Auf dieser Seiten sollen einige der bei der Astrofotografie benutzten Techniken
etwas näher erläutert werden.
Was sind LRGB-Bilder?
Was ist Binning?
Wozu wird ein Leitrohr benötigt?
Was ist Okularprojektion bzw. Fokalfotografie?
Wie funktioniert der Spiegelschliff?
Was sind LRGB-Bilder?
LRGB-Bilder sind kurz gesagt, Farbaufnahmen von Himmelsobjekten. LRGB steht
dabei für "
Luminanz -
Rot -
Grün -
Blau"
Im Gegensatz zu allgemein bekannten Digitalkameras beeinhalten Astro-CCD-Kameras
normalerweise einen bildaufnehmenden Chip, der keinerlei Farbinformationen
über das aufgenommene Objekt liefert, er liefert lediglich Schwarz/Weißinformationen.
Ausnahmen bilden sog. "One-Shot-Colour"-Kameras wie auch die von mir eine
Zeitlang benutzte MX7C der Fa. Starlight Express, UK. In diesen Kameras ist
ein spezieller CCD-Chip verbaut, der genau wie bei einer normalen Digitalkamera
mit einer einzigen Aufnahme Farbinformationen liefern kann.
Diese Farbinformation kommt dadurch zustande, das vor den lichtempfindlichen
Pixeln eine sog. Farbmatrix angebracht ist, im Prinzip hat jedes Pixel seinen
eigenen Farbfilter direkt vor sich. Über einige Berechnungen kann dann
unter Verwendung der Helligkeitswerte von Nachbarpixeln mit einer anderen
Filterfarbe jedem Pixel eine Farbe zugeordnet werden. Leider funktioniert
dies nicht 1:1, sodaß man z.B. ein Feld aus 6x6 Pixeln benötigt,
um einem Pixel eine Farbe zuweisen zu können.
Der Nachteil bei One-Shot-Colour Kameras ist daher, das die Auflösung
der Farbinformation schlechter ist als bei LRGB-Aufnahmen, außerdem
wird durch die Farbfilter vor den Pixeln die Empfindlichkeit der Kamera
negativ beeinflußt.
Um nun mit normalen Astro-CCD-Kameras ohne eine solche Farbmatrix trotzdem
Farbbilder gewinnen zu können, wird dasselbe Objekt durch verschiedene
Filter hindurch belichtet und die einzelnen Aufnahmen ("Frames") werden
übereinander gelegt. Als Filterfarben verwendet man entweder
Rot-Grün-Blau (RGB, Prinzip der additiven Farbmischung.) oder
Cyan-Magenta-Gelb (CYM, subtraktive Farbmischung, seltener verwendet).
Beide Methoden enthalten dann im Summenbild alle Farbabstufungen.
Das "L" steht dann noch für "Luminanz", dieses Frame ist einfach eine
normale S/W-Aufnahme des Objekts, meist völlig ohne Filter aufgenommen.
Durch das Übereinanderlegen aller 4 Frames (L plus RGB) entsteht dann
ein Farbbild, das L-Frame bestimmt in diesem Bild jedoch nur noch die Helligkeiten
und die Schärfe, die Farbinformationen kommen von den Farbframes. Die
Dominanz des L-Frames in Puncto Schärfe ist dabei so hoch, das die
Farbframes sogar mit einer viel niedrigeren Auflösung gewonnen werden
können als das L-Frame.
Abschließend ein Beispielbild:
Als LRGB-Bild zusammengesetzt, entsteht dieses Farbbild:
Neben den klassischen LRGB-Bildern lassen sich über entsprechende
Filter auch andere Kombinationen erstellen, z.B. wird häufiger das
Rotframe durch eine Aufnahme durch einen H-Alpha Filter (Licht des einfach
ionisierten Wasserstoffs, ein dunkles Rot) ersetzt, manchmal wird auch mit
dem L-Frame so verfahren. Diese Komposite sind dann defacto Falschfarbenaufnahmen,
da sie nicht mehr die natürlichen Farben (so man diese sehen könnte)
zeigen. Dafür kommen aber manche Effekte besser heraus, sodaß
diese Bilder ihren ganz eigenen Reiz haben.
Was ist Binning?
Binning bezeichnet den Vorgang, das ein CCD-Chip nicht in seiner vollen
Auflösung betrieben wird, sondern es werden mehrere wirkliche Pixel zu
einem logischen Pixel zusammengefaßt. Durch diesen Vorgang sinkt die
Auflösung, es erhöht sich allerdings die Empfindlichkeit, außerdem
werden die Datenmengen geringer. Speziell bei LRGB-Bildern, bei denen die
Schärfe und Auflösung aus dem L-Frame herrührt, kann man die
Farbframes "binnen" und damit eine erhöhte Empfindlichkeit der Kamera
erreichen. Im späteren LRGB-Bild ist zwischen Farbframes mit voller Auflösung
und "gebinnt" aufgenommenen RGB-Frames praktisch kein Unterschied zu sehen.
