Astrofotografie :: Die korrekte Belichtung

Die korrekte Belichtung

Die korrekte Belichtung ist zusammen mit der präzisen Fokussierung die wichtigste Grundvoraussetzung für das Gelingen einer guten Astroaufnahme. Eine helles Motiv korrekt zu belichten, schafft praktisch jede Digitalkamera mit ihrer eingebauten Belichtungsautomatik ohne Probleme. Bei astronomischen Aufnahmen sind jedoch die Verhältnisse völlig anders. Hier versagt die Belichtungsautomatik in der Regel kläglich, und es gibt auch kein "Patentrezept" für die richtige Belichtungszeit.

• Normalerweise sind die zu fotografierenden Objekte mehr oder weniger lichtschwach.
• Das Rauschen verstärkt sich proportional zur Wurzel der Belichtungszeit. Das heißt, die vierfache Belichtungszeit hat ein doppelt so starkes Rauschen zur Folge.

• Grundsätzliches zur Belichtungszeit

Länger belichten? Im Prinzip ja, solange der hellste Bildpunkt noch nicht sättigt. Denn das Rauschen verstärkt sich nur proportional zur Wurzel der Belichtungszeit während sich das "Nutzsignal" direkt proportional dazu verstärkt. Eine längere Belichtungszeit bringt also stets eine Verbesserung des Signal/Rauschabstands (S/N).

Die Abbildung links zeigt den Zusammenhang: Von der untersten Kurve (kurze Belichtungszeit) bis hin zur obersten Kurve (lange Belichtungszeit) verstärkt sich das Nutzsignal erheblich, während das Rauschen deutlich weniger zunimmt.

Wenn man also mit hinreichend kurzen Belichtungszeiten auf diese Weise den "Nutzsignal-Rauschabstand" optimieren kann, dann wäre das der Idealfall. Dies ist allerdings nur bei hellen Objekten und/oder riesigen Teleskopöffnungen der Fall.

Bei lichtschwachen Objekten kommt man um eine längere Belichtungszeit kaum herum. Bewegt man sich im Bereich von einigen 10 Sekunden bis in den Minutenbereich hinein, dann spielt zunehmend die Präzision der Nachführung eine gewichtige Rolle. Schließlich begrenzt der nicht dunkle Himmel durch das Streulicht unzähliger und meist völlig überflüssiger irdischer Lichtquellen eine weitere Steigerung der Belichtungszeit, so daß es meist sinnvoll ist, die gesamte Belichtungszeit auf mehrere Einzelbelichtungen aufzuteilen, was auch einer effizienten Rauschunterdrückung sehr dienlich ist. Der reine DC-Anteil der Lichtverschmutzung kann dann leicht von jeder Einzelaufnahme vor dem Addieren abgezogen werden, nicht jedoch das durch das Photonenrauschen verursachte Rauschsignal.

 

Kürzer belichten?

Lange Belichtungszeiten unbedingt vermeiden, wenn es darum geht, die sehr kurzen Momente geringer Luftunruhe zu "erwischen". Diese Momente sind wirklich kurz! Die Wahrscheinlichkeit, daß die Luft für länger als 1/10 s einen völlig klaren "Durchblick" gestattet, ist schon ziemlich gering, weniger als 10% bei gutem Seeing! Und fällt bei jeder weiteren 1/10 s rapide ab. Nur bei sehr hellen Objekten machbar.

Es gibt also keine Faustregel für die korrekte Belichtung, hier ist Erfahrung der wichtigste "Belichtungsmesser". Auch das zu fotografierende Himmelsobjekt verlangt nach seiner eigenen Belichtungszeit.

 

• Das Histogramm

Ein Aufnahmeprogramm mit "Live-Histogramm" ist sehr viel wert, denn hier hat man eine ausgezeichnete Kontrolle über die so enorm wichtige Belichtung! Die Freeware wxAstroCapture ist auf die Bedürfnisse der Astrofotografie zugeschnitten und eignet sich daher besonders gut. Auch das (leider sehr teure) kommerzielle Programm IC Capture ist für kontrollierte Aufnahmen geeignet.

