde, sind eine gute Option für den Einstieg in die Astrofotografie. Allerdings bleiben die anderen beiden Nachteile erhalten - keine Sensorkühlung und externe Belichtungssteuerung statt der eingebauten Automatik. Da alle diese Consumerkameras nicht für Astrofotografie ausgelegt werden, ist auch meistens die Quantenausbeute nicht besonders hoch - diese liegt in einem Bereich von etwa 40-60%. Wie bereits erwähnt, bedeutet das längere Belichtungszeiten als mit einer echten Astrokamera.
Nikon hatte eine für die Astrofotografie umgebaute DSRL im Lieferprogramm (mit einem -A gekennzeichnet), diese wurde aber aufgelassen. Canon hat nach wie vor eine speziell für die Astrofotografie optimierte Kleinbildkamera, die ausgezeichnete Ergebnisse liefert -allerdings ist der Preis der Kamera bereits im Bereich von hochwertigen "echten" Astrokameras.
OSC-Astrokameras sind solche, die zwar einen Sensor mit einer Farbfiltermatrix besitzen, also direkt mit einer einzigen Aufnahme das Farbbild aufnehmen, sie sind aber für die ganz verschiedenen Aufgaben der Astrofotografie optimiert - sie haben (fast alle) eine eingebaute Kühlung des Sensors.
Warum ist eine Kühlung des Sensors so wichtig? Die langen Belichtungszeiten und die Tatsache, dass man für Astrofotografie nicht nur Dutzende sondern oft Hunderte von Aufnahmen eines Objekts braucht, bedeutet für den Sensor und dessen Elektronik eine thermische Belastung, die sich durch einen stark ansteigenden Dunkelstrom, ein "Rauschen" bemerkbar macht. Vor allem bei Belichtungszeiten jenseits der 30 Sekunden Grenze, wird dieses Rauschen bedeutend und erzeugt eine deutliche Verschlechterung des gesamten Bildeindrucks. Kühlt man jedoch den Sensor auf Temperaturen weit unter der Umgebungstemperatur - meistens bis zu 30 Grad unter der Umgebungstemperatur, so ist dieses Rauschen sehr gering und nur sehr wenig bis nicht mehr störend.
Eine weitere Eigenschaft der OSC_Astrokameras ist der Umstand, dass man Belichtungszeiten bis weit in den zweistelligen Minutenbereich hinein machen kann, ohne dass es irgendwelche Probleme gibt - allerdings sind alle Belichtungen, so wie auch die gesamte Steuerung der Kamera, von einer externen Software zu bewerkstelligen. Durch die für die spezielle Anwendung optimierte Bauweise können auch Filter verschiedenster Art einfach verwendet werden.
Hier eine OSC Astrokamera, die sicher einen sehr guten Einstieg in die Astrofotografie ermöglicht - der Preis ist noch in einer für ernsthafte Interessenten erreichbaren Höhe (zZ etwa 1100-1200Euro), der quadratische Sensor ist praktisch und die Pixelgröße ist recht universell verwendbar. Es ist die QHY533C, eine hervorragende CMOS Kamera und sie wird von dem meisten Händlern vertrieben und ist meistens am Lager vorhanden.
(Die Bildrechte dieser Aufnahme sind bei Baader Planetarium)
Mono-Kameras
Monokameras sind nichts anderes als Schwarz-Weiß Kameras, sie liefern, so wie sie sind, nur SW Bilder - mit der vollen Auflösung des Sensors und in voller Qualität. Es gibt kein Farbfiltersystem vor dem Sensor, das Licht fällt so auf die Pixel, wie es durch die Optik kommt. Diese Kameras haben auch ein eingebautes Kühlsystem und können daher meistens Temperaturen um die 30 Grad unter der Umgebungstemperatur erreichen und dauerhaft halten.
Da es vor dem Sensor keine begrenzenden Filter gibt, kann der Sensor den gesamten Wellenlängenbereich, für den er physikalisch empfindlich ist, aufnehmen. Das hat Vor- aber auch Nachteile.