(Vergleichsbild hier.)
Je nach Zusamenfassung der Pixel spricht man von "2x2 bin" (immer 4 Pixel
werden als eines angesehen, 2 waagerecht, 2 senkrecht) oder auch "3x3 bin"
(9 Pixel werden zu einem zusammengefaßt). Seltener werden Binning-Modi
wie "2x1 bin" oder andere, unsymetrische Zusammenfassungen verwendet.
Wozu wird ein Leitrohr / Leitteleskop benötigt?
Für astrofotografische Zwecke verwendete Teleskope werden normalerweise
auf sog. parallaktischen Montierungen befestigt, diese Montierungen sorgen
dafür, das das Teleskop immer exakt der Erddrehung nachgeführt
wird und ein eingestelltes Objekt so immer im Bildfeld bzw. auf dem Aufnahmemedium
bleibt. Die bekannteste Bauweise einer parallaktischen Montierung ist die
sog. Deutsche Montierung, es existieren allerdings auch noch andere Bauweisen
wie die Gabelmontierung oder auch die Hufeisenmontierung.
Allen parallaktischen Montierungen ist gemeinsam, das die Bewegung einer
Achse genügt, um die Erddrehung für jedes Objekt am Himmel komplett
auszugleichen.
Bedingt durch mechanische Ungenauigkeiten geschieht diese sog. Nachführung
allerdings nicht 100%-ig genau, das Teleskop scheint um das eingestellte
Objekt vor- und zurück zu schwingen, es läuft mal etwas zu schnell
und später etwas zu langsam. Diese Schwingungen sind sehr klein, die
Größenordnung liegt bei wenigen Bogensekunden (eine Bogensekunde
ist der 1,296-millionste Teil eines Vollkreises, der Mond hat z.B. einen
scheinbaren Durchmesser von ca. 1800 Bogensekunden), aber sie genügt,
um bei höher aufgelösten Astroaufnahmen die Sterne zu Strichen
zu verschmieren.
Um diese Schwingungen zu eliminieren, wird z.B. über eine zweite,
parallel montierte Optik ein Stern eingestellt und dieser quasi "verfolgt",
d.h. eine sog. "Guidekamera" (eine kleine, zweite CCD-Kamera) mißt
die Abweichung des Leitsterns von seiner Sollposition und steuert dann die
Montierung so, daß die Abweichung dieses Sterns immer minimal ist.
Diese Korrekturen werden im Sekundenrhythmus oder noch schneller gemacht,
sodaß die eigentliche Aufnahmekamera z.T. bis auf Bruchteile von Bogensekunden
immer exakt denselben Bildausschnitt aufnimmt. Nur dann lassen sich die zeitlich
nacheinander gemachten Frames nacher problemlos aufeinanderlegen und zu einem
LRGB-Komposit zusammenführen.
Was ist Okularprojektion bzw. Fokalfotografie?
Fokalfotografie bedeutet, das das Teleskop als Teleobjektiv verwendet wird,
d.h. sein erzeugtes Bild wird direkt vom Aufnahmemedium (CCD-Chip oder auch
Film) aufgenommen. Es sind keine weiteren, vergrößernden optischen
Elemente im Strahlengang.
Okularprojektion oder auch afokale Fotografie besteht dann, wenn nicht
das vom Teleskop direkt erzeugte Bild, sondern ein durch eine weitere Optik,
meist ein Okular, zusätzlich vergrößertes Bild aufgenommen
wird. Dies geschieht meist dann, wenn entweder sehr hohe Vergrößerungen
erzielt werden sollen, oder aber, wenn die aufnehmende Kamera kein abnehmbares
Objektiv besitzt. Dann muß ein Okular als sog. "Projektiv", ähnlich
einem Diaprojektor, verwendet werden und das resultierende Bild wird dann
durch das Festobjektiv der Kamera abfotografiert. Die Kamera fotografiert
dann das Bild, das man auch beim Blick durch das Okular sehen würde.
Wie funktioniert der Spiegelschliff?
Über das Spiegelschleifen wurden bereits einige Bücher geschrieben,
sodaß ich hier aus Platzgründen nur einen kurzen Abriß geben
möchte, wie es etwa funktioniert. Beim Spiegelschleifen wird nichts
anderes gemacht, als das zwei gleichgroße Glasscheiben aufeinander
gelegt werden und sich dazwischen etwas Schleifpulver (Carborundum) befindet.
