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Digitalkameras
Dieser Artikel gibt eine kurze Einführung in digitale Kameras, erklärt ihre Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile der digitalen Fotografie.
Digitalkameras und digitale Aufnahmetechniken haben seit über einem Jahrzehnt die Astrofotografie revolutioniert. Sie ermöglichen mit Amateurteleskopen eine Abbildungsqualität und Detailgenauigkeit, die früher nur mit professionellen Teleskopen von Großobservatorien möglich war.
Digitalkameras gibt es in allen Preis- und Qualitätsklassen. Digicams sind allgemein erschwinglich, allerdings sind gute digitale Spiegelreflexkameras (DSLRs) noch relativ teuer (Stand: Oktober 2006). Beide Kameratypen eignen sich hervorragend für die Astrofotografie.
Da die Entwicklung auf dem Kamerasektor sehr schnell vorangeht, muss man ständig mit neuen und besseren Kameramodellen rechnen. Ich gebe daher keine Tipps für bestimmte Hersteller oder gar Modelle. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass die Digitalkameras traditioneller Kamerahersteller eine bessere Bildqualität liefern als die Digitalkameras von Firmen, die in erster Linie Computer herstellen.
Grundprinzip von Digitalkameras
Bei Digitalkameras und digitalen Aufnahmesystemen fällt das vom Objektiv kommende Licht auf einen lichtempfindlichen, aus einzelnen Bildpunkten (Pixeln) bestehenden Sensor. Diesen stellt man sich am besten wie ein kariertes Blatt Papier vor. Das Blatt entspricht dem Sensor, die Karos den Pixeln.
Fällt Licht in seiner Teilcheneigenschaft (Photonen) mit unterschiedlicher Intensität auf den Sensor, werden je nach Intensität unterschiedlich viele Elektronen aus den Atomen der Pixel gelöst. Diese Elektronen erzeugen einen minimalen Strom. Je größer die Lichtintensität ist, die auf einen bestimmten Pixel fällt, umso mehr Elektronen werden aus den Atomverbänden gelöst und desto stärker ist der im Pixel erzeugt Strom.
Die Stromstärke, die im Pixel entsteht, ist also ein Maß für die Lichtintensität und somit eine Information über die Helligkeit des abzubildenden Objektes. Diese Ströme und damit auch Helligkeitsinformationen werden zusammen mit Informationen über ihre Position auf dem Sensor ausgelesen und gespeichert.
Vorteile von Digitalkameras
Bei Digitalkameras wird das Foto bzw. die digitalen Bilddaten sofort auf der Speicherkarte gespeichert bzw. im Falle von Webcams oder CCD-Kameras auf den PC übertragen. Man hat das Foto also unmittelbar nach der Aufnahme vorliegen und muss nicht erst den Entwicklungsprozess abwarten. Sofern eine Aufnahme misslungen ist, kann man sie sofort wiederholen und die wenigen Gelegenheiten mit optimalen atmosphärischen Bedingungen effektiv nutzen.
Kann keine Begutachtung auf einem PC-Monitor erfolgen, hat man die Möglichkeit, das Foto auf dem Display der Kamera zur Begutachtung zu vergrößern. Diese Zoom-Funktion reicht meiner Erfahrung nach aus, um eine Vergrößerung zu erzielen, die einem Papierabzug in Postkartengröße entspricht.
Durch ihre zum Teil sehr große Pixelanzahl verbunden mit einem relativ kleinen Sensor erzielt man eine Auflösung, die dem analogen Film überlegen ist. Insbesondere bei der Fotografie von Sonne, Mond und Planeten erzielt man Detailgenauigkeiten, die mit analogem Film nur in Verbindung mit Großteleskopen möglich ist.
In Hinblick auf die digitale Bildbearbeitung ist digitale Fotografie gegenüber dem Film im Vorteil, da die Daten direkt digital, ohne den Umweg über einen Scanner, der meist einen geringfügigen Qualitätsverlust zur Folge hat, vorliegen. Die Bildinformationen sind direkt in den Pixeln gespeichert.