Doch wie deutet man so ein Histogramm? Da jedem Bildpunkt ein diskreter Helligkeitswert zugeordnet ist, läßt sich aus der Gesamtheit aller Bildpunkte leicht eine Statistik anfertigen. Fangen wir mal ganz links an - hier werden alle Bildpunkte gezählt, die den Wert '0' (schwarz) haben. Diese werden als entsprechend lange, senkrechte Linie ganz links dargestellt. Es folgen (von links nach rechts) die Summe aller Bildpunkte mit dem Wert '1', dem Wert '2' usw. bis '255' für weiß (bei 8 Bit / Farbkanal). Und so sieht man auf einen Blick, welche Helligkeitsstufen wie häufig vorkommen! Für eine Belichtungskontrolle absolut unverzichtbar!!! Auch in der nachfolgenden Bildbearbeitung spielt das Histogramm eine sehr wichtige Rolle.

Und schaut ein "gesundes" Histogramm aus:
Dunkle Bildanteile kommen bei Astroaufnahmen recht häufig vor, daher der deutliche Anstieg auf der linken Seite. Etwas weiter rechts folgt ein mehr oder weniger ausgeprägter Einbruch, dann die Helligkeitsverteilung des Gestirns, wobei ganz rechts ein kleiner Sicherheitsabstand "eingebaut" ist. Und der ist sehr wichtig, denn bedingt durch das Seeing kann der hellste Wert durchaus noch kräftig schwanken. Eine Sättigung - Histogramm schlägt am rechten Rand an und macht dort eine Spitze - muß unter allen Umständen verhindert werden!!!
 

Fast noch schlimmer ist es, wenn das Histogramm am linken Rand anschlägt! Denn dann verschwinden unter Umständen wichtige, lichtschwache Details im Bild, die in der nachfolgenden Bildbearbeitung nicht wieder hergestellt werden können. Einzelheiten dazu in dem Beitrag Rauschreduktion und Informationsgewinn durch Bildaddition.

 

• Die korrekte Belichtung der Himmelsobjekte

Helligkeit	Belichtungszeit
6 mag	0,3 s
7 mag	0,6 s
8 mag	1,6 s
9 mag	4,0 s
10 mag	10,0 s
11 mag	25,1 s
12 mag	63,1 s
13 mag	158,5 s
14 mag	398,2 s
15 mag	1.000,2 s
16 mag	2.512,6 s

Die Tabelle links zeigt die idealen Belichtungszeiten (gutes Ausbelichten ohne Sättigung) einer monochromen CCD-Kamera für verschieden helle Sterne in einem 10" SCT. Da diese Kameras eine leicht unterschiedliche Empfindlichkeit besitzen, und auch gleichhelle Sterne je nach Horizonthöhe und Transparenz sehr unterschiedlich hell sein können, kann dies nur ein grober Richtwert sein.

Bei Belichtungszeiten oberhalb von ca. 1-2 Minuten ist außerdem noch die "Qualität" des Himmels zu beachten. Vielfach ist dieser durch künstliche Lichtquellen aufgehellt "Lichtverschmutzung", was die maximal sinnvolle Belichtungszeit einer Aufnahme bei Verwendung von breitbandigen Filtern (IR/UV-Cut bzw. RGB) stark begrenzt. Ein ausführlicher Beitrag dazu ist die "Belichtung mit der Astrokamera". Keine ganz leicht verdaubare Kost...
 

• Sonnenflecken (Webcam)

Da der Helligkeitsunterschied zwischen Photosphäre und Umbra viel zu groß ist, um mit einer Kamera erfaßt zu werden, sollte man auch nicht versuchen die Umbra auf "Dunkelgrau" zu stellen oder ihr etwa noch irgendwelche Details abzutrotzen. Vielmehr kommt es darauf an, die Penumbra und die leichte Körnung in der Photosphäre der Sonne sauber darzustellen. Dazu so stark belichten, daß die hellsten Bildteile gerade eben noch nicht sättigen. Viel Kontrast brauchen wir bei der Körnung und bei den feinen Strukturen innerhalb der Penumbra, die im Mittel immer noch überdurchschnittlich hell ist. Also wird man nach Möglichkeit einen möglichst geringen Gammawert einstellen um den steilen Anstieg der Kontrastkurve in die hellen Bildanteile zu verlegen.

