Auswahlkriterien zum Kauf einer CMOS/CCD Kamera für die Astrofotografie

Bevor man sich zum Kauf einer neuen Kamera entscheidet, sollte man sich dazu einige Gedanken machen und sich die folgenden Punkte überlegen

• Vom Nutzer bevorzugte Beobachtungsobjekte,
• monochrome Sensoren oder "single shot" RGB Sensoren?,
• Gekühlte- oder ungekühlte Sensoren?,
• die Wahl der Pixelgröße,
• Bildfeld, Brennweite und Sensorgröße,
• die Rechnerkapazität und
• die Anschaffungskosten.

Wir geben im Folgenden zu den einzelnen Punkten einige Anregungen ...

1.) Die vom Nutzer bevorzugte Beobachtungsobjekte

Welche Objekte wollen Sie hauptsächlich fotografieren? Das ist das erste Kriterium zum Wahl einer astronomischen CMOS Kamera. Als Beobachtungsobjekte unterscheiden wir in diesem Text generell zwischen:

• Sonnensystem, Sonne, Mond, Planeten, Kleinplaneten, Asteroiden und Kometen
• Deep Sky Objekte wie großflächige Nebelgebiete, offene Sternhaufen und Kugelsternhaufen

Sonnensystem - Sonne, Mond und Planeten

Für die Aufnahmen aller Objekte bis auf Kleinplaneten und Kometen kommt heut zu Tage nur die Lucky Imaging Aufnahmetechnik in Frage. Hier werden in einer möglichst kurzen Zeitspanne bei guten Seeingbedingungen eine große Anzahl von sehr kurz belichteten Einzelbildern aufgenommen. Diese Bildsequenz, meist ein Videostream im .avi Datenformat, wird anschließend durch eine geeignete Software wie z.B. Autostakkert analysiert und die besten Einzelbilder zu einem finalen Rohsummenbild aufaddiert. Mit dieser Technik entstehen oft Bilder, die die theoretische Auflösung der Aufnahmeoptiken erreichen, teilweise sogar bei sehr guten optischen Systemen unterbieten. Was mit dieser Technik möglich ist zeigen Beispiele der Jupiteropposition 2019, die der Verfasser aufgenommen hat.

Da die Objekte hell sind, muss die Kamera nicht besonders empfindlich sein, also die Quanteneffizienz nicht besonders hoch sein. Planetenbilder sind im Primärfokus, selbst bei langen Aufnahmebrennweiten, klein, so dass auch die Sensorfläche nicht groß sein muss. Das einzige Kriterium ist hier die Übertragung einer möglichst hohen Bildrate und einer möglichst hohen Datentiefe von möglichst 14 Bit (Digitalisierung in 16.384 Grau- oder Farbstufen).

Sollen Planeten in sehr speziellen Spektralbereichen aufgenommen werden, z.B. die Venus im ultravioletten Licht oder die äußeren Gasplaneten im Methanbandbereich (ca. 900nm), sollte man sich die Kurve der Quanteneffektivität anschauen, ob der entsprechende Kamerasensor in diesen Spektralbereichen überhaupt noch empfindlich genug ist.

Soll die Kamera auch für die Aufnahme von großflächigen DeepSky Objekten eingesetzt werden, kann für hohe Bildraten auch die so genannte ROI Funktion eingesetzt werden, die die meisten Kameramodelle unterstützen. Dabei kann vom Nutzer ein kleiner Bildausschnitt der Pixelmatrix frei gewählt werden, der dann ebenfalls mit hoher Bildrate zum PC übertragen wird.

Für die Sonnen- und Mondfotografie sollte die Sensorfläche schon etwas größer (ab 1.280 x 960 Pixel) gewählt werden, ansonsten muss man Mosaikbilder erstellen, die aus mehreren Einzelbildern bestehen. Ansonsten gelten die oben beschriebenen Kriterien.

Was in der Mondfotografie mit preiswerten CMOS Bildsensoren und einem mittelgroßen Teleskop zum Beispiel möglich ist, zeigt ein fotografischer Mondatlas des Verfassers.