Dann werden beide Glasscheiben vor- und zurückbewegt wobei sie gleichzeitig
gegeneinander verdreht werden, z.B. die untere nach links, die obere nach
rechts. Es werden also drei Bewegungen zugleich ausgeführt: Vor- Zurück
und zwei gegeneinander gerichtete Drehbewegungen, letztere dienen dazu, das
die an den Scheiben entstehenden Veränderungen rotationssymetrisch werden.
Bei der Bewegung der beiden Gläser übereinander (vor- zurück)
rollen die Schleifkörner dazwischen hin und her, und ihre scharfen
Kanten brechen dabei kleine Glassplitter heraus. Dabei wird die oben liegende
Scheibe mehr in der Mitte, die unten liegende Scheibe mehr am Rand angegriffen.
Nach einigen Minuten ist das Carborundum selbst dann zermahlen und muß
durch neues ersetzt werden.
Auf lange Sicht und bei immer feiner werdendem Schleifpulver beginnen die
beiden Platten dann, sich aneinander immer besser anzupassen, bis sie schließlich
so exakt angepaßt sind, das nicht einmal mehr eine Rasierklinge dazwischen
paßt.
Von der Mathematik her sieht es aber so aus, das lediglich zwei Ebenen
oder zwei Kugeln mit identischem Radius sich beliebig nahe aneinander annähern
können. Am Ende entsteht durch die Schleifbewegung daher ein Kugelspiegel,
also ein Teil einer Kugeloberfläche.
Durch Änderungen an den Vor- und Zurückbewegungen (den sog. "Strichen")
ist der Schleifer in der Lage, bestimmte Bereiche des Spiegels mehr anzugreifen
als andere, und kann so die genaue Spiegelform beeinflussen.
Um die gewünschte, sehr glatte Oberfläche zu erreichen, wird
der Spiegel nach dem Grob- und Feinschliff auf einer "Pechhaut" poliert,
dabei kommt dann kein Carborundum, sondern ein spezielles Poliermittel zum
Einsatz. Die Schleifschale ("das Tool") wird dazu mit einer dünne Schicht
Pech überzogen, diese "Pechhaut" verankert das Poliermittel, sodaß
dieses nicht mehr rollt, sondern der Spiegel auf einer Vielzahl von sehr
kleinen, harten und scharfen Kristallen hin- und herbewegt wird. Die Bewegungen
auf diesem "Nadelrasen" führen dann dazu, das die Glasoberfläche
des Spiegels poliert wird.
Da man für viele Teleskope allerdings keine Kugelspiegel, sondern
Parabolspiegel benötigt, wird ganz zum Schluß nach der Politur
über die Änderung der Striche der Kugelspiegel in einen Parabolspiegel
überführt.
Getestet wird ein Spiegel dann während des Schliffs zunächst
noch mit Schieblehre und Lineal, später bei der Politur wird dann auf
die "Foucaultsche Messerschneidenprobe" zurückgegriffen. Hierbei wird
eine punktförmige Lichtquelle durch den Spiegel abgebildet und dann
eine Messerschneide in das vom Spiegel zurückkommende Lichtbündel
bewegt. Das direkt dahinter platzierte Auge sieht dann auf dem Spiegel alle
Abweichungen von der Idealform als "Landschaftsbild", ähnlich einem
Mondkrater bei schräg einfallendem Licht.
Nach der Politur und Parabolisierung wird der Spiegel dann verspiegelt,
d.h. mit Aluminium bedampft oder chemisch mit Silber belegt. Eine durchsichtige
Schutzschicht aus Quarz schützt die Aluminiumschicht vor Oxidation,
Silberschichten werden meist nicht extra geschützt, sondern nach einigen
Jahren, wenn sie unbrauchbar geworden sind, einfach neu erstellt.
Die Genauigkeit eines solchen Spiegels ist eines der faszinierenden Details,
daher ein abschließendes Beispiel:
Gesetzt den Fall, man würde (m)einen 208mm Spiegel im Faktor 1:1000.000
vergrößern, so hätte er einen Durchmesser von 208km, also
etwa die Strecke München - Stuttgart. Das Zentrum (bei Ulm) wäre
dann ca. 2600m tiefer gelegen als der Rand, von dort bis zum Zentrum würde
eine "Hangneigung" von ca. 1,4° gemessen werden.
Die größte Abweichung von der Idealform wäre dann ca. 15cm
hoch, die durchschnittliche Bodenerhebung läge noch darunter.