CCD - Technik

Die CCD-Kamera für astronomische Zwecke muß besonderen Anforderungen genügen.
 Es handelt sich um eine Schwarz-Weiß-Kamera. Bei Farbaufnahmen  werden jeweils durch ein Rot-, Grün- und Blau-Filter (RGB) Aufnahmen gemacht und im Rechner zum Farbbild zusammengesetzt. Die heutigen Farb-CCD-Kameras für  astronomische Zwecke reichen noch nicht in der Qualität an die RGB-Aufnahmen heran. Die Kamera wird über einen PC gesteuert.

Worin unterscheidet sich eine CCD-Kamera für Astroaufnahmen von einer handelsüblichen Digital-Kamera?

• Die Belichtungszeit muß manuell einstellbar sein 1/100 Sekunde - 1 Stunde.
• Ausgesuchter Chip mit wenig defekten Pixeln.
• Gekühlter Chip auf unter - 30°C Umgebungstemperatur.
• Spektrale Empfindlichkeit
• Video-Chip mit maximaler Empfindlichkeit im Grünen, ähnlich dem menschlichen Auge.
oder
• rotempfindliche Chips mit maximaler Empfindlichkeit im Infraroten.

• Linearität des Empfängers über große Helligkeitsbereiche. Damit ist es möglich den Himmelshintergrund einfach abzuziehen. Selbst unter dem aufgehellten Stadthimmel ergeben sich Aufnahmen, die mit Film nicht möglich wären. (Für optimale Ergebnisse ist ein dunkler Himmel genauso wichtig wie bei Aufnahmen mit Film.) Die  Ergebnisse sind reproduzierbarer als bei Film. Man hat immer den gleichen Empfänger und nicht ständig wechselnde Filmsorten.
• Die hohen Empfindlichkeit, die 17. Größenklasse in 5 Minuten im 10-cm-Refraktor am Rande Berlins. Damit lassen sich Aufnahmen mit kleinen Instrumenten machen, die mit Film nur den größeren Teleskopen vorbehalten waren.
• Durch kurze Belichtungszeiten bei Mond und Planeten läßt sich die Luftunruhe "einfrieren" und die Aufnahmen erreichen das theoretische Auflösungsvermögen der Optik.
• Bilder können aufaddiert werden. Lange Belichtungszeiten werden durch viele kurze Belichtungszeiten ersetzt.
• Man sieht sofort das Ergebnis und kann Vorort schon mit erster Bildverarbeitung beginnen. Fehlerquellen wie Unschärfe oder das Objekt ist nicht in der Mitte, werden sofort erkannt.
• Die Option der Fotometrie und Astrometrie. Mit geringen Aufwand ist es möglich die Position und Helligkeit von Planetoiden, Kometen, Novae und Supernovae in Galaxien zu bestimmen. Damit ergeben sich neue Betätigungsfelder für den Amateur.--> siehe Astrometrie-Seite

• Die kleine Fläche im Vergleich zum Film und die sehr hohen Anschaffungskosten.
• Bei Farbaufnahmen müssen für optimale Ergebnisse jeweils drei Farbauszüge gemacht werden. Dies dauert sehr viel länger als bei Film. Nur bei S/W-Aufnahmen ist die CCD dem Film überlegen.
• Zusätzliches Zubehör wie Filterrad, Klappspiegel und eventuell Notebook
•  Die kleinen Pixel-Durchmesser stellen hohe Anforderungen an Nachführgenauigkeit und mögliche Seeingprobleme schon bei 1m Brennweite.

Welche Auswirkungen hat dies auf das Arbeiten mit der CCD ?

• Durch die kleinere Fläche dauert das Einstellen und Positionieren der Objekte viel länger. Ein Klappspiegel ist sehr hilfreich. Bei größeren Objekten müssen Mosaike gemacht werden.
• Wegen der 2-3x besseren Auflösung als bei Film muß auch genauer nachgeführt werden. Ein Autoguider ist selbst bei  ein paar Minuten Belichtungszeit nützlich. Auch Seeingprobleme, d.h. größere unscharfe Sterne,  machen sich eher bemerkbar.
• Zusätzlich müssen noch  Dunkelbilder und Flatfields gemacht werden.
• Farbaufnahmen sind sehr aufwendig.
• Probleme in warmen Nächten mit dem thermischen Rauschen. Eine 6° niedrigere Temperatur halbiert bereits das Rauschen.
• Ständiges arbeiten am Monitor, der Wechsel von hell nach dunkel ist anstrengender als durch Fadenkreuz-Okular zuschauen.
• Wegen des hohen Stromverbrauchs ist kein Einsatz im freien Feld möglich.

• Möglichst große Chip-Fläche
• Die Pixelgröße muß der Brennweite und dem Seeing angepasst sein, d.h. Pixel lassen sich zusammenfassen, Binningfunktion.
• Der Chip sollte möglichst rauscharm sein.
• Die spektrale Empfindlichkeit muß zu den Objekten passen, die aufgenommen werden.
• Autoguider Option
• Schnelles Auslesen des Bildes, verkürzt die Positionierzeit und für zeitaufgelöste Beobachtungen, z.B. Sternbedeckung durch einen Planetoiden.
• Die Steuerungssoftware sollte einfach zu bedienen sein, auch über Tastatur-Kürzel.

Die CCD-Kamera und Zubehör
 

Die CCD-Kamera Starlight-Xpress MX516 mit dem 4,9x3,6 mm² großen Chip. Die Pixelgröße ist 9,8x12,6 µm² Pixelzahl beträgt       510 x 290

Die CCD-Kamera Starlight-Xpress MX516 mit Klappspiegeleinheit und dem Kontrollokular zum Einstellen der Objekte.

