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Astrofotografie mit DSLR-Kameras

DSLR-KameraAlle großen Kameraherstel­ler haben mittlerweile auch DSLR-Kameras im Programm. Der Vorteil: grö­ßere Chips gegenüber Kompaktkameras, dadurch höhere Empfindlichkeit, Normalobjektive der entsprechenden KB-Kameras sind verwendbar. Die Standardchipgröße entspricht etwa dem APS-Format, das ergibt mit dem KB-Objektiv eine Bildverkleinerung bzw. eine effektive Brennweitenverlängerung um den Faktor 1,5-1,6. Profes­sio­nelle DSLR-Kameras (z.B. Canon EOS 1D, 5D, Nikon D3) arbeiten be­reits mit Vollformatchips, d.h. Chips im KB-Format. Ob dieses Format sich weiter verbreitet oder nur im Pro­fibe­reich angesiedelt bleiben wird, ist im Moment noch offen. Darüber wird wohl der Markt entscheiden.

Wie gut eignen sich nun diese neuen DSLR-Kameras für die Astrofotografie?

Empfindlichkeit und Rauschen
Die meisten der neuen DSLRs sind mit CMOS-Senso­ren ausgerüstet. CMOS-Sensoren wird eine geringere Quanteneffizienz oder stärkeres Rauschen gegenüber CCDs nachgesagt. Dafür ist der Herstellungsprozess ein­facher und der Stromverbrauch minimal. Rauschen und Empfindlichkeit haben die Hersteller in der Zwischenzeit soweit im Griff, dass bei den marktgängigen Kameras kein signifikanter Unterschied zwischen CMOS und CCD festzustellen ist.

Die Quanteneffizienz von CMOS-Senso­ren entspricht mit ca. 35% etwa der von modernen CCD-Sensoren mit Anti-Blooming-Gate. Mit Hilfe von internen Verstärkern lässt sich z.B. bei der Canon EOS 20D heute eine Empfindlichkeit entsprechend ISO 3200 einstellen, bei der durchaus noch brauchbare Er­gebnisse zu erzielen sind.

Ein Problem bei Digitalkameras ist das thermische Rauschen des Chips. Dies begrenzt die Dauer von Lang­zeitaufnahmen, da der aktivierte Chip, auch ohne Licht­einwirkung, langsam in die Sättigung kommt. Astro-CCDs sind deswegen gekühlt. DSLR-Kameras arbeiten ungekühlt. CMOS-Chips sind aber in der Zwischenzeit so rauscharm, dass bei z.B. 10 Grad Außentemperatur und Einstellung ISO 100 durchaus Aufnahmen mit einer Stunde Belichtungszeit oder mehr möglich sind. Hiermit sind in einem gewissen Maße sogar Strichspuraufnahmen von Sternen möglich. Bei normalen Teleskopaufnahmen wird man in der Regel aber mit Belichtungszeiten unter 10 Minuten arbeiten und durch Aufaddieren mehrerer Bilder das Bildrauschen verringern.

Natürlich wird durch die Farbfilter vor den Pixels die effektive Empfindlichkeit verringert, da auf das einzelne Pixel nur der gefilterte Lichtanteil fällt. Die erforderliche Gesamtbelichtungszeit ist aber ähnlich wie bei einer CCD-Kamera mit RGB-Filterrad, da bei dieser die Farb­auszüge nicht gleichzeitig erfolgen, sondern eben nach­einander belich­tet werden müssen.

Farbwiedergabe
Wie sieht es nun mit der wichtigen H?-Empfindlich­keit aus? Grundsätzlich reicht die Empfindlichkeit der CMOS-Sensoren vom nahen UV bis weit ins Infrarote . Um scharfe und ausgewogene Farbbilder zu er­reichen, ist aber jede DSLR-Kamera mit einem UV/IR-Filter ausgerüstet, der leider bereits auch Ha stark ab­senkt. Eine Standard-DSLR ist daher nur bedingt Ha-tauglich. In der Zwischenzeit kursieren Anleitungen, wie der Filter ausgebaut werden kann. Dies ist etwas riskant, aber für einen versierten Bastler durchaus möglich. Er verliert dabei allerdings seinen Garantieanspruch und die Kamera ist für Normalgebrauch nur noch sehr bedingt verwend­bar, da Autofokus und Weißabgleich nicht mehr funktio­nieren und sowohl für normale als auch für Astroaufnah­men ein externes IR-Filter aufgesetzt werden muss.

Auflösung
Die Canon EOS 20D bietet z.B. 8,2 Megapixel in einer 3504 x 2336 Matrix. Jedes einzelne Pixel ist mit Mikrolinse und einem R, G, oder B-Farbfilter ausgestattet. Die Filter sind in der sogenannten Bayer-Matrix im Quadrat angeordnet, bestehend aus je einem Rot- und Blaufil­ter sowie zwei Grünfiltern. Für die Farbinformation eines Pixels werden je­weils die Inhalte von vier benachbarten Pixel ausgewer­tet und gemittelt. Hierdurch fällt die effektive Auflösung auf 1752 x 1168 Pixel, für Astrokameras immer noch ein sehr ordentlicher Wert. Durch intelligente Verarbeitung des RAW-Bildes und durch die höhere Dichte der Grün-Pixel wird aber eine effektive Auflösung erreicht, die hö­her als dieser Wert liegt, so dass von einer guten DSLR-Auf­nahme problemlos Vergrößerungen von 30x40cm und größer gemacht werden können.

Das RAW-Format
DSLR-Kameras erlauben Aufnahme und Abspeichern von Bildern in verschiedenen Formaten. Bei der EOS 20D gibt es verschiedene Auflösungen von 1752 x 1168 bis 3504 x 2336 und verschiedene Kompressionsgrade für jpg-Konvertierung (Fine und Normal) sowie Abspei­cherung im RAW-Format (nur bei voller Auflösung).

Für Astroaufnahmen kommt nur das RAW-Format in Frage, da nur hiermit alle Möglichkeiten der CMOS-Sen­soren ausgeschöpft werden können. Im RAW-Modus werden die Daten unbearbeitet mit 12Bit abgespeichert. Die gesamte Bildbearbeitung, auch der Weißabgleich, wird nachträglich softwaremäßig vorgenommen. Beim RAW-Format ist jedem Pixel, entsprechend der Bayer-Matrix, eine Grundfarbe zugeordnet. Die Mischfarbe aus den vier Bayerelementen wird erst bei der Verarbeitung ermittelt. Hierdurch ist der RAW-Modus auch speicheref­fektiv. Es müssen nur 8,2 Mio x 12Bit abgespeichert werden. Mit einem verlustlosen Kompressionsverfahren kommt man so auf ca. 8 MB pro Bild. Wenn man die volle Information als unkomprimiertes TIFF-Bild abspei­chern würde, käme man auf 48 MB pro Bild, eine Größe, die sich nur noch sehr schwer handhaben lässt.

Quelle: Werner Roßnagel
http://www.ias-observatory.org/content/view/25/41/1/4/

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