Zur Abschätzung der Bildfeldgröße in Abhängigkeit von Brennweite und Sensorgröße lesen Sie am Schluss den Abschnitt Bildfeld, Brennweite und Sensorgröße.

Sonnensystem - Kleinplaneten und Kometen

Sonderfälle sind sicher die Bebachtungsobjekte Kleinplaneten, Asteroiden und Kometen. Hier sollten die Sensoren schon deutlich empfindlicher sein, also eine hohe Quanteneffizienz haben. Auch sollten die Sensorfläche in etwa dem APS-C Format entsprechen. Sollen lichtschwache Asteroiden wie z.B. NEO´s oder so gar KBO´s und TBO´s fotografisch mit großen Teleskopöffnungen beobachtet werden, sollte höchstmögliche Quanteneffizienz angestrebt werden.

Ein Hauptgrund für die fotografische Beobachtung von Kleinplaneten und Asteroiden ist die Astrometrie (Positionsbestimmung) und die Messung von Helligkeiten (Photometrie) oder Helligkeitsänderungen. Für solche Beobachtungen empfehlen sich Kameras, die die Bilder mit großen Datentiefen auslesen, also mit mindestens 14 Bit, besser noch mit 16 Bit. Je größer die Datentiefe, desto differenzierter kann die Helligkeit eines Objekts gemessen werden.

Auch für die Erfassung von schwachen Strukturen in Kometenschweifen bei gleichzeitiger Darstellung der meist recht hellen Kernbereiche ist eine hohe Datentiefe (Bilddynamik) empfehlenswert.

Deep Sky Objekte, wie großflächige Nebelgebiete, offene- und Kugelsternhaufen

Sensorgrößen ab APS-C Format sind empfehlenswert. Hohe Quanteneffizienz ist erforderlich für die Aufnahmen von Nebelgebieten (speziell dann, wenn mit kurzen Belichtungszeiten im Sekundenbereich gearbeitet werden soll, DeepSky Lucky Imaging), geringere QE Werte für die Aufnahmen von Sternhaufen sind annehmbar.

Generelle Empfehlung: Werden hohe Bildfrequenzen, wie für die Lucky Imaging Technik benötigt, kommen NUR Kameras mit CMOS Sensoren in Frage. CCD Kameras erreichen diese hohen Bildübertragungsraten nicht. Für alle anderen Anwendungen kann der Nutzer entscheiden, ob er sich für eine CMOS- oder eine CCD Kamera wählt.

2.) Monochromer Sensor oder "single shot" RGB Sensor?

Das mit wichtigste Entscheidungskriterium für den Kauf einer astronomischen CMOS- oder CCD Kamera ist natürlich die Frage, ob monochrom (also Schwarz-weiß), farbig oder sowohl monochrom als auch farbig fotografiert werden soll.

Monochrome Sensoren bieten sich für das Lucky Imaging von Sonne und Mond an. Auch für die fotografische Beobachtung von Planeten in speziellen Spektralbereichen (wie z.B. Venus im ultravioletten Licht oder Jupiter im Methanband bei ca. 900nm Wellenlänge) und im nahen Infraroten Licht sind monochrome Sensoren die erste Wahl. Sie sollten für die Beobachtung in engen Spektralbereichen eine hohe Quanteneffizienz haben, denn die Filter sind sehr schmalbandig und lassen wenig Licht passieren.

Bildbeispiele vom Verfasser zeigen von links nach rechts Jupiter im nahen Infrarot, Jupiter aufgenommen durch ein Methanbandfillter und die Venus im UV Spektralbereich (rechts außen das monochrome Bild koloriert)

Speziell beim Lucky Imaging vom Mond mit monochromen Sensoren, lässt sich zur Seeingberuhigung (Luftunruhe) ein IR Passfilter in den Strahlengang einsetzen, denn Seeingeffekte sind Wellenlängen abhängig und im nahen Infrarot (ca. 700 nm) deutlich geringer als im blauen Spektralbereich (450 nm).

Das gleiche gilt für die Lucky Imaging Fotografie der Sonne (im Weißlicht ebenfalls mit IR Passfilter, in anderen Spektralbereichen wie H-alpha oder im Kalziumlicht ohne IR Passfilter). Wer die Bilder gerne farbig hat, kann sie später in der Bildbearbeitung einfärben, es sind ja letztlich Aufnahmen in engen, monochromatischen (rot, violett) Spektralbereichen.