Zuerst die wenigen Nachteile - nimmt man Sterne auf, ist die Abbildungsqualität eine Funktion der Wellenlänge - mit anderen Worten, kürzere Wellenlängen werden fast immer ein kleineres Sternabbild erzeugen als längere Wellenlängen. Bei einer entsprechend guten Korrekturqualität der verwendeten Optik ist das meistens nur ein geringes Problem, Da aber die Sensoren auch im nahen Infrarot empfindlich sind, erzeugt dieser Wellenlängenbereich, für den die Optik nicht korrigiert wurde, ein Sternabbild, das nicht nur deutlich größer, sondern auch noch deutlich verschwommener ist, die Sterne wirken verwaschen.
Daher ist es sehr sinnvoll, ein UV/IR (nicht auch deepRed, sondern nur IR!) Sperrfilter vor den Sensor zu platzieren um diesen Nachteil zu eliminieren.
Ein weiterer Nachteil, der zugleich aber auch der bedeutende Vorteil ist, ist die Notwendigkeit der Verwendung von zumindest drei Farbfilter - Rot, Grün und Blau - um ein Farbbild zu erzeugen. Nachteil insofern, dass man nun mindestens drei Aufnahmen des gleichen Objekts machen muss, um zu einer Farbaufnahme zu gelangen. Warum mindestens drei...weil man sinnvollerweise noch eine "SW" Aufnahme macht, eine sgn. Luminanzaufnahme durch den eben erwähnten speziellen Sperrfilter um alle Information aller Wellenlängen zugleich auf ein Bild zu bekommen. Dadurch wird die finale Bildqualität deutlich verbessert und die Detailwiedergabe gesteigert.
Es ist also deutlich umständlicher und zeitaufwendiger, mit einer Monokamera Astrofotografie zu betreiben als mit einer OSC Kamera, aber die möglichen Ergebnisse sind weitaus beeindruckender und farblich besser. Allerdings - und das ist ein weiterer Nachteil von Monokameras, braucht man aus den erwähnten Gründen deutlich länger um ein Objekt aufzunehmen, was bedingt, dass man auch länger einen klaren Himmel zu Verfügung haben muss - was leider auch nicht immer der Fall ist.
Der wichtigste Alleinstellungsvorteil von Monokameras ist aber der Umstand, dass man praktisch jede Art optischer Filter verwenden kann - Schmalbandfilter für nur einen sehr kleinen Wellenlängenbereich, Breitbandfilter, Kantenfilter, Kurzpass-, Langpassfilter, UV- und IR Filter....eben alle, deren Transmissionsbereich in den Empfindlichkeitsbereich des Sensors hineinpasst.
Die oben gezeigte OSC Astrokamera gibt es natürlich auch in der Ausführung als Mono-Kamera. Um diese sinnoll zu verwenden, muss man, wie beschrieben, entweder einen Filterwechsler für manuellen Filtertausch (umständlich...) oder einen motorischen Filterwechsler vor die Kamera setzen. Bei den meisten Teleskopen ist es möglich, motorischen Wechsler z verwenden, es gibt aber eine Sondergruppe, die man RASA nennt, wo die Kamera auf der Lichteintrittsseite montiert wird - und ist es logischerweise nicht möglich, einen motorischen Filterwechsler zu verwenden, da dieser bauweisebedingt, den Lichteintritt unzulässig stark abdecken würde. Bei diesem Teleskopen, die sich durch eine extrem hohe Lichtstärke auszeichnen, muss man fast immer die Filter von Hand einzeln wechseln.
