Starting to shoot mono

Es war schließlich nur eine Zeitfrage, wann ich auf die aufwendigere Photographie mit Monokameras und Filtern umsteigen werde. Die Ergebnisse sind einfach um Welten eindrucksvoller bei dieser Technik, wenn man sie mit Aufnahmen von OSC vergleicht. Diese Technik sammelt einfach mehr Photonen, bietet durch die Abwesenheit der Bayer-Matrix eine höhere Auflösung und liefert damit detailreichere und tiefere Aufnahmen.

Insbesondere bei jenen Objekten, an denen ich interessiert bin – PN und SNR . – ist die Technik mit Monokameras und Filtern der OSC-Photographie überlegen.

Über ein deutsches Astronomie-Forum habe ich nun ein „recht günstiges“ aber qualitativ sehr hochwertiges 2″-Filter-Setup (ZWO-Filterwheel und L-RGB sowie 3nm-SHO-Filter von Optolong) ausfindig gemacht, das demnächst seinen Weg nach Graz finden wird :-). Bei der Mono-Kamera bin ich aktuell noch am recherchieren, welche ZWO-Kamera es schlussendlich wird (möchte das ASIAIR-System aufrecht erhalten, weswegen nur ZWO-Produkte möglich sind).

Intro

Astrophotographen verwenden häufig Monokameras mit Filtern, weil diese eine höhere Lichtempfindlichkeit und bessere Farbdarstellung bei spezifischen Wellenlängen bieten. Durch den Einsatz von verschiedenen Filtern können sie gezielt bestimmte Wellenlängen des Lichts einfangen, was zu schärferen und klareren Bildern von astronomischen Objekten führt (Bilder mit OSC haben schaffen ganz grob nur 70% der Auflösung schon allein durch die Bayer-Matrix). Dies ermöglicht ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und detailliertere Aufnahmen von schwachen Himmelsobjekten. Die Farbgebung erfolgt später in der Nachbearbeitung, wo die einzelnen monochromen Aufnahmen kombiniert werden, um ein eindrucksvolles und genaues Farbbild zu erzeugen.

Grundlagen

Jede Kamera ist im Prinzip monochrom und die Farbaufnahmen entstehen immer durch die vorgelagerten Filter, die sich zumeist direkt vor der Fotodiode befinden. Bei OSC (One Shot Cameras) werden diese bspw. in Form der Bayer-Matrix (CFA aus 50% Grün, 25% Rot und 25% Blau) angeordnet (CFA…Color Filter Array). Vor jeder Photodiode befinden sich also 4 Filter und die Diode misst damit eigentlich nur die Helligkeiten, welche durch den jeweiligen Filter entstehen. Durch die Bayer-Matrix verliert der Sensor also schlussendlich Informationen, da bspw. bei Rot jeweils nur 25% der Photonen die am Sensor in der Siliziumschicht enthaltenen Elektronen lösen und in der Diode „gesammelt“ werden. 75% der Photonen, die auf den Rot-Filter fallen, werden ignoriert.

Aufgrund des in der Astrophotographie herrschenden „Mangels an Photonen“, ist man natürlich bestrebt, diese Ineffizienz zu beseitigen. Die Lösung dafür sind dezidierte monochrome Astrokameras, die keine „vorinstallierten“ Filter vor den Photodioden haben. Diese Setups liefern die vierfache Ausbeute an Elektronen! Nachteile dieser Technik sind (zumindest bei den Schmalbandfiltern) erheblich verlängerte Belichtungszeiten, schwierigere Kalibrierung (Flats für jeden Filter) eine aufwendigere Bearbeitung der gewonnen Daten und die – leider massiv – höheren Kosten des Equipments (Filterwheel, Filter und monochrome Kameras). Speziell gute Filter sind richtig, richtig teuer …

Filter

Für die Farbinformationen müssen also vor den Kamerasensor separat noch Filter gesetzt werden, die grundsätzlich in drei Typen eingeteilt werden können.

• LRGB Filter (Luminance, Red, Green, Blue)
• Narrowband Filter (für ionisierte Gase bei Nebeln, 3-12nm Bandbreite)
• Light Pollution Filters (bei Farbsensoren, blocken spezifische Wellenlängen)

L-RGB Filter

Luminanzfilter (L-Filter) blockieren lediglich im UV- und IR-Bereich, womit sie im visuellen Bereich (400-700nm) voll durchlässig sind. Diese Filter helfen „bloated stars“ (aufgeblähte Sterne) zu vermeiden und helfen defokussierte Bilder zu vermeiden. Da die Sensoren der Kameras eben nicht nur in der visuellen Bandbreite empfindlich sind, sondern auch im UV- und IR-Bereich, fokussieren sie oft nicht exakt. Dieses Problem kann mit Luminanzfiltern behoben werden.

Die Luminanzfilter nehmen somit alle visuell wahrnehmbaren Objektinformationen auf. Deswegen wird in der Regel die „Hauptbelichtungszeit“ bei L-RGB-Aufnahmen im Luminanzkanal investiert. Ein übliches Verhältnis dabei ist 3:1:1:1 (L:R:G:B). Der L-Anteil ist dabei dann für die Tiefe, die Details und auch für das Rauschen verantwortlich.

Eine recht umfangreiche Erklärung zu den oa. Themen findet sich auf dem YouTube-Channel von Frank Sackenheim (astrophotocologne) unter dem folgenden LINK.

RGB-Filter decken jeweils ca. 1/3 des visuellen Spektrums ab.

Narrowband (SHO) Filter

Das Spektrum der Sterne ist annähernd kontinuierlich über den visuellen Bereich verteilt. Manche astronomischen Objekte – so bspw. Emissions-nebel (EN), planetarische Nebel (PN) und Supernova-Überreste (SNR) – enthalten ionisiertes Gas, welches Licht nur in spezifischen Wellenlängen abstrahlt. Werden für diese Wellenlängen spezifische Filter verwendet, können wir dieses Licht sozusagen „exklusiv“ einfangen, da ja sämtliche anderen Wellenlängen blockiert werden. Dies hat den großen Vorteil, dass Lichtverschmutzung (light pollution, sky glow) bzw. auch die Einflüsse des Mondes ausgeschaltet werden können und trotz dieser Bedingungen hochqualitative Aufnahmen möglich sind.

Nachdem EN, PN und SNR meine bevorzugten Targets sind, werden die SHO-Filter wohl zu meinen Standard-Setup gehören.

Bei Anwendung der Schmalbandfilter sind schnelle Optiken gefragt, da die Belichtungszeiten länger sind. Die Verstärkung (gain) wird auch entsprechend höher gewählt. Hauptsächlich werden 3 Wellenlängenbereiche für das Narrowband-Imaging verwendet:

• Sulfur (S-II) – Wellenlänge 672,4 nm – tief rote Emissionslinie, zumeist schwächer als H-a
• Hydrogen (H-a) – Wellenlänge 656,3 nm – tief-rote, sehr häufige Emissionslinie (EM, HII-Regionen) – nahezu immer die hellste Emissionslinie
• Oxygen (O-III) – Wellenlänge 500,7 nm – Grün-Blau

Light Pollution Filter

Sind zumeist Hochkontrastfilter (UHC), die beim Einsatz von OSC spezifische Wellenlängen (Quecksilber- und Natrium-Dampflampen, etc.) blockieren. Problemtisch sind aber immer och die aktuell verwendeten LED-Beleuchtungen, die nahezu kontinuierlich im Spektrum strahlen.