Ein MUSS für die Wahl eines monochromen Sensors ist die Fotografie von Nebelregionen mit Schmalbandfiltern (z.B. H-alpha, S-II, O-III). Bei dieser Art der fotografischen Beobachtungen können Farbsensoren nicht zum Einsatz kommen. Auch für die Positionsbestimmung und der Photometrie von Kleinplaneten, Asteroiden und Kometen sollte der monochrome Sensor die erste Wahl sein. Eine hohe Quanteneffizienz ist empfehlenswert, hohe Auslesebildfrequenzen sind nicht erforderlich. Für die Photometrie und die Astrometrie von Asteroiden ist eine präzise Zeitzuordnung zu den einzelnen Bildern erforderlich. Für Helligkeitsmessungen sind Sensoren mit Analog Digitalwandler von mindesten 14 Bit, besser 16 Bit empfehlenswert.

Für alle anderen Objekte der fotografischen Beobachtung (Lucky Imaging von Planeten, Nebeln, Galaxien und Sternhaufen sind "single shot" RGB Sensoren eine gute Wahl, egal ob CMOS oder CCD. Man kann natürlich auch mit monochromen Sensoren aufnahmen erzeugen, indem Bilder separat durch je ein rotes-, grünes- und blaues Filter aufgenommen werden und in der folgenden Bildbearbeitung zu einem RGB oder L(Luminanz)-RGB zusammen gesetzt wird. Dazu benötigt man dann aber zusätzlich ein Filterrad, die entsprechenden Filter und letztlich die 3-fache Beobachtungszeit für die Aufnahme eines einzelnen Objekts. Und natürlich steigt die Höhe der Anschaffungskosten

Die Lucky Imaging Planetenfotografie mit monochromen Sensoren und separater RGB Filterung liefert bessere Bildergebnisse, als Aufnahmen die mit "single shot" Farbsensoren aufgenommen wurden, denn die RGB Filtermatrix über den Fotodioden reduziert die Bildauflösung. Diese Methode erfordert aber außerordentlich gute Seeingbedingungen am Beobachtungsort des Nutzers, die wahrscheinlich bei den wenigsten Anwendern gegeben sind.
Der Bildberabeitungsaufwand ist deutlich höher, aber dieses Verfahren liefert "High End" Bildergebnisse.

3.) Gekühlter- oder ungekühlter Sensor?

Die Frage ist eigentlich schnell beantwortet, egal ob es sich um monochrome-, "single shot"- CMOS oder CCD Kameras handelt. Soll mit kurzen Belichtungszeiten im Bereich von bis zu einigen Sekunden gearbeitet werden (z.B. Sonnensystem Lucky Imaging, Deep Sky Lucky Imaging, Guiding), kann eine ungekühlte Kamera gewählt werden. Je kleiner das Ausleserauschen der Kamera ist, desto rauschärmer werden die Rohbilder sein.

Soll mit längeren Belichtungszeiten gearbeitet werden, steigt das Wärmerauschen der Sensoren steil und ein ungekühlter Sensor ist nicht mehr empfehlenswert. Eine Kühlung des Sensors hält das Wärmerauschen in Grenzen.

Für den Einsatz aller Beobachtungen, die eine Bildauswertung, z.B. die Messung von Helligkeiten, der Astrometrie, oder anderer wissenschaftlichen Zielen dienen soll, sollten nur gekühlte Sensoren eingesetzt werden.

4.) Die Wahl der Pixelgröße

Einer der wichtigsten Faktoren bei der Wahl einer geeigneten CMOS- oder CCD Astrokamera ist die Pixelgröße, denn diese sollte für optimale Bildergebnisse an die Aufnahmebrennweite angepasst sein. Das wird in der Terminologie von CCD- und CMOS Sensoren auch als Sampling bezeichnet. Ein gut gewähltes Sampling bedeutet in der Praxis, dass der Aufnahmesensor mit maximaler Empfindlichkeit und höchster Bildauflösung an einer vorgegebene Brennweite betrieben wird.

