Die Astrofotografie ist ein Hobby, das dank der schnell fortschreitenden CMOS-Sensortechnologie immer beliebter wird. Vor über einem Jahrzehnt war das in der Astrofotografie verwendete Lichtaufzeichnungsmaterial hauptsächlich eine chemische Emulsion. Aufgrund seiner geringen Empfindlichkeit ist es sehr schwierig, das schwache Signal aus dem Weltraum aufzunehmen. Darüber hinaus ist das Fehlen von Echtzeit-Feedback eine große Quelle der Frustration für Anfänger. Betriebsfehler wie Unschärfe können erst nach mehreren Nächten harter Arbeit nach der Entwicklung des Films realisiert werden. Mitte der 90er Jahre lieferte das Aufkommen gekühlter CCD-Kameras Lösungen sowohl für die Empfindlichkeits- als auch für die Echtzeit-Rückkopplungsprobleme. Ihre hohen Preise und miserabel kleinen Sensorflächen beschränkten ihre Verwendung jedoch auf nur wenige Arten der Astrofotografie und auf sehr begeisterte Astrofotografen. Während CCDs die astronomische Forschung revolutionierten, hat diese Technologie die Landschaft der Amateur-Astrofotografie nie wirklich verändert. Der wahre Wendepunkt fand 2002 statt. Nachdem Fujifilm seine FinePix S2Pro DSLR angekündigt und erstaunliche astronomische Bilder gezeigt hatte, die mit dieser Kamera aufgenommen wurden, begannen die Menschen, DSLRs ernsthaft für die Astrofotografie zu erforschen. DSLRs können Echtzeit-Feedback geben, was für Anfänger sehr wichtig ist. Sie haben eine nicht viel schlechtere Empfindlichkeit als CCDs, und DSLRs mit großen Sensoren (APS-C) sind heutzutage recht erschwinglich. Die heutige Landschaft in der Astrofotografie wird von einer Reihe von CMOS-basierten DSLRs von Canon geprägt, aber DSLRs und spiegellose Kameras, die auf Sony-Sensoren basieren, gewinnen sehr schnell an Popularität.
Aufgrund meiner Arbeit habe ich die Möglichkeit, eine breite Palette von Bildgebungsinstrumenten zu verwenden, von millionenschweren CCD-Kameras an großen professionellen Teleskopen bis hin zu Amateur-CCD-Kameras und DSLRs. Meine Ausbildung in astronomischer Forschung bietet mir auch Toolsets, mit denen ich die Leistung von Sensoren quantitativ bewerten und ihre wahren Grenzen kennen kann. Dies hilft nicht nur meiner Forschung, sondern auch meinem lebenslangen Hobby, der Astrofotografie. Auf der Hobby-Seite verwende ich hauptsächlich DSLRs (Canon 5D Mark II und Nikon D800) wegen ihrer hohen Leistung und erschwinglichen Preise. Um die besten Astrofotoergebnisse zu erzielen, sind die internen Filter der DSLRs so modifiziert, dass sie einen höheren Durchsatz im tiefen Rot aufweisen, sodass sie das rote Licht von ionisiertem Wasserstoffgas im Universum effizienter aufzeichnen können. Abgesehen von dieser Filtermodifikation unterscheiden sich die für die Astrofotografie verwendeten DSLRs nicht von den täglich verwendeten DSLRs.
Eine sehr häufige Sorge bei der Verwendung von DSLRs bei Astrofotos ist das von den Sensoren erzeugte thermische Rauschen. CCD-Kameras, die auf -20 oder sogar -40 Grad Celsius gekühlt sind, haben solche Probleme nicht. CMOS-Sensoren, die in den letzten fünf Jahren hergestellt wurden, weisen jedoch alle ein sehr geringes thermisches Rauschen auf. Bei gleicher Sensortemperatur ist ihr thermisches Rauschen tatsächlich viel geringer als bei herkömmlichen CCDs in astronomischen Kameras. Ein weiterer wichtiger Faktor, den viele Menschen übersehen, sind andere Rauschquellen als Wärme im Sensor. Eine davon ist das vom Himmel selbst erzeugte Photonenrauschen. Bei den neuesten DLSRs überwältigt das Himmelphotonenrauschen unter vielen Umständen häufig das thermische Rauschen, wodurch eine Kühlung unnötig wird. Nur an heißen und dunklen Orten (wie den Wüsten im Südwesten der USA) ist eine Kühlung erforderlich, um den dunklen Himmel voll auszunutzen.