Durch die Speicherung in digitaler Form entfällt die Anschaffung von Filmen. Auf längere Zeiten gesehen resultiert das in einer enormen Kostenersparnis, da in der Astrofotografie ein Großteil der angefertigten Fotos erfahrungsgemäß durch atmosphärische Störeinflüsse in ihrer Qualität stark beeinträchtigt oder gar unbrauchbar werden.
Die Aufnahmen werden auch nicht durch den Schwarzschild-Effekt beeinflusst, der sich bei langen und extrem kurzen Belichtungszeiten in einem Empfindlichkeitsverlust und häufig mit Farbstichen bemerkbar macht. Bei zwei Stunden Belichtungszeit erscheinen Sterne und andere Objekte also exakt doppelt so hell wie nach einer Stunde Belichtungszeit.
Bei der digitalen Speicherung der Bilddaten können auch keine mechanischen Beschädigungen, zum Beispiel Kratzer, Fingerabdrücke oder versehentlich zerschnittene Aufnahmen, entstehen.
Nachteile von Digitalkameras
Diesen Vorteilen stehen allerdings auch Nachteile gegenüber. Der größte Nachteil ist das Hintergrundrauschen, auch thermisches Rauschen genannt. Es ist ein immer vorhandenes Hintergrundsignal des Sensors. Bei hellen Motiven ist das eigentliche Signal im Verhältnis zum Rauschen jedoch so stark, dass das Rauschen komplett untergeht.
Das Rauschverhalten ist gerade bei preiswerten Modellen sehr ungünstig. Bei Digicams sollte man sich diesbezüglich vom Fachhändler über die verschiedenen Modelle beraten lassen oder Erfahrungsberichte im Internet nachlesen. Digitale Spiegelreflexkameras haben zumindest bei geringen und mittleren ISO-Empfindlichkeiten ein günstiges Rauschverhalten.
Das Rauschen ist vom Erscheinugsbild her mit einem grobkörnigen und/oder unterbelichteten Film vergleichbar: Es äussert sich in einem schmutzigen, braun-grauen, körnig erscheinenden Hintergrund. Das Rauschen macht sich hauptsächlich in dunkleren Bereichen des Motivs bemerkbar. Der Himmelshintergrund ist, zumindest bei geringen ISO-Werten, einigermaßen rauschfrei, sofern das Foto richtig belichtet ist.
Tipps zur Reduzierung des Rauschens finden Sie weiter unten in diesem Artikel.
Digitalkameras sind nicht so rotempfindlich wie analoger Film. Die Folge ist, dass bei Deep-Sky-Aufnahmen die roten Partien von Himmelsobjekten nicht ganz so stark betont werden wie mit Film, dennoch sind sie deutlich erkennbar. Einige Zubehörhersteller bieten spezielle Filter zur Verstärkung der relevanten Wellenlängen des Lichtes an, die in Eigenarbeit vor den Sensor gesetzt werden müssen.
Bei zahlreichen Digicams ist eine im Verhältnis zu digitalen Spiegelreflexkameras lange Auslöseverzögerung zu berücksichtigen. Diese kann sich bei schnell ablaufenden Ereignissen, zum Beispiel Sternbedeckungen oder totale Sonnenfinsternisse, nachteilig auswirken.
Der Crop-Faktor
Die meisten Digitalkameras für Amateurfotografen haben aus Kostengründen einen kleineren Sensor gegenüber dem Kleinbild-Format (24*36 Millimeter) bzw. den Vollformat-Sensoren von sehr teuren professionellen digitalen Spiegelreflexkameras, die mit den gleichen Maßen des Kleinbild-Formates arbeiten. Bei einer bestimmten Brennweite bedeutet dies, dass ein gegebenes Motiv aus der gleichen Entfernung mit Digitalkameras größer wiedergegeben wird als mit dem Vollformat.