• Mondoberfläche (Webcam)

Die ideale Belichtung für die Mondoberfläche gibt es nicht. Direkt am Terminator sind die Kontraste extrem - zu extrem für jeden Kamerachip! Gleißend helle Kraterränder wechseln mit dunklen Gesteinsebenen ab, die von der tief stehenden Sonne nur unzureichend beleuchtet werden. Dafür sind gerade hier Rillen und Verwerfungen besonders gut zu erkennen. Die bestmögliche Belichtung hängt also davon ab, für welches Detail man sich besonders interessiert.
Feine Rillen in der Ebene:
Helligkeit etwa mittig einstellen, die dunkelsten Bereiche sollen sich noch gut vom Chiprauschen abheben. Den Gammawert möglichst auf einen hohen Wert einstellen, dadurch hat man den steilsten Anstieg in der Kontrastkurve eher im unteren Helligkeitsbereich. Dabei aber darauf achten, daß das Histogramm schön nah am linken Rand bleibt, sonst verschwendet man kostbaren Kontrastbereich.
Krater, Zentralberge, Strukturen im Fels
So belichten, daß die hellsten Bildteile noch nicht sättigen. Gammawert, wenn möglich, minimieren, denn dadurch werden die Strukturen am Kraterrand besonders gut wiedergegeben. Beide Belichtungen lassen sich dann später auch miteinander kombinieren, wodurch alle Details sichtbar werden.

• Merkur, Venus (Webcam)

Diese Planeten zeigen kaum (Merkur) oder gar keine Einzelheiten (Venus). Beide Planeten wird man eher tagsüber fotografieren, denn dann stehen sie in größerer Höhe über dem Horizont. Bei der Belichtung muß lediglich darauf geachtet werden, daß die hellsten Bildpunkte noch nicht sättigen. Den Gammawert möglichst minimieren, denn damit schlägt man gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: Einmal wird der helle Himmelshintergrund fast schwarz und zum anderen kann man Merkur bei sehr gutem Seeing vielleicht ein paar Strukturen abringen, die sich allesamt im hellen Bildbereich befinden, wo die Kontrastkurve dann am steilsten ist.

Ganz anders werden die Verhältnisse, wenn die beiden Planeten als schmale Sicheln erscheinen. Dann werden die Sichelspitzen oft nicht mehr so deutlich dargestellt. Hier sollte der Gammawert dann so eingestellt werden, daß das Histogramm ganz links einen kleinen "Sicherheitsabstand" zeigt. Sehr viele Aufnahmen machen und hinterher sehr sorgfältig selektieren!

Mars, Jupiter, Saturn (Webcam)

Diese Planeten zeigen viele feine, aber wenig kontrastreiche Einzelheiten, die möglichst sauber aufgelöst werden müssen. Bei diesen drei Kandidaten möglichst so lange belichten, daß der hellste Bildpunkt noch nicht sättigt. Wenn einstellbar, einen möglichst geringen Gammawert wählen, denn dann ist die Kontrastkurve bei den hellen Bildteilen am steilsten, und die knappen 8 Bit bei der Quantisierung werden besser genutzt. Aufpassen bei Saturn, wenn der recht dunkle Südpol nicht ganz im Dunkel verschwinden soll. Hier kann unter Umständen eine mittige Gamma-Einstellung günstiger sein. (Anmerkung: In den nächsten ca. 15 Jahren werden wir bei Saturn eher auf den Nordpol schauen)

Uranus, Neptun (Webcam)

Diese Planeten zeigen keinerlei Einzelheiten, sie haben außerdem eine äußerst geringe Flächenhelligkeit. Insbesondere bei Neptun ist die "Friß-Oder-Stirb-Methode" unausweichlich. Die Webcam also auf die längste mögliche Belichtungszeit einstellen, mit dem Gammawert im Histogramm links einen kleinen ´Sicherheitsabstand´ einbauen, und die Nachverstärkung (´Gain´) so einstellen, daß man das Planetenscheibchen überhaupt noch deutlich sehen kann, idealerweise nahezu ausbelichten. Bei Kameras mit einstellbarer Langzeitbelichtung die Belichtungszeit so einstellen, daß der hellste Bildpunkt noch nicht sättigt.