Dies ist das Imaging-Setup, das ich häufig verwende. Die DSLR ist am Ende des Primärteleskops angebracht, das als riesiges Teleobjektiv fungiert (1100 mm, 1: 7,3). Es ist ein APO-Refraktor mit einer großen Korrekturlinse vor der Brennebene, um die Feldkrümmung und den Astigmatismus zu korrigieren. Das korrigierte Feld ist groß genug, um einen Sensor im Format 67 abzudecken. Das Teleskop befindet sich auf einer äquatorialen Halterung, die motorisch angetrieben wird und die Ost-West-Bewegung der Sterne am Himmel verfolgen kann, um Langzeitbelichtungen zu ermöglichen. Über dem primären Zielfernrohr befindet sich ein weiteres kleineres Zielfernrohr mit einer daran angebrachten kleinen CCD-Kamera. Dieses kleine Zielfernrohr- und Kamerasystem kann die Verfolgung der äquatorialen Montierung überwachen, wenn das primäre Zielfernrohr Aufnahmen macht. Es führt die Halterung automatisch an, um ihre Tracking-Fehler in Echtzeit zu korrigieren. Das gesamte System (äquatoriale Halterung, DSLR und Führungssystem) wird von einem Laptop gesteuert.
Dies ist mein Setup, wenn ich nur Weitwinkelbilder aufnehmen möchte. Dies sieht eher so aus, wie es ein Anfänger verwenden kann. Die Kamera und das Objektiv sind über einen Kugelkopf an einer äquatorialen Halterung befestigt. Für Weitwinkelaufnahmen muss die Spurführung der Halterung nicht besonders genau sein, sodass kein Echtzeit-Leitsystem erforderlich ist. Als Faustregel gilt: Wenn die Brennweite kürzer als 200 mm ist, ist es relativ einfach, Langzeitbelichtungen ohne Verwendung einer ausgefallenen äquatorialen Halterung und eines Führungssystems aufzunehmen. Wenn die Brennweite länger als 300 mm ist, wird es schwierig.
Allgemeine Vorgehensweise
Der Arbeitsablauf in der Astrofotografie unterscheidet sich erheblich von dem in der Tageslichtfotografie. Da unsere Ziele sehr schwach sind, müssen wir einige Minuten oder sogar einige Stunden belichten, um genügend Fotosignale von unseren Zielen zu sammeln. Der Himmelshintergrund ist jedoch normalerweise so hoch, dass das Bild gesättigt wird, wenn die Belichtung länger als etwa 10 Minuten dauert (dies gilt insbesondere bei lichtverschmutztem Himmel). Daher teilen wir die Langzeitbelichtung in viele kürzere (einige bis 10 Minuten) auf, um eine Sättigung zu vermeiden, und stapeln (durchschnittlich) die Bilder mit kurzer Belichtung in der Nachbearbeitung, um ihr Signal zu kombinieren. Dies ergibt ein Ergebnis, das einer sehr langen Belichtung entspricht.
Sobald die äquatoriale Halterung am Teleskop eingerichtet und auf die Polaris ausgerichtet ist, verwenden wir normalerweise zuerst einen hellen Stern, um zu fokussieren. Früher war dies eine sehr herausfordernde Aufgabe, jetzt ist es mit der Live-View-Funktion der DSLR sehr einfach. Dann bewegen wir unser Teleskop / Objektiv, um auf unser Ziel zu zeigen. Wenn wir ein Weitwinkel- oder ein kurzes Teleobjektiv verwenden, können wir unsere Zielkonstellation normalerweise sehr leicht durch den Sucher der Kamera sehen. Wenn wir dagegen ein langes Teleobjektiv oder ein Teleskop verwenden, um Objekte mit tiefem Himmel aufzunehmen, sind die Ziele normalerweise zu schwach, um direkt gesehen zu werden. Einige Testkurzbelichtungen mit sehr hohem ISO-Wert können dazu beitragen, unsere Rahmung zu überprüfen. Sobald dies erledigt ist, feuern wir einfach viele lange Lampenbelichtungen über einen Computer oder einen Timer-Auslöser ab. Wie oben erwähnt, liegen die typischen Belichtungszeiten zwischen einigen und 10 Minuten, je nachdem, wie schnell unser Objektiv ist und wie dunkel der Himmel ist. Eine sehr häufig verwendete ISO ist 1600. Bei neueren DSLRs mit Sony-Sensoren ist es jedoch möglich, ISO 800 oder sogar 400 zu verwenden und nach der Nachbearbeitung immer noch sehr gute Ergebnisse zu erzielen. Der Vorteil niedrigerer ISOs ist natürlich ihr höherer Dynamikbereich. Es versteht sich von selbst, dass wir immer RAW drehen.
