Welche Kamera brauche ich für die Astrofotografie?

Ihr wollt in die Astrofotografie einsteigen und fragt euch nun, welche Kamera brauche ich?
Das lässt sich so pauschal nicht beantworten und hängt von einigen Faktoren ab, wie z.B. was will ich fotografieren, welches Teleskop habe ich, will ich die Kamera auch tagsüber brauchen können und natürlich welches Budget habe ich.
Hier möchte ich euch einige Punkte aufzeigen die ihr berücksichtigen solltet und wie die wichtigsten technischen Daten zu interpretieren sind, damit ihr die richtige Kamera finden könnt.

Was will ich fotografieren?

Zuallererst sollte man sich überlegen, was man überhaupt am Nachhimmel fotografieren möchte. Grundsätzlich kann man die Astrofotografie in 3 Kategorien unterteilen, welche verschiedene Anforderungen an die Ausrüstung stellen.

  • Milchstrasse und Sternenhimmel

Hier reicht bereits eine bestehende Spiegelreflex- oder Systemkamera aus.
Mit einem lichtstarken Weitwinkelobjektiv lassen sich die Milchstrasse und grosse Teile des Himmels bereits ohne Nachführung fotografieren. Eine Faustregel für die maximale Verschlusszeit ohne Nachführung ist z.B. 500 / Brennweite (auf Kleinbild umgerechnet) = max. Verschlusszeit in Sekunden, bevor sich die Sterne im Bild anfangen sichtbar zu bewegen. Bei längeren Brennweiten kann man mit Hilfe eines Startrackers, wie z.B. dem Vixen Polarie, die Bewegung des Himmels nachführen oder man lässt die Kamera mit Hilfe einer Piggyback Halterung auf dem Teleskop mitreiten. So können auch längere Verschlusszeiten erreicht werden.

  • Sonne, Mond und Planeten

Krater auf dem Mond, Sonnenflecken und Planeten erfordern hohe Vergrösserungen und unsere Atmosphäre ist da nicht gerade hilfreich. Die Luftmassen über uns sind dauernd in Bewegung und verzerren und verwackeln den Blick auf unsere kosmischen Nachbarn, was vor allem bei hohen Vergrösserungen besonders auffällt. Hier sind schnelle Verschlusszeiten gefragt um die kurzen Momente einzufangen wo die Luft mal still hält und die Sicht gut ist. Hier verwendet man idealerweise empfindliche Webcams bzw. Astrokameras mit hohen Bildraten um Videos von den gewünschten Objekten aufzunehmen und so die Luftunruhen einzufrieren. In der Nachbearbeitung werden dann die besten Einzelbilder aus dem Videoclip ausgewählt und zu einem Bild zusammengerechnet. Hier gilt, je schneller, umso besser. Aber auch bereits ein Smartphone am Okular liefert erste Bilder von Mond und Planeten.

  • Deep Sky

Die Deep Sky Fotografie ist wohl die anspruchsvollste der 3 Kategorien.
Zum Einstieg kann man die Spiegelreflex- oder Systemkamera direkt an das Teleskop anschliessen oder man legt sich eine, idealerweise gekühlte, Astrokamera zu.

DSLR/Systemkamera oder Astrokamera?

Beide Kameraarten haben ihre Vor- und Nachteile.
Eine Spiegelreflex- oder Systemkamera ist meist schon vorhanden und kann auch tagsüber verwendet werden. Steuerung und das speichern der Bilder erfolgt direkt auf der Kamera, so dass man nicht noch zusätzlich einen Computer benötigt. Ideal für den Einstieg.
Da die Kamera für den Einsatz am Tag optimiert ist, fehlt aber ein wichtiger Teil des Lichtspektrums. Der tiefrote H-alpha Spektralbereich, der in Deep Sky Objekten sehr häufig vorkommt, wird grösstenteils herausgefiltert, da ansonsten der Rot-Anteil im Normalbetreib zu gross ist. Bei vielen Kameras lässt sich der Filter entfernen oder durch einen optimierten Filter ersetzten, dies beeinträchtigt aber wieder den Normalbetreib und die Kamera ist nur noch sinnvoll für den Astro-Betrieb einsetzbar. Ein weiteres Problem ist die fehlende Kühlung. Je länger der Sensor in Betrieb ist, umso wärmer wird er und umso stärker wird das Bildrauschen.

