DSLR Astrofotografie

Das Thema Astrofotografie bezeichne ich persönlich als Königsklasse in der Amateurastronomieszene. Stellt sie doch höchste Ansprüche am gesamten Equipment neben Standort und Wetterbedingungen.

Ziel sollte ein Fundus an Wissen und praktischen Erfahrungen sein, welches jedem das Tor zu schönen Astrofotos öffnen sollte.

Aus der Themenbezeichnung geht eindeutig hervor, dass der Fokus auf DSLR liegt. Gegenüber modernen Astro CCD/CMOS Kameras haben wir eben mit unseren DSLR Kameras ein paar Nachteile…
U.a.: hohes thermisches Rauschen, Farbspektrum, Blooming etc.

Dies soll kein wissenschaftlicher Beitrag werden aber ganz ohne Physik geht es nicht.
Aus den physikalischen Gegebenheiten lassen sich gute Leitsätze ableiten, die einen späteren Erfolg fördern.

Rauschen:
Es gibt drei wesentliche Arten des Rauschens welche bekannt sind und zum Teil zu beachten.

1.) Das Ausleserauschen
2.) Das thermische Rauschen
3.) Das Quantisierungsrauschen

Das Ausleserauschen:
Ein Ausleserauschen entsteht bei jeder Aufnahme. Dies lässt sich in der Praxis kaum beeinflussen und ist kameraspezifisch.
Den Wert kann man beim Hersteller erfragen, er liegt zwischen 10e und 100e. Es entsteht durch das Verschieben von Ladungen
auf den Bildelementen und dem Ausleseverstärker. (Dieses Problem hat man heute schon gut in Griff und wir können es aufnahmetechnisch eher vernachlässigen)

Das thermische Rauschen:
Es entsteht durch die thermische Bewegung der Atome im Bildsensor. Es setzt zusätzliche Elektronen
auf dem Bildelement frei die nicht durch Photonen des beobachteten Objektes entstehen.
Das thermische Rauschen steht in einem direkten Zusammenhang mit:

Belichtungsdauer + Sensortemperatur

Setzt man die entsprechende Formel nach (Johnson) ein, ergibt sich folgende Regel:

– das thermische Rauschen steigt linear mit der Belichtungsdauer
– das thermische Rauschen verdoppelt sich, wenn die Sensortemperatur um jeweils 7 Grad steigt

Das Quantisierungsrauschen:
Dies entsteht immer bei der Umwandlung von analogen in digitale Signale. Man kann es auch als
Störsignale bezeichnen. Es gibt einen Zusammenhang zwischen Abtastrate und Auflösung. Auch dieses Problem hat man heute sehr gut in Griff bekommen. Praktisch könne wir es vernachlässigen.

In einem nächsten Schritt möchte ich genauer auf das thermische Rauschen eingehen und entsprechende Gegenmaßnahmen.

Thermisches Rauschen:

Im IE findet man einige abenteuerliche Maßnahmen die eher geeignet sind für Bastler und Menschen, die gerne ein hohes Risiko eingehen ihre Kamera zu zerstören 🙂

Beispiel: Einsatz von Peltierelementen zum kühlen des Bildsensors. Gleiche Elemente befinden sich u.a. auch in einer Kühlbox für PKWs. etc.

Kurzgefasst: Auf einer Seite des Elements entsteht Kälte und auf der anderen Seite entsprechende Hitze.
Dazu benötigen wir viel Energie und es kommt noch zu netten Nebeneffekten wie Eiskristallbildung, Kondenswasser und beschlagen des Sensors.
Diese Möglichkeit möchte ich nicht weiterverfolgen.

Hier nun die Gegenmaßnahmen zum thermischen Rauschen:

Wir wissen, es gibt einen direkten Zusammenhang zwischen

– Belichtungsdauer + Sensortemperatur
und
– das thermische Rauschen steigt linear mit der Belichtungsdauer
– das thermische Rauschen verdoppelt sich, wenn die Sensortemperatur um jeweils 7 Grad zunimmt

Somit:
– keine Langzeitaufnahmen in lauen Sommernächten > 20 Grad
– je kühler die Nächte umso weniger thermisches Rauschen und daran denken, die Kamera rechtzeitig auskühlen zu lassen!