Die Brennweite des Aufnahmeteleskops beeinflusst (neben den Seeingbedingungen) die Größe der Abbildung eines Sterns auf der Sensormatrix. Eine lange Brennweite verteilt das Beugungsbild eines Sterns über eine größere Anzahl von Einzelpixel als bei einer kürzeren Brennweite. Sind die Pixel des Sensors relativ groß, bedeutet eine lange Brennweite keine Einschränkung in der Empfindlichkeit, denn jedes einzelne Pixel empfängt noch ausreichen Licht. Exakt lässt sich die Pixelgröße, bzw. die Länge der Aufnahmebrennweite über das so genannte Nyquist Abtasttheorem berechnen.

Abschätzen lässt sich das Nyquist Kriterium über eine Faustformel. Als ideal gilt es, wenn die Sternabbildung über drei bis vier Pixel verteilt wird. Wird der Stern aufgrund einer zu kurzen Brennweite auf weniger oder sogar nur auf 1 Pixel (wird in der Praxis wegen des Seeings nicht vorkommen) konzentriert spricht man von "Undersampling". Wird das Sternbild auf eine viel größere Fläche von mehr als 4 Pixel verteilt, spricht man von Oversampling. Den Mittelweg nennt man ein gutes- oder optimales Sampling. Ein Undersampling sollte in der DeepSky Fotografie auf jedem Fall vermieden werden.

Das Bild links zeigt anhand von Sternabbildungen ein Beispiel für Undersampling (links), optimalem sampling (mitte) und rechts das Oversampling.

Der Abbildungsmaßstab in Abhängigkeit von der Pixelgröße und der Aufnahmebrennweite berechnet sich näherungsweise wie folgt:

 

wobei "/Pixel der Sterndurchmesser (in Bogensekunden pro Pixel), a die Kantenlänge des Pixels (ebenfalls in mm) und f die Aufnahmebrennweite (in mm) ist.

Ein Beispiel:

• Ein Sensorpixel mit einer Kantenlänge von 5µm (= 0.005 mm) ergibt bei einer Aufnahmebrennweite von f = 1.000 mm einen Beugungsbilddurchmesser des Sterns von ca. 1 Bogensekunde. Das entspräche, dass bei guten Seeingbedingungen, sich das Sternbild auf 1 Pixel konzentriert und das ist wäre ein klassisches Beispiel für Undersampling.

Im diesem Beispiel wäre also eine Kamera mit Pixelgrößen von 10µm oder größer zu wählen, oder die Aufnahmebrennweite zu verdoppeln oder zu verdreifachen.

Wie man dem ganzen entnehmen kann ist das ganze mehr theoretischer Natur oder gilt nur für extrem kurz belichtete Bilder, wie sie allgemein in der Lucky Imaging Sonnen-, Mond- und Planetenfotografie eingesetzt werden, denn das Seeing wird bei längerer Belichtungszeit die 1 Bogensekunde des Beugungsbildes um den Faktor 2 oder 3 über die Pixelmatrix verschmieren und dann wäre das obige Beispiel eine ganz gute Wahl zwischen Pixelgröße und Aufnahmebrennweite. Generell sollte man so eine Abschätzung von Brennweite und Pixelgröße vor dem Kauf einer Kamera zumindest überschlagen. So wäre eine Kamera mit einer Pixelgröße von 5- bis 6µm und einer Brennweite von 1.000 bis 1.200 mm eine ganz gute Wahl.

Es gibt einige CMOS Kameras, die ein so genanntes Pixelbinning ermöglichen. Dabei werden Sensorintern mehrere Pixel zu einem größeren Pixel zusammen gefasst. Normalerweise wird eine Matrix von 2 x 2 (entsprechend 4 Pixel) oder 3 x 3 (entsprechend 9 Pixel) erstellt. Solche Sensoren sind natürlich entsprechend flexibel, um die Pixelgröße an eine gegebene Aufnahmebrennweite anzupassen. Bei CCD Sensoren ist das Pixelbinning eigentlich eine Standardfunktion