Astrokameras sind speziell für die Astrofotografie entwickelte Kameras mit hochempfindlichen Sensoren, die auch bis tief in den roten Spektralbereich empfindlich sind. Modelle für Deep Sky sind meist mit einer Kühlung ausgestattet, welche den Sensor auf Idealtemperatur kühlen können und Sonnensystem Imager bieten hohe Bildraten. Ausserdem ist es bei den meisten Astrokameras möglich, mehrere Pixel zu einem zusammenzufassen (Binning) und so die Pixelgrösse und Empfindlichkeit zu erhöhen. Diese Kameras werden komplett über den Computer gesteuert und die Lernkurve ist recht steil, dafür hat man aber die volle Kontrolle über die Kamera und die Aufnahme.

Welche Auflösung und Sensorgrösse brauche ich?

Idealerweise passt man seine Auflösung bzw. die Pixelgrösse dem Teleskop an. Das Ziel ist es, dass die Pixelgrösse so gewählt wird, dass ein Stern auf nicht zu wenigen, aber auch nicht auf zu vielen Pixeln verteilt wird.
Je nach Sichtbedingungen und Teleskopbrennweite wird ein Stern in einem gewissen Winkeldurchmesser auf den Sensor projiziert. Wird der runde Stern nun auf nur einen verteilt, stehen zu wenig Informationen zur Verfügung um den Stern auch rund darzustellen und es gehen Details verloren (Undersampling). Ausserdem besteht die Gefahr, dass die Pixel übersättigt werden und die Ladung eines Pixels auf angrenzende Pixel „überläuft“ und zu Bildfehlern führt.
Wird der Stern auf zu vielen Pixeln verteilt, kann dieser zwar fein aufgelöst werden, dafür wird das Licht aber auf viele Pixel verteilt, was auf Kosten der Empfindlichkeit geht, die benötigte Belichtungszeit verlängert und eine genauere Nachführung nötig macht (Oversampling). Oversampling ist das kleinere Übel der beiden und bei der Planetenfotografie sogar erwünscht.

Uns interessiert vor allem der Blickwinkel den ein Pixel in Bogensekunden pro Pixel am Himmel abdeckt. Die Auflösung pro Pixel errechnet man mit folgender Formel: 206 x Pixelgrösse / Aufnahmebrennweite. Unsere Zielauflösung sollte also um Over- und Undersampling zu vermeiden etwa 1/3 des Seeings betragen.
Die effektiv mögliche Auflösung wird vor allem vom Seeing beschränkt. Da unsere Atmosphäre immer in Bewegung ist, werden Sterne je nach Bedingungen mehr oder weniger gestreut. Bei durchschnittlichen Sichtbedingungen sind z.B. Auflösungen um 2-4 Bogensekunden möglich.

Bei der Sensorgrösse kommt es wieder darauf an, was man fotografieren möchte.
Grossflächige Objekte wie der Orionnebel oder die Adromeda Galaxie benötigen kurze Brennweiten und grosse Sensoren, wo hingegen für kleine Planetenscheibchen hohe Brennweiten und kleine Sensoren nötig sind.
Hat man mal die Winkelauflösung eines Pixels berechnet, multipliziert man diese einfach mit der Pixelauflösung des Sensors und erhält so das horizontale und vertikale Gesichtsfeld.
Ausserdem sollte man auch darauf achten, welchen Bildkreis das Teleskop ausleuchten kann. Ist dieser kleiner als die Diagonale des Sensors, treten Vignettierungen in den Ecken auf.

Was bedeuten die Technischen Daten und auf was muss ich achten?