Kommen wir zu einem weiteren Aspekt der DSLR Fotografie:

ISO Empfindlichkeit und Aufnahmedauer:
Wer glaubt, dass er die Belichtungszeit dadurch verkürzen kann, indem er die ISO nach oben schraubt, unterliegt leider einem Rausch-Irrtum und Nein es lässt sich leider mit Stacken nicht eliminieren. („Stacken“ ist die additive Überlagerung vieler Einzelbilder)

Es liegen mir folgende praktische Erfahrungswerte vor:

– das thermische Rauschen steigt durch höhere ISO Stufen stärker, als es durch Stacken ausgeglichen werden kann.
– je höher die ISO Stufe, umso mehr Einzelaufnahmen werden benötigt, um das Rauschen zu minimieren.

Damit Steigt die Zeit der Gesamtbelichtung eines einzelnen Objektes (ohne Detailgewinn) und mit jeder Verdopplung der ISO Stufe nimmt das Rauschen (abhängig vom Kameramodell) um den Faktor 1,2 bis 2,0 zu.

Somit:
Je höher die ISO Stufe gewählt wird, desto mehr Einzelaufnahmen werden benötigt.
In der Praxis sieht es wie folgt aus:
Mit jeder Verdopplung der ISO Stufe, benötige ich das Vierfache an Einzelaufnahmen.
Und somit erhöht sich die Gesamtbelichtungszeit zum Einzelobjekt drastisch.
oder anders gesagt:
Lieber 16 Aufnahmen mit ISO 400 a‘ 8 Minuten = 128 Minuten
anstatt 256 Aufnahmen a‘ 2 Minuten = 512 Minuten bei ISO 1600
um durch Stacken auf das gleiche Rauschmaß zu kommen.

Die Zahlenwerte sind nur Beispiele und lassen sich nicht 1:1 auf jede Kamera übertragen.
Die Grundsätzlichkeit bleibt jedoch erhalten.

Das hört sich eigentlich gut an aber lange Belichtungszeit bei niedriger ISO erfordert zwangsläufig eine sehr gute Nachführung inkl. Guiding.

Drei Beispielbilder: 100% Crop – September 2016 – 23 Grad

ISO 12800 mit 10 Sekunden

ISO 1600 mit 91 Sekunden

ISO 1000 mit 241 Sekunden

eine allgemeine Empfehlung zu ISO und Zeit kann man nicht abgeben. Die Zusammenhänge zwischen ISO / Zeit und Temperatur sind individuell und somit von der Kamera (Sensor und Technik) abhängig.

Der heutige ISO Wert hat nichts mehr min der DIN/ASA Angabe von früher gemeinsam. ISO bedeutet heute bei der digitalen Fotografie, ich verändere die Einstellung eines Verstärkers, der den Sensor empfindlicher bzw. unempfindlicher einstellt.

Es gilt also herauszufinden, wo das optimale Verhältnis zwischen Nutzen und Rauschen deiner Kamera liegt.

Zuerst würde ich eine Serie von Darkframes anlegen.

Wichtig: Immer im RAW Format arbeiten. Selbst bei hohem rauschen sind hier noch wichtige Bildinformationen enthalten. Im JPG Format wendet die Kamera Kompromisslösungen an, die in der Astrofotografie von großen Nachteil sind bis zur Unbrauchbarkeit.

Somit die Kamera lichtdicht (ohne Objektiv) einpacken bei gleichbleibender Temperatur und mit einem ISO Wert eine Serie anlegen. Hinweis, bei Spiegelreflexkameras kann Licht durch den Sucher auf den Chip gelangen!

Beispiel: ISO 100 mit 60s, 120s, 240s, 480s den ISO Wert dann steigern bis z.Bsp. 1600
Die Bilder entwickeln und in 100% Auflösung betrachten.

Das ist einiges an Arbeit aber dabei lernst du Deine Kamera kennen. Es gilt auch zu beachten, dass sich bei langen Belichtungen die Sensortemperatur erhöht!!

Beispiel:
ISO 800 / 300 Sek. / T = 23 Grad

ISO 800 / 300 Sek. / T = 32 Grad

** damit aber etwas sichtbar wird, habe ich die Blende beim entwickeln um den Faktor 5 erhöht.
(100% – 300×300 Pixel)

Einige Programme (wenn die Kamera dafür geeignet ist) zeigen die Sensortemperatur zu jedem
Bild an. Wenn du das nicht berücksichtigst, erhältst du nicht aussagekräftiges Bildmaterial .
somit entsprechende Pausen einlegen.
Die Kameras sind eben nicht für den Dauerbetrieb der Langzeitbelichtung entwickelt worden.
Es gibt eine hervorragende Software / Betriebssystem (leider nur für bestimmte CANON Kameras) von Magic Lantern die Dir die Sensortemperatur im Livebetrieb anzeigt.

Autor: Thomas Schiffer