Beispiel: Ein Gebäude wird mit einer digitalen Spiegelreflexkamera mit Crop-Faktor 1,6 und einem 100 Millimeter-Objektiv formatfüllend erfasst. Um den gleichen Ausschnitt mit einer analogen Kamera vom gleichen Standpunkt aus aufzunehmen, benötigt man 160 Millimeter Brennweite, es muss also stärker vergrößert werden. Diese scheinbare Brennweitenverlängerung ist nicht mit Effektivbrennweiten zu verwechseln, bei denen die Brennweite einer Optik mit Zusatzlinsen direkt beeinflusst wird!
Der Grund für diesen Effekt ist, dass eine bestimmte Brennweite aus einer bestimmten Distanz das gleiche Motiv stets gleich groß abbildet, ein kleinerer Sensor jedoch einen kleineren Bildausschnitt erfasst als das Vollformat. Somit erscheint das Motiv auf dem Bild größer, die Brennweite wird scheinbar (!) verlängert.
Dieser Verlängerungsfaktor heisst Crop-Faktor. Der Wert des Crop-Faktors hängt vom verwendeten Sensor ab. Da es sehr viele verschiedene Sensorgrößen gibt, ist der Crop-Faktor kameraspezifisch und dem Handbuch der Kamera zu entnehmen. Bei den meisten digitalen Spiegelreflexkameras beträgt der Crop-Faktor 1,5 oder 1,6.
Dieser scheinbare Verlängerungsfaktor der Objektivbrennweite muss beim Umstieg auf Digitalfotografie berücksichtigt werden. Eventuell muss man eine Zusatzlinse zur Brennweitenverkürzung der Optik besorgen, wenn man den gleichen Bildausschnitt wie mit analogen Systemen erfassen möchte. Andererseits lassen sich bei gleicher Brennweite mit digitalen Systemen kleinere Objekte größer und detailreicher erfassen.
Wie ermittelt man den Crop-Faktor, wenn er nicht in der Beschreibung der Kamera angegeben ist?
In allen Kamerabeschreibungen findet man Angaben zur Objektivbrennweite und den entsprechenden Brennweiten im Kleinbildformat. Die Angabe „Brennweite: 18-55mm (entspricht 28-90mm im Kleinbild-Format)“ bedeutet beispielsweise: 55mm Brennweite bei der Digitalkamera erzielen den gleichen Ausschnitt und die gleiche Abbildungsgröße wie ein 90mm-Objektiv mit dem Kleinbild- bzw. Vollformat.
Der Crop-Faktor lässt sich jetzt einfach ermitteln, indem man 90mm durch 55mm teilt. In diesem Beispiel ist der Crop-Faktor gerundet 1,6.
Umrechnungsformeln zum Crop-Faktor
In den folgenden Gleichungen bedeuten:
C: Crop-Faktor
F: Brennweite des Objektivs im Vollformat
f: Brennweite mit gegebenem Crop-Faktor
B: Abbildungsgröße im Vollformat
b: Abbildungsgröße mit Crop-Faktor
W: Bildwinkel im Vollformat
w: Bildwinkel mit Crop-Faktor
*: mal
/: geteilt durch
Welche Brennweite muss verwendet werden, damit ein Objekt genauso groß abgebildet wird wie beim Vollformat?
Hier muss die im Vollformat benötigte Brennweite durch den Crop-Faktor dividiert werden:
f = F/C
Beispiel: Der Mond soll bei einem Crop-Faktor von 1,6 genauso groß abgebildet werden wie mit 2000 Millimeter Brennweite im Vollformat. Die obige Formel lautet dann:
f = 2000mm/1,6 = 1250mm
Welcher Brennweite im Vollformat entspricht eine gegebene Optik an meiner Kamera?
Für diese Rechnung muss die Brennweite mit dem Crop-Faktor multipliziert werden:
f = F*C
Beispiel: Ein 300 Millimeter-Teleobjektiv entspricht an einer Digitalkamera mit Crop-Faktor 1,6 einem 480mm-Objektiv im Vollformat. Die Formel für dieses Beispiel lautet:
f = 300mm*1,6 = 480mm
Wie groß wird ein Motiv mit gegebener Brennweite mit einer Digitalkamera relativ zur Verwendung des Vollformates abgebildet?
