Förderverein der Archenhold-Sternwarte
und des Zeiss-Großplanetariums Berlin e.V.

Andreas Heidenreich

Digitale Astrofotografie

1 Einführung in die Techniken

1.2 Grundlagen

Bei digitaler Astrofotografie tritt ein lichtempfindlicher Siliziumchip an die Stelle des fotografischen Films. Der Chip ist schachbrettartig in ein Raster von kleinen rechteckigen Flächen unterteilt, genannt Pixel (picture elements). An jedem Pixel wird die Helligkeit gemessen und daraus das Bild zusammengesetzt. Grundlage hierfür ist der fotoelektrische Effekt, wonach das Licht in den Pixeln Elektronen freisetzt, deren Menge proportional zur Menge des einfallenden Lichts ist. Gemessen wird dann die Menge der erzeugten elektrischen Ladungen an jedem Pixel. Diese Proportionalität gilt hin bis zur maximalen Menge ("Sättigung") mit Elektronen, die ein Pixel speichern kann. Die erzeugte Ladungsmenge wird verstärkt und digitalisiert, d.h. der Ladungsmenge an jedem Pixel wird eine ganze Zahl zugeordnet. Der gesamte Messbereich möglicher Ladungen zwischen keiner Ladung bis zur maximal möglichen Ladungsmenge (Sättigung) wird üblicherweise in 28 = 256,212 = 4096 oder 216 = 65536 Stufen unterteilt, je nachdem, ob in der Kameraelektronik ein 8- Bit-, 12-Bit- oder 16-Bit-Analog-Digitalwandler verwendet wird. Als Ergebnis erhält man für jedes Pixel eine Zahl, die die Lichtmenge am betreffenden Pixel darstellt. Bei digitaler Astrofotografie kommen entweder digitale Spiegelreflexkameras (nur Kamerakörper ohne Objektiv, sofern sie an ein Teleskop angeschlossen werden), Webcams oder astronomische CCDs zum Einsatz. CCD, Charge Coupled Device, übersetzt ladungsgekoppeltes Bauelement, ist streng genommen nur die Bezeichnung für einen lichtempfindlichen Siliziumchip, der auch das Herzstück einer digitalen Spiegelreflexkamera ist. Im Sprachgebrauch der Astrofotografie wird allerdings mit dem Begriff astronomisches CCD, meist einfach nur kurz CCD, der Chip zusammen mit der Kameraelektronik und Gehäuse bezeichnet. Ein astronomisches CCD ist im Hinblick auf astronomische Anwendungen optimiert und unterscheidet sich von einer digitalen Spiegelreflexkamera in folgenden Punkten:

1. Die Empfindlichkeit eines astronomischen CCD ist höher.
2. Der Chip ist elektrisch gekühlt oder zumindest wird die Entstehung von Wärme durch die Kameraelektronik so weit wie möglich reduziert und die Wärme wirksam an die Umgebung abgeführt. Grund für diese Maßnahmen ist, dass nicht nur Licht sondern auch Wärme im Chip Elektronen freisetzen kann. Die durch Wärme freigesetzten Elektronen werden auch Dunkelstrom genannt. Dunkelstrom ist insbesondere dann störend, wenn das Objekt lichtschwach ist. (Mehr zur Beseitigung des Dunkelstroms später.)
3. Ein astronomisches CCD benötigt eine externe Stromversorgung (ins- besondere für die Kühlung) und kann nur mit einem angeschlossenen Computer (USB-Kabel) betrieben werden. Der Computer dient dazu, das CCD zu regeln (z.B. die Belichtungszeit), die Aufnahmen auf dem Bildschirm darzustellen und auf der Festplatte abzuspeichern.
4. In astronomischen CCDs kommen zumeist 16-Bit-Analog-Digitalwandler zum Einsatz, bei digitalen Spiegelreflexkameras sind es zumeist 12-Bit-AD-Wandler. Die größere Zahl von Graustufen des 16-Bit-AD-Wandlers (65536 gegenüber 4096) bewirkt eine höhere Empfindlichkeit, was bei lichtschwachen Objekten sehr wichtig ist.

Webcams werden wie astronomische CCDs mit Hilfe eines Computers betrieben (Steuerung und Stromversorgung), sind jedoch viel lichtunempfindlicher als CCDs und verwenden auch nur 8-Bit-AD-Wandler. Wegen ihrer geringeren Empfindlichkeit kommen Webcams nur für helle Objekte in Frage, also für Mond und Planeten. Webcams sind allerdings erheblich billiger und daher für erste Versuche in der Astrofotografie geeignet.

Abb. 1 (rechts): Das CCD (Meade "Deep Sky Imager", DSI2-pro), angeschlossen an das 50cm Cassegrain-Teleskop der Archenhold-Sternwarte. Das CCD ist dabei anstelle eines Okulars eingesetzt. Mit zu sehen ist eine Schiene für Farbfilter, die in das CCD-Gehäuse eingeschoben ist, sowie ein USB-Kabel als Anschluss an den Computer. Die DSI2 ist nicht elektrisch gekühlt und hat daher nur einen geringen Stromverbrauch, sodass die Stromversorgung wie bei einer Webcam über das USB-Kabel durch den Computer erfolgt.

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