Zusätzlich zu den Belichtungen am Himmel machen wir auch viele „Kalibrierungsbilder“, um das unerwünschte Signal vom Himmel, der Optik und der Kamera zu entfernen. Zum Beispiel machen wir anschließend Aufnahmen von Objekten mit gleichmäßiger Helligkeit (wie einem wolkenlosen Tages- oder Dämmerungshimmel oder einem großen LED-Panel). Solche Bilder (als "flaches Feld" bezeichnet) können verwendet werden, um die durch die Linse / das Teleskop in den Himmelsbildern verursachte Vignettierung zu korrigieren und die gleichmäßige Hintergrundhelligkeit wiederherzustellen. Zu Beginn oder am Ende der Nacht decken wir das Objektiv / Teleskop vollständig ab und machen „dunkle“ Belichtungen, wenn die Kamera die gleiche Temperatur wie die Aufnahmen am Himmel hat. Solche dunklen Bilder können verwendet werden, um das Wärmesignal in den Himmelsbildern zu entfernen. Dies entspricht im Wesentlichen der Rauschunterdrückung der meisten DSLRs in der Kamera bei Langzeitbelichtung. Wir tun dies jedoch manuell, um die kostbare Nachtzeit nicht zu verschwenden. Wir machen auch extrem kurze Belichtungen (1/8000 Sek.) (Als „Bias“ bezeichnet), wenn das Objektiv vollständig abgedeckt ist, um zu berücksichtigen, welches Signal die Kamera erzeugt, wenn kein Licht vorhanden ist und auch keine Zeit für die Akkumulation des thermischen Signals. Wie bei den Belichtungen am Himmel nehmen wir mehrere (von einigen bis zu mehreren zehn) flache, dunkle und vorgespannte Belichtungen auf und mitteln sie, um zufälliges Rauschen in den Bildern zu unterdrücken und die Signalqualität zu verbessern. Es gibt viele Softwarepakete (wie DeepSkyStacker, das kostenlos ist), die On-Sky-, Flat-Field-, Dark- und Bias-Bilder verarbeiten und die kalibrierten On-Sky-Bilder stapeln können, um ein sehr tiefes, sauberes und hohes Bild zu erhalten dynamisches Bereichsbild. All dies muss aus RAW-Dateien erfolgen, da JPEG.webp-Bilder nicht linear sind und keine genaue Entfernung dieser unerwünschten Signale ermöglichen.
(a) ist eine Rohdatei, die direkt in Photoshop konvertiert wurde und eine gewisse Kontrastdehnung aufweist. Hier sehen wir Hinweise auf rote Nebel im Bild, aber das auffälligste Merkmal dieses Bildes ist das Vignettierungsmuster, das durch das Teleskop und die Kamera verursacht wird. (b) ist ein "Flachfeld" -Bild, das mit demselben Teleskop in Richtung des Dämmerungshimmels aufgenommen wurde. Es ist ein Bild, das nichts als das Vignettierungsmuster enthält. Mathematisch teilen wir (a) mit (b), um das Vignettierungsmuster zu entfernen, und diese Berechnung wird als "Flachfeldkorrektur" bezeichnet. (c) ist das Ergebnis einer solchen Korrektur plus starker Kontrast- und Sättigungsstrecken. Wir können sehen, dass es ohne die Flachfeldkorrektur keine Hoffnung gibt, die schwachen Nebel überall im Bild von (a) hervorzuheben. Übrigens ist die Vignettierungskorrektur, die in den meisten nicht-astronomischen Bildverarbeitungsprogrammen (wie Photoshop oder Lightroom) integriert ist, für die Astrofotografie nicht genau genug, selbst wenn sich unser Objektiv in der Softwaredatenbank befindet. Aus diesem Grund müssen wir die Flachfeldkorrektur selbst mit einer für die Astrofotografie entwickelten Software durchführen.
Nach der Grundkalibrierung und dem Stapeln von Bildern verwenden wir Software wie Photoshop, um die gestapelten Bilder weiter zu verarbeiten. Normalerweise sind sehr starke Kurven und Sättigungsdehnungen erforderlich, um die schwachen Details in einem gestapelten astronomischen Bild hervorzuheben. Es erfordert auch eine Menge Fähigkeiten und Erfahrung, um dies zu erreichen und gleichzeitig eine genaue Farbe und ein natürliches Aussehen eines Bildes beizubehalten. Es ist im Wesentlichen so, als würde man ein RAW-Bild manuell von Grund auf neu verarbeiten, ohne sich auf Rohverarbeitungsmodule verlassen zu müssen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass wir mehr Zeit für die Verarbeitung eines Bildes aufwenden als für die Belichtungszeit, und die Nachbearbeitung unterscheidet häufig erstklassige Astrofotografen von durchschnittlichen.