Für die Astrofotografie interessieren wir uns vor allem für die Eigenschaften und Technischen Daten des Sensors. Wir wollen einen Sensor in der passenden Grösse, mit der richtigen Auflösung, mit wenig Rauschen, hoher Empfindlichkeit und grossem Dynamikumfang.
Bei Consumer Kameras sind die Informationen zu den Sensoren in der Regel recht dürftig. Sensorgrösse und Auflösung findet man meist problemlos heraus, aber Informationen zum Rauschverhalten, der Empfindlichkeit und Dynamik sind meist nur als Marketingslogans zu finden und man muss sich auf Test- und Erfahrungsberichte verlassen.
Bei Astrokameras sind da schon detailliertere Daten zu den Sensoren verfügbar, aber was bedeuten die nun für Dynamik, Empfindlichkeit und Rauschen?

Hier die Technischen Daten einergekühlten ZWO Astrokamera. Von oben links: Sensor Typ, Sensor Dimensionen, Auflösung, maximale Bitteife, Leserauschen, Maximale Kühlleistung unter Umgebungstemperatur, Pufferspeicher, USB Schnittstelle, maximale Bildrate, Full Well Kapazität, Quaneneffizienz und Pixelgrösse.
  • Dynamik

Die Dynamik beschreibt die Spanne zwischen der grössten und kleinsten aufnehmbaren Helligkeit. Eine Hohe Dynamik erlaubt es uns, helle Objekte aufzunehmen, ohne dass Details in den dunkelsten Bildregionen verloren gehen und umgekehrt dunkle Details zu erfassen, ohne dass die hellen Stellen ausfressen. Die Dynamik hängt unter anderem davon ab, wie viel Ladung ein Pixel aufnehmen kann und wie hoch das Leserauschen ist. Die Full Well Kapazität gibt an, wie viele Elektronen ein Pixel aufnehmen kann, also wie viel Licht gesammelt werden kann. Das Leserauschen gibt an, wie hoch die Fehlertoleranz beim Auslesen ist und beeinflusst so wie dunkel das Signal sein kann, bevor es nicht mehr vom Rauschen unterscheiden werden kann. Eine hohe Kapazität und geringes Leserauschen ergeben so einen hohen Dynamikumfang.

Diese Grafiken zeigen deutlich wie Full Well Kapazität, Leserauschen und Dynamik zusammenhängen. Hier am Beispiel einer ZWO ASI071MC Pro. Mit höheren Gain-Einstellungen sinkt das Leserauschen, die Empfindlichkeit steigt, gleichzeitig verringert sich aber die Full Well Kapazität und dadurch auch die Dynamik.
  • Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit eines Sensors wird durch die Quanteneffizienz bestimmt. Sie gibt an wie viele der auftreffenden Photonen in Elektronen und so in ein Bildsignal umgewandelt werden.

Diese Grafik zeigt den Empfindlichkeitsverlauf der einzelnen Farben, abhängig von der Wellenlänge des Lichts
  • Rauschen

Fällt kein Licht auf den Sensor hat dieser bereits ein gewisses Grundrauschen, auch Dunkelrauschen genannt, unter anderem verursacht durch den Dunkelstrom der einzelnen Pixel. Dazu kommt noch das Leserauschen, also die Fehler, die beim auslesen, verstärken und digitalisieren des Signals dazukommen. Ausserdem verursacht die Wärme der Elektronik zusätzliche Fehler, die zum Rauschen beitragen. All diese Faktoren sind zum einen von der Bauweise des Sensors bzw. dem Aufbau der Elektronik abhängig und zum anderen von der Betriebstemperatur. Durch Kühlung lässt sich das Rauschen das durch die Betriebstemperatur verursacht wird deutlich reduzieren. Das Rauschen kann in der Nachbearbeitung mit Hilfe von Dunkelbildern zum Teil auskorrigiert werden.