5.) Bildfeld, Aufnahmebrennweite und Sensorgröße

Eine weitere, wichtige Kenngröße zur Auswahl eines Kamerasensors ist das abgebildete Gesichtsfeld in Abhängigkeit von der Sensorgröße und der Aufnahmebrennweite. Soll die Kamera z.B. nur für die Lucky Imaging Planetenfotografie eingesetzt werden, kann ein kleines, leichtes (ungekühltes) Kameramodell und kleinem Pixelarray gewählt werden. Lucky Imaging für die Sonnen- und Mondfotografie erfordern mittelgroße Sensoren und die DeepSky Fotografie großflächiger Nebelregionen erfordern große Bildsensoren, es sei denn man montiert mehrere Einzelbildern zu Mosaiken.

Die Größe des Bildfeldes in Abhängigkeit von Sensorgröße und der Aufnahmebrennweite kann näherungsweise nach folgender Formel berechnet werden.

Dividiert man den errechneten Wert durch 60 ergibt sich das Bildfeld in Bogenminuten, dividiert man durch 3.600 ergibt das die Bildfeldgröße in Grad.

6.) Die Rechnerkapazität

Ein oft unterschätzter Punkt ist die vorhandene Festplattenkapazität, die Schnelligkeit des Prozessors und die Schnittstellen des Rechners. Im folgenden eine grobe Abschätzung:

Lucky Imaging Sonnensystem:

• eine schnelle USB 3.0 Schnittstelle ist empfehlenswert. Ein Videostream von 2.000 Einzelbildern bei einer Sensorgröße von 1.280 x 960 Pixel (z.B. Sonne, Mond) und einer Datentiefe von 12 Bit belegt auf der Festplatte knapp 1 Gb. Bei einer hohen Bildfrequenz und sehr guten Seeingbedingungen muss die interne Festplatte ca. 100- bis 200 Gb abspeichern können. Eine externe USB 3.0 Festplatte ist zu vermeiden, die interne Festplatte unterstützt hohe Datenraten oft schneller als eine externe Platte.

Deeps Sky:

• Ein Einzelbild mit einer Datentiefe von 14 Bit im APS-C Sensorformat und kleinen Pixelgrößen belegt als RAW Datei ca. 30 bis 50 Mb Speicherplatz auf der Festplatte. Arbeitet man mit der Lucky Imaging DeepSky Fotografie fallen bei Belichtungszeiten von z.B. 5 Sekunden und der Aufnahme von 1.000 Bildern ebenfalls große Datenmengen an.

7.) Die Kosten

Abschließend spielt natürlich für die Auswahl zum Kauf einer CMOS- oder CCD Kamera auch der Kaufpreis auch eine große Rolle. Wie viel Geld ist man bereit anzulegen, bzw. wie viel Geld ist für das Hobby übrig? Das muss nun jeder für sich selbst entscheiden, da kann an dieser Stelle keine Hilfestellung gegeben werden.

Nur soviel sei aus der Sicht des Verfassers noch angemerkt: Es ist wie bei vielen Hightech Geräten in heutiger Zeit wie Smartphones, Tablets oder Laptops: Kaufen Sie heute eine astronomische CMOS- oder CCD Kamera, können Sie sicher sein, dass Sie ein Jahr später ein besseres Produkt zu einem geringerem Kaufpreis bekommen können.

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Über den Autor: Wolfgang Paech

Dipl. Ing. Wolfgang Paech betreibt Astronomie seit nunmehr über 50 Jahren. Neben seinen zahlreichen Erfahrungen mit Sternwarten-Kuppeln aller Art sind seine Kerngebiete die Sonne und der Mond. Auf der Website www.chamaeleon-observatory-onjala.de finden Sie einen kompletten Mondatlas, aufgenommen mit seiner Standardtechnik. Aber auch in Sachen Deep-Sky und Planeten kann ihm, als langjährig erfahrenem Astrofotograf, niemand etwas vormachen.

Die 50+ Jahre Amateurastronomie mit vielen weiteren Bereichen, wie z.B. der Restaurierung historischer Amateurteleskope, Polarlichtreisen und vielem mehr sind auf seiner privaten Webseite unter www.astrotech-hannover.de aufbereitet.

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