Hier aber wieder ein Beispiel einer Mono-Kamera mit vorgesetztem motorischem Filterwechsler - dieser wird dann durch die Kamera mit Strom versorgt und über das Aufnahmeprogramm gesteuert. Es ist die QHY163M mit dem original dazugehörenden motorischen Filterwechsler
Wie bereits beschrieben, ist es zu bedenken, dass die Aufnahmen mit einer Mono-Kamera bei einem direkten Vergleich mehr Details und eine deutlich bessere Farbwiedergabe ermöglichen, aber die Aufnahmezeit sich vervielfacht. Wenn ich mit einer OSC Kamera ohne Kontrastfilter eine Galaxie aufnehme und die Belichtungszeit als 1 definiere, so brauche ich mit einem sinnvollen Kontrastfilter bei der OSC Kamera dann etwa 2-2,5 als Belichtungszeit und mit einer Mono-Kamera im LRGB Modus etwa 4-5 und wenn ich dann noch die Schmalbandfilter zusätzlich nehme, noch zusätzlich 6 als Belichtungszeit. Es ist also klar, Mono-Aufnahmen sind oft beeindruckender und vielfältiger, brauchen aber bis zu 10x mehr Belichtungszeit als OSC Aufnahmen. Natürlich sind diese Hinweise stark abhängig vom aufzunehmenden Objekt.
Selektion der Rohdaten
Es ist für beide Varianten wichtig, nachdem die Rohdaten aufgenommen wurden, sie hinsichtlich der Qualität der Daten zu überprüfen und nur die besten zur Weiterverarbeitung verwenden. Meistens ist es traurig, wenn man viele Stunden an Rohdaten nicht verwenden soll, aber das Endresultat bestätigt fast immer die Notwendigkeit einer strikten Auswahl.
Für diese Auswahl gibt es meiner Ansicht nach drei wichtige Kriterien - die FHWM (full width half maximum) also die "Kantenschärfe" der Sterne, deren Exzentrizität und die Anzahl der Sterne im Verlauf der Aufnahmeserie.
Die Exzentrizität zeigt, wie rund die Sterne sind, also wie gut das Guiding für die einzelnen Aufnahmen war (bzw. welchen Enfluß ein eventueller Wind hatte) und die Anzahl der Sterne zeigt an, ob während der Aufnahmeserie etwa dünne Schleierwolken oder auch normale Wolken durch das Bildfeld gezogen sind - denn je weniger Sterne auf einem Rohbild, desto weniger Kontrast ist zu erwarten - es waren also Wolken im Spiel.
Die FWHM ist nicht nur ein Indikator der Kantenschärfe, also ein Maß für die Klarheit der Sternränder, es ist auch Indikator des variablen Seeings. Das Seeing kann sich während einer Aufnahmeserie sehr stark ändern - man beginnt bei sehr gutem Seeing am frühen Abend und währen der Nacht wird das Seeing schlechter und dadurch werden die Sterne "größer", aufgebläht und deren Ränder unschärfer.
Nimmt man solche Rohdaten dann auch zur Weiterverarbeitung, so ist das daraus resultierende Bild sichtbar unschärfer, schwammiger und weniger klar und meistens gehen auch fast alle feinen Details verloren.
Hier zwei Beispiele, die zeigen, wie wichtig, eine strikte, oft schmerzhafte, Auswahl der Rohdaten ist:
Ein Detail aus der Galaxie NGC5907 - links mit Auswahl der besten Rohdaten, rechts alle verfügbaren Rohdaten - man kann deutlich sehen, dass im linken Bild die Feinstruktur der Galaxie sichtbar schärfer dargestellt wird
Ein weiteres Beispiel ist der Vergleich bei der Galaxie NGC7769 - hier sind links alle relativ guten Files verwendet worden und recht nur die allerbesten - zwar deutlich weniger Files aber sichtbar mehr und feinere Details
Gerade bei der obigen Galaxie hat das strikte Aussortieren weh getan, denn es blieben von weit über 100 Rohdatenfiles (300Sekunden Belichtungen) nur nicht ganz 50 übrig - aber das bessere Ergebnis hat dann diese Selektion doch gerechtfertigt.
WIP!
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