Weitfeldbeispiele
Dieses Bild von Orion wurde mit dem Sigma 50 mm 1: 1,4 Art-Objektiv und der Nikon D800 aufgenommen. Es besteht aus mehr als 60 4-minütigen Belichtungen bei ISO 800 und 1: 3,2 bis 1: 4,0. Die Gesamtbelichtungszeit von mehr als 4 Stunden ist hier ziemlich extrem. Für solche Konstellationsaufnahmen verbringen wir normalerweise nur 0,5 bis 1,5 Stunden. Die extrem lange Belichtung führt jedoch zu einer besseren Bildqualität und ermöglicht die Erkennung sehr schwacher Nebel um Orion. Um die roten Nebel in Orion effizient einzufangen, wird eine modifizierte DSLR benötigt. Mit einem unveränderten können wir jedoch immer noch die schöne Farbe der Sterne in den Sternbildern erhalten. Weitfeldkonstellationen sind daher ein großartiges Ziel für Anfänger, die nicht bereit sind, ihre Kameras für die Operation zu senden.
Dieses Bild der Sommermilchstraße wurde mit einem 500 mm 1: 2,8-Teleskop und Canon 5D Mark II aufgenommen. Es ist ein Mosaik aus 110 Bildern, daher ist sein Sichtfeld mit dem eines 50-mm-Objektivs vergleichbar. Ich bin ein großer Fan von Mosaikbildern. Ich nenne es oft die Großformatkamera armer Leute. Ein verrücktes Mosaikpanorama wie dieses enthält reichhaltige Details, die weit über das hinausgehen, was mit dem hochwertigsten digitalen Mittelformat-Rücken aufgenommen werden kann. Der Preis ist, dass das Aufnehmen und Verarbeiten der Bilder sehr lange dauert.
Dies ist eine erweiterte Version des Orion-Bildes. Es zeigt das Große Winterdreieck und die Milchstraße, die durch das Dreieck führt. Es wird mit Nikon 28-70 mm 1: 2,8D bei 50 mm 1: 4 und Nikon D800 aufgenommen. Da es sich um ein Mosaik mit vier Bildern handelt, ist das Sichtfeld viermal größer als ein 50-mm-Sichtfeld. Jeder Mosaikrahmen enthält 16 5-minütige Belichtungen bei ISO 400.
Dies ist ein Zwei-Bild-Mosaik, das mit einem Mamiya 645 45 mm 1: 2,8-Objektiv bei 1: 4,0 und Canon 5D Mark II aufgenommen wurde. Das Zwei-Bild-Mosaik ermöglicht es, nicht nur das Sternbild Cygnus, sondern auch die großflächige Milchstraße zu erfassen. Jeder einzelne Mosaikrahmen enthält 16 4-minütige Belichtungen bei ISO 1600. Bei der Nachbearbeitung habe ich eine Schicht aufgetragen, um das Licht von hellen Sternen zu verwischen, damit die Form der Konstellation deutlicher wird. Der gleiche Effekt kann mit einem diffusen Filter vor der Linse erzielt werden. Zu diesem Zweck üblicherweise verwendete Filter umfassen Kenko Softon A und Cokin P830.
Deep-Sky-Beispiele
Dieses Weitfeldbild um den Sternhaufen Plejaden (Meissier 45) wurde mit einem 500 mm 1: 2,8-Teleskop und Nikon D800 aufgenommen. Es ist ein Mosaik mit vier Bildern, und jedes Bild enthält mehr als 1 Stunde Gesamtbelichtung. Die Staub- und Gaswolken um die Plejaden sind tatsächlich sehr schwach. Es sind nicht nur sehr lange Belichtungszeiten erforderlich, um sie zu erkennen, sondern auch ein sehr dunkler und sauberer Himmel. Die Bildkalibrierung muss auch mit einer sehr hohen Genauigkeit durchgeführt werden, da sonst der Hintergrund des Himmels und die Vignettierung der Optik den schwachen Nebel vollständig auswaschen. Auf der anderen Seite benötigen blaue Gaswolken wie diese keine modifizierte DSLR, um sie aufzuzeichnen. Der Kern der Wolken um die Plejaden kann ein sehr gutes Ziel für Menschen sein, die keine modifizierte DSLR haben.