Hier wird die Abbildungsgröße des Objektes mit dem Crop-Faktor multipliziert:
b = B*C
Beispiel: Der Mond wird bei Verwendung von 1000 Millimetern Brennweite im Vollformat auf einem Papierabzug mit einer Größe von 40 Millimetern dargestellt. Mit einem Crop-Faktor von 1,6 erzielt man bei gleicher Größe des Papierabzuges eine Abbildungsgröße des Mondes von 64 Millimetern:
b = 40mm*1,6 = 64mm
Welchen Bildwinkel erziele ich mit meiner Digitalkamera?
Um den Bildwinkel zu errechnen, muss der Bildwinkel des verwendeten Objektivs im Vollformat durch den Crop-Faktor dividiert werden:
w = W/C
Beispiel: Ein 50 Millimeter-Objektiv hat im Vollformat einen Bildwinkel von 46 Grad. Mit einem Crop-Faktor von 1,6 ergibt sich ein Bildwinkel von gerundet 29 Grad:
w = 46 Grad/1,6 = 29 Grad
Wie viele Pixel benötigt man?
Die benötigte Pixelzahl hängt vom Verwendungszweck bzw. der gewünschten Ausgabegröße des Bildes ab:
Möchte man die Fotos ausschließlich am Bildschirm betrachten, genügt eine Auflösung von etwa einem Megapixel. Für Onlinepräsentationen kann, je nach Verwendungszweck, die gesamte Bandbreite von Auflösungen herangezogen werden, von kleinsten Bildvorschauen ("Thumbnails") bis zu mehrere Megapixel großen Fotos. Wegen der schnell ansteigenden Ladezeiten bei großen Bildern sollte ein Foto hier eine Größe von ein bis zwei Megapixeln nicht überschreiten, sofern eine extreme Pixelanzahl nicht unbedingt erforderlich ist.
Für Papierabzüge bzw. Ausdrucke gilt die Faustregel, dass das Auge ab einer Auflösung von sieben Pixeln pro Millimeter keine einzelnen Bildpunkte mehr erkennen kann. Hieraus kann man direkt errechnen, wie viele Pixel man bei einer bestimmten Ausgabegröße benötigt: Für 10*15cm-Abzüge werden ca. 0,73, für DIN A5 ca. 1,5 und für DIN A4-Ausdrucke (ca. 20*30cm) etwa 3 Megapixel benötigt. Mit geringfügigen Qualitätseinbußen, die im Alltagsgebrauch kaum stören, lassen sich abhängig von der Qualität des Ausgabemediums Bilder ab Hintergrundbildgröße (etwa 1024*768 Pixel) in DIN A4 wiedergeben. Hierfür sollte man das Bild im Druckertreiber glätten, hierbei werden die Pixel herausgerechnet.
Da Fotos nur selten über DIN A4 hinaus vergrößert werden, halte ich meiner Erfahrung nach drei Megapixel für einen vernünftigen Kompromiss zwischen Bildqualität und benötigtem Speicherplatz.
Digitale Spiegelreflexkameras haben in der Regel mindestens sechs Megapixel. Diese hohen Auflösungen ermöglichen unter Berücksichtigung der obigen Angaben relativ starke Ausschnittsvergrößerungen, ohne dass das Bild merklich unscharf wird. Bei so hohen Pixelzahlen treten leichte Ungenauigkeiten in der Fokussierung jedoch deutlich hervor, da sich der bei Unschärfen entstehende Zerstreuungskreis über mehrere Pixel verteilt. bei geringeren Auflösungen, bei denen mehrere Pixel zu einem Bildpunkt zusammengefasst werden, werden Zerstreuungskreise "geschluckt", das Bild erscheint wieder schärfer.