Mit einer leistungsfähigen Kühlung lässt sich der Sensor auf Idealtemperatur halten und das Rauschen auf ein Minimum reduzieren. Wie die Grafik zeigt, tendiert der Dunkelstrom um -15°C gegen 0.
  • Weitere Funktionen und Ausstattung

Wie bereits erwähnt ist eine leistungsfähige Kühlung eine grosse Hilfe beim Vermeiden von übermässigem Bildrauschen. Der Sensor kann konstant auf seiner idealen Betriebstemperatur gehalten werden und so kann die ganze Nacht aufgenommen werden, ohne dass sich die Bildqualität durch die steigende Betriebstemperatur verschlechtert. Durch die Kühlung können auch nachträglich Dunkelbilder bei gleicher Betriebstemperatur aufgenommen werden und müssen nicht bei jeder Aufnahmesession wieder frisch aufgenommen werden.
Ein Speicherpuffer beschleunigt und stabilisiert die Datenübertragung zum Computer indem er die anfallenden Daten zwischenspeichert bis diese übertragen werden können. Durch die Zwischenspeicherung kann auch der Sensor schneller ausgelesen werden, ohne auf den Computer oder Speicher warten zu müssen, was die Betriebstemperatur und so das Verstärkerglühen verringert.
Zuletzt ist noch die Framerate vor allem für Planetenfotografen interessant. Schnelle Bildraten ermöglichen kürzere Belichtungszeiten, die für das einfrieren der Luftturbulenzen nötig sind.

Farb- oder Monochrom-Sensor

Ihr habt euch nun für eine Astrokamera entschieden, aber jetzt bleibt noch die Frage, ob es eine mit Monochrom- oder Farbsensor sein soll.
Grundsätzlich funktionieren Bildsensoren immer gleich. Sie messen pro Pixel das auffallende Licht und erzeugen so ein Bild bestehend aus Helligkeitsinformationen. Farbsensoren unterscheiden die Farben indem vor den Pixeln eine Farbfiltermatrix angebracht ist, die pro Pixel nur Rot, Grün oder Blau durchlässt und so die Farben voneinander trennt. Die restlichen Farbanteile des Pixels werden dann aus dem Mittelwert der umliegenden Pixel berechnet.
Hier kommen wir bereits zum entscheidenden Unterschied zwischen den beiden Sensorarten. Will man mit Monochrom Sensoren Farbbilder aufnehmen, muss man das Licht mit Farbfiltern von einander trennen. Die Kamera kann so für jeden Farbkanal alle Pixel des Sensors nutzen, was zu mehr Kontrast und Schärfe führt. Aber vor allem für die Aufnahmen von den Sauerstoff-, Wasserstoff- und Schwefel-Spektralbereichen mit Schmalbandfiltern ist eine Monochromkamera praktisch Pflicht. Farbkameras können diese Spektralbereiche zwar auch aufnehmen, aber da es sich nur um ganz schmale Farbbereiche handelt, können nur die roten bzw. grünen Pixel genutzt werden, was die Empfindlichkeit deutlich verringert und die Belichtungszeiten verlängert.
Monochrom Kameras liefern zwar die detaillierteren Bilddaten, erfordern aber deutlich mehr Aufwand in der Nachbearbeitung und verlängert die Aufnahmezeiten um ein Vielfaches.

Wie anfangs bereits erwähnt gibt es keine definitive Antwort, welche Kamera nun die beste für die Astrofotografie ist, aber ich hoffe, dass euch mit diesen Punkten ein wenig bei der Entscheidung helfen konnte.
Diese müssen natürlich nicht stur eingehalten werden. Auch mit nicht ganz optimaler Ausrüstung lassen sich bereits beeindruckende Bilder machen. Mit Erfahrung und wenn man weiss, wo die Einschränkungen liegen, kann man meist auch darum herum arbeiten und gute Ergebnisse erzielen.
Aber ist mal alles aufeinander abgestimmt, holt man das maximum aus seiner Ausrüstung heraus.

Gerne stehen wir euch bei Fragen zur Astrofotografie zur Verfügung und helfen euch die richtige Ausrüstung zu finden.

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