Die Andromeda-Galaxie (Meissier 31) ist ein Ziel, das kein Astrofotograf verfehlt hat. Dies wird vom Teleskop mit meinem ersten Setup und Canon 5D Mark II aufgenommen. Es ist ein Mosaik mit zwei Rahmen. Jeder Frame enthält ungefähr 40 5-Minuten-Belichtungen bei ISO 1600. Unmodifizierte DSLRs können anständige Bilder von solchen Galaxienzielen aufnehmen. Wenn wir uns das Bild jedoch genau ansehen, können wir viele kleine rote Objekte entlang der Spiralarme der Andromeda-Galaxie sehen. Dies sind die riesigen Gasnebel, die ionisierten Wasserstoff enthalten. Um das rote Licht dieser Nebel effizient einzufangen, ist noch eine modifizierte DSLR erforderlich.
Der Pferdekopfnebel befindet sich direkt neben Orions Gürtel und ist Teil des zuvor vorgestellten Orion-Bildes. Es kann durch mäßig große Teleskope unter dunklem Himmel gesehen werden. Dieses Bild hat von meinem ersten Setup an mehr als 4 Stunden Belichtung mit Canon 5D Mark II auf dem Teleskop gedauert. Die rote Farbe im Bild stammt von ionisiertem Wasserstoff. Es erfordert eine modifizierte DSLR, um das rote Licht effizient aufzuzeichnen.
Der nordamerikanische Nebel befindet sich in Cygnus und ist Teil des oben gezeigten Cygnus-Bildes. Es ist ein ziemlich großer Nebel und passt gut in das Sichtfeld eines 400-mm-Objektivs (FF). Dieses vergrößerte Bild wurde mit dem Teleskop aus meinem ersten Setup und Canon 5D Mark II aufgenommen. Es ist ein 4-Frame-Mosaik und die Gesamtbelichtung jedes Frames beträgt 2,5 Stunden. Der Nebel ist nicht vollständig rot. Es gibt auch blaue Komponenten, die in das rote Licht eingebettet sind, das aus ionisiertem Sauerstoff stammt. Wenn eine nicht modifizierte DSLR verwendet wird, erscheint der Nebel lila oder rosa.
Meissier 22 ist ein Kugelsternhaufen in Schütze. Es enthält ungefähr 300 Tausend Sterne. Es sitzt gegen die Sommermilchstraße, daher gibt es auch zahlreiche Sterne im Hintergrund dieses Bildes. Dieses Bild wurde mit dem Teleskop aus meinem ersten Setup und der Nikon D800 aufgenommen. Die Gesamtbelichtungszeit beträgt 1,5 Stunden. Für den Cluster selbst ist diese Belichtungszeit unnötig lang, da der Cluster relativ hell ist. Ich habe zusätzliche Zeit in diesem Bereich verbracht, um die große Anzahl schwacher Hintergrundsterne einzufangen, die zur Milchstraße gehören. Stellare Ziele wie dieses erfordern keine modifizierte DSLR. Ein Unmodifizierter kann es genauso gut.
Die Windradgalaxie (Meissier 101) ist eine nahe gelegene Galaxie und erscheint daher im Vergleich zu den meisten anderen Galaxien am Himmel relativ groß. Es ist jedoch immer noch sehr klein. Sein hellerer Teil hat eine Größe, die ungefähr einem halben Vollmond entspricht. Dieses Bild wurde mit dem Teleskop aus meinem ersten Setup und Canon 5D Mark II aufgenommen. Es ist beschnitten und das beschnittene Sichtfeld entspricht dem eines 3000-mm-Objektivs. Es enthält insgesamt 8,5 Stunden normaler Belichtung sowie weitere 3 Stunden Belichtung unter einem Wasserstoff-Alpha-Schmalbandfilter (656,3 nm). Das Schmalbandfilterbild soll die kleinen Flecken roter Nebel entlang der Spiralarme verstärken. Leider ist dies keine sehr effiziente Methode zur Verwendung einer DSLR, da nur ein Viertel der Pixel unter einem so tiefen Rotfilter aktiv Photonen empfängt. Im Hintergrund dieses Bildes sehen wir viele kleine gelbe Punkte. Das sind zahlreiche sehr weit entfernte Galaxien. Einige der Galaxien sind so weit entfernt, dass die Zeit, die das Licht benötigt, um von diesen Galaxien zu uns zu gelangen, länger ist als das Alter unserer Sonne.
Dieser Gastbeitrag wurde von Wei-Hao Wang verfasst, einem Astronomen, der in einem nationalen Forschungsinstitut in Taiwan arbeitet und derzeit das Teleskop Kanada-Frankreich-Hawaii auf der großen Insel Hawaii besucht. Er ist auch Astrofotograf und begann dieses Hobby 1990. Eine Sammlung seiner jüngsten Astrofotos finden Sie hier.