Digitale Sucherkameras ("Digicams")
Afokale Fotografie
Diese weit verbreiteten Kameras eignen sich hervorragend für die ersten Versuche mit der Astrofotografie. Man kann mit ihnen auf einfache Weise mit der sog. afokalen Fotografie sehr ansprechende Astroaufnahmen gewinnen:
Man hält sie einfach an das Okular eines Teleskops, das auf den Mond gerichtet ist und löst sie mit Vollautomatik aus. Das Okular sollte eine kurze bis mittlere Brennweite haben. Das Objektiv darf das Okular nicht berühren. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Kamera nicht schräg, sondern genau senkrecht gehalten wird (Kamera in Verlängerung des Okulars). So werden Verzerrungen des Bildes vermieden. Dies funktioniert allerdings nur bei sehr hellen Objekten wie Mond und Sonne.
Bei der afokalen Fotografie treten häufig Vignettierungen am Bildfeldrand auf.
Mit etwas Geschick kann man eine Halterung basteln und die Kamera hinter dem Okular befestigen. Für weit verbreitete Kameramodelle werden solche Halterungen von Teleskopherstellern vertrieben. Dann kann man auch länger belichten (Kabel- oder Selbstauslöser!) und Detailaufnahmen einzelner Mondformationen und evtl. der Planeten gewinnen, vorausgesetzt, das Hintergrundrauschen der Kamera ist gering.
Die folgende Skizze zeigt eine Halterung für Digicams. In diesem Beispiel wurde sie an einem Refraktor am schmalen Ende des Tubus unmittelbar vor dem Okularauszug befestigt. Die genaue Position der Befestigung hängt vom Teleskopmodell und seiner Konstruktion ab. Prinzipiell fuktioniert es mit allen gängigen Teleskoptypen.
Solche Aufnahmen stehen auf die erreichbare Auflösung bezogen den mit Spiegelreflexkameras gewonnenen Fotos in nichts nach oder übertreffen sie zum Teil sogar.
Da das Okular das Bild auf den Kopf stellt, muss es nach der Aufnahme mit einem Bildbearbeitungs- oder Grafikprogramm bei Bedarf entsprechend gespiegelt werden.
Das Foto zeigt einen Ausschnitt des Mondes, aufgenommen mit einem 18-55mm-Objektiv einer digitalen Spiegelreflexkamera, die freihändig an das Okular eines 20cm Schmidt-Cassegrain-Teleskops gehalten wurde. Belichtet wurde mittels Vollautomatik. Man beachte die Vignettierung unten und links im Bild.
Mehr lässt sich mit dieser Methode nicht erreichen.
Digicams der oberen Qualitäts- und Preisklasse ermöglichen es, nahezu alle Einstellungen wie Belichtungszeit, Blende, Weissabgleich etc. manuell einzustellen. Mit solchen Geräten lassen sich erstklassige Resultate erzielen.
Viele Digicams haben bei dunklen Motiven ein starkes Hintergrundrauschen, das sich an der Tag/Nacht-Granze des Mondes und am Sonnenrand sehr störend bemerkbar macht und den Hintergrund "schmutzig" erscheinen lässt. Vor dem Kauf sollte man sich diesbezüglich beim Fachhändler über die einzelnen Modelle beraten lassen und/oder im Internet nach Bildern von rauschfreien Kamreas suchen.
Diese Methode hat einen Nachteil: Aufgrund der großen Anzahl von Linsen, die das Licht insgesamt passieren muss, wird der Kontrast geringfügig herabgesetzt, zumal die Objektive von Digicams in der Regel keine überdurchschnittliche Qualität aufweisen. Der Qualitätsverlust macht sich aber erst im direkten Vergleich mit Fotos des gleichen Ausschnitts, der mit digitalen Spiegelreflexkameras oder Webcams aufgenommen wurde, in Form eines herabgesetzten Kontrastes bemerkbar. Die erreichbare Qualität ist trotz der oben genannten Herabsetzung als gut bis sehr gut einzustufen, da die Bildschärfe nicht beeinträchtigt wird.
