Grundlagen Astrokameras


Was bedeutet eigentlich Gain, Offset und USB Traffic
Bezug ist hier eine CMOS / CCD Kamera und eine DSLR!

Nun, die meisten kennen aus der normalen Fotografie die Einstellung der ISO
und Belichtungszeit ihrer DSLR.
Auch hier wird die Verstärkung am Sensor eingestellt. Leider kann man an den meisten
Astrokameras keinen ISO Wert einstellen. Wie wird man aus den Werten schlau?

Am Beispiel einer monochromen CMOS Kamera:

Dies sind Näherungswerte aber sie helfen im Verständnis!

ISO Gain (Verstärkung)
200 0
400 60
800 120
1600 180
3200 240
6400 300
12800 360
25600 420
51200 480
102400 560

Gain = Verstärkung

Offset = im Grunde ist dies eine Konstante, die zum Auslesen jedes Pixels hinzugefügt wird, um
ein Clipping zu vermeiden.

USB Traffic =  Ermöglicht die Einstellung der Datenübertragungsrate über den USB – Port,
gilt nur für Video-Aufnahmen, wo die maximale Datenrate wichtig ist (Mond, Planeten etc.)

Bevor wir weiter in Details einsteigen, hier einige Zusammenhänge:

Je höher die ISO Stufe gewählt wird, desto mehr Einzelaufnahmen werden benötigt um einem
Verstärkerrauschen 
entgegen zu wirken.

und:

Mit jeder Verdopplung der ISO Stufe, benötige ich das Vierfache an Einzelaufnahmen.
Natürlich ist das eine Pauschalaussage, aber in der Praxis geht die Rechnung auf.

ISO Summe Einzelbilder
200 10
400 40
800 160
1600 640
3200 2560
6400 10240

Es gibt keinen Grund jetzt aufzugeben. In der Praxis reichen ca. 40 Einzelaufnahmen
bei ISO 800 bis 1600 um bei einer DSLR vernünftige Bilder zu erzeugen.

Leider sind das noch nicht alle Faktoren, die hier Einfluss nehmen….denn:

  • das thermische Rauschen steigt linear mit der Belichtungsdauer und
  • das thermische Rauschen verdoppelt sich, wenn die Sensortemperatur um jeweils 7 Grad zunimmt
Das heißt: Hohe ISO = (kurze Belichtungszeit) wenig thermisches Rauschen aber viel Verstärkerrauschen
geringe ISO = (lange Belichtungszeit) wenig Verstärkerrauschen und hohes thermisches Rauschen

Mann sollte jetzt aufgeben! Nein…nur einen guten Weg finden und wissen wie die Zusammenhänge sind.

Kommen wir jetzt zur Praxis.

Im Vergleich: DSLR zu einer monochromen (gekühlten) CMOS Kamera (Darkframe)

Alle Aufnahmen mit ISO 800 bzw. Gain 120 für 300 Sekunden – ein gängiger Wert in der Astrofotografie

Hinweis :Damit der Unterschied deutlicher wird, habe ich bei der Entwicklung
die Belichtungsstufen um den Faktor 3 erhöht. 

Bild anklicken für einen 100% Ausschnitt

CANON 5D MK II Astromodifiziert CANON 5D MK IV
ISO 800 / 300 Sek. / Temp 30°C ISO 800 / 300 Sek. / Temp 30°C
QHY174 warm QHY174 kalt
Gain 120 / 300 Sek. / Temp 30°C Gain 120 / 300 Sek. / Temp -12°C

Im direkten Vergleich schneidet eine DSLR nicht so schlecht ab – oder?

Ein Trugschluss! Wir betrachten hier ein einzelnes Foto. Im Dauerbetrieb
wird der Sensor der DSLR mächtig warm (das kann gut über 40 Grad werden).
Wir wissen, dass sich das Sensorrauschen bereits bei 7 Grad verdoppelt.
Mit einer gekühlten CMOS/CCD Kamera, kannst du eine Aufnahme nach der anderen
machen. Das Sensorrauschen bleibt immer gleich!

Der Crop-Faktor (Formatfaktor)

Er entspricht dem Längenverhältnis zwischen den Diagonalen zweier Aufnahmeformate.

Es ändert sich nicht die Brennweite deines Teleskops, es ändert sich der Bildwinkel.
Man könnte auch von einem Verlängerungsfaktor sprechen.

Referenz beim Crop-Faktor ist das Kleinbildformat (Auch Vollformat benannt)

Bei einem Objektiv mit 100mm Brennweite ist der Crop-Faktor am Kleinbildsensor = 1

Hingegen hat gleiches Objektiv am APS-C Sensor den Faktor = 1,52

Die Berechnung erfolgt nach der Formel:

(Länge Kleinbildformat : Länge Bildsensor) = Crop-Faktor

Somit bei APS-C Format: (36mm : 23.6mm) = 1,52 d.h. Dein 100mm Objektiv entspricht am APS-C Sensor
einer äquivalenten Brennweite von 152mm

Der Bildausschnitt wird kleiner und das Objekt wird größer.

Crop-Faktor Bezeichnung Breite Höhe Diagonale
(mm) (mm) (mm)
2 Micro-Four-Thirds 17,3 13 21,3
1,85 1,5″ 18,7 14 23,4
1,52 APS-C 23,6 15,6 28,4
1 Kleinbild-Vollformat 36 24 43,3
0,72 Mittelformat 48 36 60

Zum Nachdenken

Beispielrechnung für ein Celestron C11 mit 2800mm Brennweite und einem
16Mb Sensor mit 17,7mm Kantenlänge

Das Ergibt eine äquivalente Brennweite von:
(36mm : 17.7mm) x 2800 = 5.695mm

Herzlichen Glückwunsch!! Bei einem Seeing 5 und Transparenz 10 am Planeten genial!!

Aber wie möchtest du damit M31 / M42 oder NGC 7000 etc. aufnehmen?…ahh verstehe,
im Mosaik Verfahren.

 

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Stand 2018 / Thomas Schiffer