© Alexander Grüner - Version: 24. Juni 2001
Theorie
Digitalkameras enthalten alle einen CCD Chip als Detektor, auf dem die einzelnen Lichtteilchen das Bild erzeugen.
CCD-Sensoren (CCD steht für "charge-coupled devices") bestehen aus einem rechteckigen Raster von vielen einzelnen Bildelementen, den sog. "pixels", als Schaltungsstruktur auf einem Siliziumkristall. Trifft ein Photon auf so ein Pixel, so wird ein Elektron von einer niederen, energieärmeren Bahn in eine höhere, energiereichere Bahn gehoben. Diese Energiezustände der Elektronen werden in jedem einzelnen Pixel getrennt gespeichert, beim sog. Auslesen des Chips ausgewertet und in Helligkeitsformationen umgewandelt. Das Bild setzt sich also aus einem Raster von Helligkeitsinformationen zusammen. (Durch getrennte Helligkeitsinformation der drei Grundfarben Rot, Gruen, Blau, entsteht ein Farbbild.)
Der Vorteil der CCD Technik gegenüber der Photographie oder der visuellen Beobachtung ist die wesentlich höhere Quantenausbeute von bis zu 90% (also die effektive Auswertung fast aller auf den Chip treffenden Photonen). Das menschliche Auge nutzt ca 1%, chemischer Film weniger als 10% der auftreffenden Lichteilchen.
CCD Chips haben aber ein sogenanntes Dunkelsignal, d.h. sie erzeugen auch ein "Bild" (als Rauschmuster) ohne das Lichtteilchen auf den Chip getroffen wären. Die Stärke dieses Störsignals, das sich dem durch Licht entstehenden Signal überlagert, ist deutlich von der Temperatur des Chips abhängig, je wärmer, desto schlimmer. Am besten ist es deshalb, gekühlte CCD Chips zu benutzen, um diese Störung zu reduzieren.
Was bedeutet dies nun in der Praxis der Amateurastronomie mit Digitalkameras ?
Vor der Beobachtung/Photographie sollte man die Kamera am besten auf Aussentemperatur oder noch kälter herunterkühlen. Was ggf. ein paar Grad Celsius Abkühlung für Unterschiede im Ergebnis erzeugen, zeigen die folgenden Tests, die ich mit meiner Olympus C-3030 Kamera durchgeführt habe. (Da dies nur ein x-beliebiges Einzelmodell aus dem Handel ist, ist dieser Test natürlich nicht repräsentativ für jede andere Kamera. Hier gibt es deutliche Unterschiede, je nach Hardware und Software der Kamera.)
Der Nachteil der handelsüblichen Digitalkameras gegenüber den speziellen CCD Kameras
für die Astronomie ist das deutlich höhere Dunkelsignal, mangels Kühlung des Chips.
Vorteile sind der geringere Preis, die hohe Verfügbarkeit und die oftmals viel höhere Auflösung.
Ferner kann eine Digitalkamera vielfältiger eingesetzt werden (Urlaub etc.). Während astronomische
CCD Kameras im Bereich mehrerer tausend Mark kosten und dann Auflösungen von ca.
250 000 Pixeln haben, sind zur Zeit 3,3 Megapixel Kameras für ca. 1500 DM
zu haben.
Mit der Olympus
C-3030 sind Belichtungen bis zu 16 Sekunden möglich. Für
diesen Test wurde in einem abgedunkelten Raum jeweils Belichtungen von
mehreren Sekunden Dauer gemacht, wodurch nur das Eigensignal des Chips abgebildet wird.
Die Bilder wurden dann mit einem Bildbearbeitungsprogramm nachbearbeitet: Dabei wurde
mit dem Programm IrfanView jeweils ein Gamafaktor von 4.0 auf das
Bild angewandt um das Dunkelsignal hervorzuheben. Anschliessend wurde nur ein
kleiner Teilbereich (links oben, 400x600 Pixel) exemplarisch
ausgeschnitten.