Digitale Spiegelreflexkameras
Für diese Kameras gilt prinzipiell das gleiche wie für ihre analogen Kollegen. Sie haben Wechselobjektive und ein Bajonett, so dass sie sich wie eine analoge Kamera mit einem sog. T2-Ring und Fokal- bzw. Projektionsadapter an Teleskope anschließen lassen. Das Foto zeigt eine digitale Spiegelreflexkamera, die mit einem M42-Adapter an eine Russentonne angesetzt wurde:
Das Rauschen kann bei Belichtungszeiten bis zu 30 Sekunden meiner Erfahrung nach vernachlässigt werden. Mit längeren Belichtungszeiten habe ich noch keine Erfahrung. Es gibt bereits Software, die das Rauschen minimiert, sofern es stört.
In Anbetracht der relativ hohen Kosten für digitale Spiegelreflexkameras empfehle ich, zuerst mit analogen Spiegelreflexkameras und/oder Digicams in die Astrofotografie einzusteigen und auf digital umzusteigen, wenn man mit Sicherheit dabei bleibt.
Da man bei der Verwendung von Digitalkameras das Resultat sofort begutachten kann, lassen sich mit ihnen gute atmosphärische Bedingungen viel effizienter nutzen als mit analogen Systemen, bei denen man erst den Entwicklungsprozess abwarten muss.
Reduzierung des Hintergrundrauschens
Das Hintergrundrauschen ist auf physikalische Prozesse zurückführen und lässt sich nicht komplett auschalten. Es tritt entweder bei Unterbelichtung auf, wenn das Signal, also die Anzahl der aufgefangenen Lichtteilchen (Photonen) schwächer ist als das Rauschen ("Signal-zu-Rausch-Verhältnis kleiner als 1") oder bei sehr langen Belichtungen, wenn sich bei einem sehr dunklen Hintergrund, von dem keine Photonen registriert werden, das Hintergrundrauschen aufsummiert.
Unterbelichtungen kann man durch Belichtungsreihen aus verschieden langen Belichtungszeiten vorbeugen.
Bei langen Belichtungszeiten gibt es einen Trick: Es werden zahlreiche Aufnahmen im Bereich von etwa einer Minute Belichtungszeit angefertigt, die dann mit einem Bildverarbeitungsprogramm zu einem Bild überlagert werden. Fünf Fotos mit einer Minute Belichtungszeit entsprechen dann zum Beispiel einer einzigen Aufnahme mit fünf Minuten Belichtungszeit. Dies setzt allerdings eine 100%ig exakte Nachführung auf das Zielobjekt voraus, sonst erscheinen Sterne und andere Objekte doppelt bis mehrfach auf einer Linie aufgereiht.
Mit zunehmender Empfindlichkeit des Sensors verstärkt sich erfahrungsgemäß das Hintergrundrauschen. Man sollte also eine möglichst geringe Filmempfindlichkeit wählen. Für Langzeitbelichtungen empfehlen sich je nach Lichtstärke der Optik und Qualität der Kamera Empfindlichkeiten von 200 bis 800 ISO.
Speicherkarten und Sicherheitskontrollen
Röntgenstrahlung kann Speicherkarten und den darauf gespeicherten Daten keinen Schaden zufügen, da hier keine Belichtung erfolgt. Anders verhält es sich bei Kontrollen mit Metalldetektoren. Diese arbeiten mit Magnetfeldern und können eine Speicherkarte, zumindest theoretisch, löschen.
Es gibt sehr widersprüchliche Erfahrungsberichte darüber, ob ein solcher Metalldetektor eine Speicherkarte löscht oder nicht. Vermutlich hängt es auch von der Stärke des verwendeten Magnetfeldes ab.
Es empfielt sich, die Karte so zu transportieren, dass der Metalldetektor umgangen werden kann. Die Karte sollte also in einer Tasche getragen werden, die beim Durchschreiten des Metalldetektors abgenommen und separat durchleuchtet wird. Ich selbst habe diese Prozedur in der Form mehrmals durchgeführt und noch nie einen Datenverlust zu verzeichnen gehabt.
Ist der Metalldetektor unumgänglich, sollte man beim Sicherheitspersonal eine separate Prüfung des betreffenden Gepäckstückes erfragen.