Die CCD-Kamera am Teleskop gesteuert durch ein Notebook
 

Die CCD-Kamera im Einsatz am Schmidt-Cassegrain-Teleskop. Die Kamera ist über dem Parallelport des Notesbooks angeschlossen. Hierüber erfolgt das Einstellen der Belichtungszeit und das Einlesen der Bilder. Die Stromversorgung erfolgt über ein 12V Netzteil.

Beispiele für Dunkelbild und Flatfields
Neben den eigentlichen Bild müssen noch ein Dunkelbild und das Flatfield aufgenommen werden.

• Das Dunkelbild ist das Bild ohne das Licht auf den Chip fällt. Es besteht aus dem thermischen Rauschen und Ausleserauschen. Das thermische Rauschen hängt stark von Außentemperatur ab. Das Dunkelbild muß genauso lange belichtet werden wie das eigentliche Bild.
• Das Flatfield wird erzeugt in dem eine homogene leuchtende Fläche aufgenommen wird. Damit lassen sich Pixelfehler, ungleichmäßige Empfindlichkeit des Chips oder Vignettierung der Optik aufnehmen und später am Bild korrigieren.

	Dunkelbild 60 sek. belichtet.
	Flatfield bei Okularprojektion. Deutlich sind die Staubpartikel im Strahlengang zusehen, die auf dem Chip projiziert werden

Durchführung der Aufnahmen
Die Durchführung der Aufnahmen sieht wie folgt aus.

• Die Montierung muß exakt auf den Himmelspol ausgerichtet sein. Die Nachführung muß einwandfrei arbeiten.
• Die CCD-Kamera muß mindestens eine halbe Stunde laufen, d.h. gekühlt sein.
• Dann erfolgt das Fokussieren an einem hellen Stern. Das "Auslaufen" des Sterns durch Überbelichtung, kann zur Fokussierung genutzt werden.
• Der CCD-Chip sollte in RA-DE ausgerichtet sein. Steht kein Klappspiegel zu Verfügung, ist ein Leitfernrohr von großem Nutzen.
• Dann wird das Objekt eingestellt und auf dem Chip in der Mitte positioniert. Dies wird eine Weile dauern. Nur Geduld.
• Dann wird belichtet. Je nach Nachführung zwischen 30 und 60 Sekunden. Die meisten Nachführungen laufen maximal bis zu 60 Sekunden punktgenau.
• Es werden viele Bilder aufgenommen, die Software bietet die Möglichkeit Serienaufnahmen zu machen, Autosave-Modus einschalten.
• Nach Ende der Aufnahmen wird noch ein Dunkelbild mit der gleichen Belichtungszeit wie das Objekt aufgenommen. Auch hier wieder eine Serie zur Mittelwertsbildung.
• Am Ende der Beobachtungsnacht, kann die Dämmerung genutzt werden um die Flatfieldaufnahme zu machen.
• Auf der Festplatte sollte genügend freier Speicher vorhanden sein. 100 Aufnahmen in einer Nacht sind keine Seltenheit, und ergeben selbst bei einem kleinen Chip mal locker 30 MByte.

• Dateiformat

Die CCD-Aufnahmen werden im FITS-Format abgelegt. Dieses Format ist Standard bei den Astronomen. Es enthält außer dem Bild noch Datum, Uhrzeit, Belichtungszeit der Aufnahme, sowie eintragbare Kommentare. Pro Pixel können mehr als 16 Bit bereitgestellt werden. FITS-Dateien können von den "normalen" Bildverarbeitungsprogrammen nicht gelesen werden.
• Bildverarbeitung

Der Grauwertbereich ist bei den CCD-Aufnahmen bis zu 16 Bit breit. Die "normalen" Bildverarbeitungsprogramme können nur 8 Bit verarbeiten. Neben Kontrast/Helligkeit und Schärfefiltern sind weitere Bearbeitungsschritte nötig.
• Dunkelbild abziehen
• Flatfieldkorrektur
• Ausrichtung der Bilder zueinander
• Addition oder Mittelwertbildung
• Mosaike anfertigen
• Exportieren in eine gängiges Grafikformat
Wer nur ein schönes Bild aufnehmen wollte, ist jetzt schon fertig. Zur Auswertung einer Planetoiden Position oder die Helligkeit einer Nova zu bestimmen, sind noch weitere Arbeitsschritte nötig.
• Bildauswertung

Hier kann die CCD ihre Vorteile voll ausspielen. Mit Zugriff auf die moderne Sternkataloge wie die vom Hubble-Teleskop (GSC), Tycho-Katalog und USNO-Katalog können die heutigen CCD-Programme Position und Helligkeit von Objekten bestimmen, die auch professionellen Ansprüchen genügen.
Dies alles ist mit einem geringen Aufwand verbunden im Vergleich zur klassischen Fotografie.
 
• Welche Merkmale sollte ein CCD-Bildverabeitungsprogramm noch haben ?
• Automatisierung von Routineschritten, Batchprocessing
• Protokollierung der Arbeitsschritte
• Astrometrie/Fotometrie - Zugriff auf GSC-, Tycho- und USNO Katalog
• Erweiterungsmöglichkeiten über Plug-Ins, z.B. über Visual Basic eigene Programme einbauen.

(Bilder anklicken um sie in Originalgröße zu sehen)
 

M08: 5x1min belichtet	M13:   5x1min belichtet	M16: 5x1min belichtet	M17: 6x30 sec belichtet
M20:   8x1min belichtet	M27: 8x1min beleichtet	M31: 8x1 min belichtet	M51: 8x1min belichtet