• Doppelsterne (Webcam)

Diese sind meist von sehr unterschiedlicher Helligkeit. Ein 2^m / 7^m - Pärchen unterscheidet sich hinsichtlich seiner Helligkeit bereits um den Faktor 100, was bedeutet, daß es bei der 8-Bit-Quantisierung schon verdammt eng wird. Den helleren Stern also solange belichten, bis dieser leicht sättigt und darauf achten, daß sich der dunklere Begleiter noch gut vom Chiprauschen abhebt. Falls nicht, ist das auch nicht so tragisch, denn nach dem Stacken, das ja das Rauschen stark vermindert, taucht ein vorher unsichtbarer Begleiter im Summenbild auf wundersame Weise deutlich sichtbar auf. Wenn möglich, den Gammawert auf den höchsten Wert einstellen, denn damit läßt sich die "Kontrastverstärkung" des Kamerachips vermindern. Wenn die ToUcam verwendet wird, diese unbedingt vorher optimieren, wie auf den Seiten "ToUcam optimieren" und Folgeseiten ausführlich beschrieben.

• DeepSky, insbesondere Planetarische Nebel, Gasnebel und Galaxien (Astrokamera oder DSLR)

Hier scheiden sich die Geister!!! Die einen möchten die feinen Nebelstrukturen noch sichtbar machen und nehmen es dafür in Kauf, die Sterne im Nebel so stark überzubelichten, daß man diese eigentlich nur noch als helle Flecken wahrnimmt. Oder helle, strukturlose "Fußbälle" in den Galaxienkernen. Wieder andere (ich gebe zu, daß ich auch zu dieser Fraktion gehöre) möchten den Nebel (oder die Galaxie) möglichst realistisch, "okularkonform" darstellen und verzichten dabei, wenn nicht anders geht, auf feine Details in den Randbereichen des Nebels bzw. Galaxie.

Hat man den Komfort einer unbegrenzten Belichtungszeit, dann sollte man diese geschickterweise so einstellen, daß die hellsten in den Einzelaufnahmen sichtbaren Einzelheiten so gerade eben noch nicht sättigen. Nach ca. 40-200 Bildadditionen und einer Filterung mit DDP bei der Bearbeitung des (32 Bit-) Summenbilds werden plötzlich unglaublich feine Details sichtbar! Nebenbei läßt sich der Gamma-Wert dahingehend feinjustieren, daß das Rauschen nicht mehr sichtbar ist.

Durch das Verteilen einer langen Einzelbelichtung auf viele kürzer belichtete Aufnahmen umgeht man elegant unvermeidliche Nachführungsprobleme (Schneckenfehler usw.) und bekommt außerdem die Option, schlechte Einzelbilder (Seeing, Wolkenfelder, Verwackeln bei starkem Wind usw.) auszusortieren. Ein weiterer Vorteil ist die gewaltig höhere Dynamik des Summenbilds (ca. 11 MAgnituden gegenüber ca. 7 Magnituden beim Einzelbild), die mit geeigneten Bildbearbeitungsprogrammen wie z.B. FitsWork verlustfrei (!) bearbeitet werden können.

Ein guter Kompromiß ist mit einer Bearbeitungstechnik möglich, die ich mal "Kurz-Lang-Kombination" nennen möchte. Hierbei werden Einzelbilder mit sehr unterschiedlichen Belichtungszeiten miteinander kombiniert, wodurch sowohl in den hellen als auch in den dunklen Bildanteilen Strukturen (wenn auch nur so "halb") sichtbar werden.