In der Tabelle sind links Aufnahmen bei einer Temperatur der Kamera von ca. 9 Grad Celsius, rechts mit ca. 23 Grad Celsius zu sehen. Die Bilder wurden sowohl im Original als auch invertiert wiedergegeben, um den Effekt v.a. bei niedriger Temperatur noch klarer zu verdeutlichen. Die Kamera wurde einmal bei Zimmertemperatur, das andere mal nach 4 Stunden Lagerung auf dem Balkon bei 9 Grad Aussentemperatur genutzt. Die Belichtungen betragen sechs, zehn und sechszehn Sekunden. Idealerweise würde man bei einem System ohne Dunkelsignal eine schwarze, bzw. bei invertierten Bildern eine weisse Fläche erwarten.
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Temperatur: ca. 9 Grad Celsius |
Temperatur: ca. 23 Grad Celsius |
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6 Sekunden |
6 Sekunden |
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10 Sekunden |
10 Sekunden |
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16 Sekunden |
16 Sekunden |
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Rechts eine Aufnahme nach zehn Bildern mit jeweils 16 Sekunden Belichtungszeit. |
16 Sekunden – nach 10 Bildern |
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6 Sekunden |
6 Sekunden |
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10 Sekunden |
10 Sekunden |
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16 Sekunden |
16 Sekunden |
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Rechts eine Aufnahme nach zehn Bildern mit jeweils 16 Sekunden Belichtungszeit. |
16 Sekunden – nach 10 Bildern |
Auf den einzelnen Bildern können die folgenden Sachverhalte erkannt werden:
Als erstes fallen natürlich die enormen Unterschiede im Dunkelsignal auf. Es ist in der Tat erstaunlich, wie gross der Effekt von von nur 14 Grad Celsius Temperaturunterschied ist.
Bei dem Versuch, als 10 Bilder kurz hintereinander mit jeweils 16 Sekunden gemacht wurden, ist als Ergebnis sichtbar, daß das Dunkelsignal sich verstärkt. Dieses Resultat ist leicht zu erklären, da sich der CCD Chip durch eine längere Betriebsdauer der Kamera und die häufige Benutzung aufheizt.
Es ist auch zu beobachten, daß das Dunkelsignal mit zunehmender Belichtungszeit zunimmt. Dies ist zwingend der Fall, da das Dunkelsignal, eigentlich ein Dunkelstrom, mit längerer Belichtungszeit auch mehr Ladung transporiert, die dann als Helligkeit interpretiert wird.
Hier haben die speziellen, astronomischen CCD Kameras ihre Stärken, da sie durch Kühlung das Dunkelsignal fast vollständig vermeiden und damit Belichtungen im Bereich von Stunden ermöglichen. Die handelsüblichen Digitalkameras eignen sich hingegen hervorragend für Aufnahmen von Sonne, Mond, sowie der helleren Planeten, wo die Belichtungszeiten sich im Bereich von Sekundenbruchteilen bewegen. Für Deep-Sky Photographie sind sie jedoch zur Zeit nur begrenzt geeignet.
Selbst bei nur 6 Sekunden Belichtungszeit und relativ kalter Kamera ist ein deutlicher heller Punkt, v.a. im invertierten Bild, erkennbar. Es handelt sich hierbei um einen sog. "Hotspot" auf dem CCD Chip. Hotspots sind defekte Pixel auf dem Chip, die zumindest ein sehr starkes Dunkelsignal zeigen. Leider besteht selten die Möglichkeit vor dem Kauf einer handelsüblichen Kamera ausgiebig die Chips zu testen. Diese sind im Laden originalverpackt und man müsste den Verkäufer überreden, mehrere Kartons zu öffnen, dann Aufnahmenserien zu erstellen, diese auf einen Copmuter zu laden und sich die beste Kamera herauszusuchen.
Fazit
Nach Möglichkeit sollte man also versuchen ,bei Astroaufnahmen die Kamera bereits vor der Beobachtung zu kühlen. Dabei muss man allerdings ein wenig aufpassen, dass sich die Batterien bei einer grosseb Kälte nicht zu sehr entladen. Zu lange Aufnahmeserien mit längerer Belichtung sind nicht ratsam. Besser ist es, einige Photos zu machen, dann die Kamera wieder ein wenig auskühlen zu lassen und erneut zu photographieren.
Die Kälte, die normalerweise den Beobachter in der Nacht wenig erfreut, ist für die Digitalkameras ein kleiner Segen.
