ZUR FOKUSSIERUNG EINER CCD-KAMERA

Die exakte Fokussierung einer CCD-Kamera gehört sicher zu den schwierigsten Problemen für einen Einsteiger. Anders als in der herkömmlichen Fotografie mit einer Spiegelreflexkamera hat man keine direkte Bildkontrolle.

Dabei gilt - wie generell für die herkömmliche Fotografie - dass die Fokustoleranz, bei der ein Bild scharf erscheint, mit steigendem Öffnungsverhältnis des Aufnahmeteleskops abnimmt, wie die Graphik links verdeutlicht. Deshalb sollte man sich für die Fokussierung so viel Zeit wie erforderlich ist nehmen. Eine unscharfe CCD-Aufnahme wird auch durch die Bildverarbeitung nicht schärfer gerechnet, eine gut fokussierte kann durch Bildschärfung aber deutlich verbessert werden.

Es gibt verschiedene Methoden zur Fokussierung einer CCD -Kamera. Im Prinzip können alle Methoden - wie sie auch für die herkömmliche Fotografie von der Messerschneide über Blenden vor dem Objektiv - eingesetzt werden. Einige davon finden Sie in meinem Buch (siehe Literaturliste) Tipps+Tricks beschrieben. Dort finden Sie übrigens auch viele andere Deatails zur Instrumententechnik, z.B. die Formel zur Berechnung der Fokustoleranz. Die Steuersoftware CCDOPS von SBIG bietet aber noch eine andere Methode, nämlich den sogenannten Fokusmode (ähnliche Softwarehilfmittel gibt es sicher auch in anderen Softwarepaketen, wie z.B. Maxim DL oder CCDSOFT von Software Bisque), den ich bevorzugt einsetze.

Dabei kann von der gesamten Chipfläche ein - einstellbarer, fast beliebig kleiner - Bildausschnitt heruntergeladen und ausgelesen werden, der gerade so groß ist, das ein - besser ein heller und mehrere schwache - Sterne sichtbar sind. Zusätzlich zum Bild gibt die Software einen Pixelwert in ADU. Je kleiner der Bildausschnitt, desto schneller werden die Bilder hintereinander dargestellt. Dabei sind folgende Punkte zu beachten: der "helle" Stern darf nicht zu hell sein, so dass die Pixel gesättigt werden. Dann ist der ADU-Wert immer gleich, nämlich je nach Bittiefe der Maximalwert. Zur groben Vorfokussierung binne ich das Bild (BIldauslesezeiten noch kürzer). Ist das Bild einigermaßen scharf, wird das Binning disabled und in der feinsten Auflösung weiter fokussiert.

Dabei ist der "helle" Stern und die erforderliche Belichtungszeit so anzupassen, dass das Seeing etwas gemittelt wird. Ich arbeite meist so von 0.5 bis 2 Sekunden Belichtungszeit. Zu Beginn fokussiere ich nur auf den ADU-Wert. Vorsicht, in direkter Nähe zum besten Fokus können, bei unveränderter Fokusstellung, die ADU-Werte um bis zu 30% variieren. Das ist abhängig davon, über wieviele Pixel das Sternscheibchen durch das Seeing verschmiert wird. Ab diesem Punkt beobachte ich mehr das Bild des Sterns als den ADU-Wert. Wenn schwache Sterne mit im Feld stehen, ist dass das beste Fokuskriterium. Sind sie sichtbar, ist die bestmöglichste Fokusstellung erreicht. Meist sind sie durch Seeingeffekte unsichtbar. Es gehört natürlich eine gewisse Erfahrung dazu abzuschätzen, was unsauberer Fokus und was Seeingeffekte sind. Übung bringt hier die Erfahrung.

Einige weitere Hinweise zur Fokussierung oder Effekte, die damit zusammenhängen: Da ist zuerst der Begriff der sogenannten Fokusdrift zu nennen. Er bezeichnet den Effekt, dass sich während der Belichtung die Bildebene verschiebt. Hauptsächlich wird er durch Temperaturveränderung ausgelöst. Ändert sich die Temperatur stark, ändern sich auch die geometrischen Eigenschaften von Tubus und Optik (Wärmeausdehnung, bzw. Zusammenziehen durch Kälte).

Hier reagieren Refraktoren deutlich "gemütlicher" als Spiegelteleskope. Ein Refraktor ist spätestens nach einer Stunde austemperiert, wogegen das bei Spiegelteleskopen und Schmidt-Cassegrain Teleskopen in Abhängigkeit der Öffnung durchaus mehrere Stunden dauern kann. Mein Vixen ED 130 SS ist trotz des schnellen f/6.5 spätestens nach einer Stunde aufnahmebereit und wird von mir über eine angeschlossene Messuhr und einer vor einiger Zeit bestimmten Temperaturkurve fokussiert. Anders sieht die Lage bei meinem Celestron 11 aus. Hier zieht sich bei starken Temperaturänderungen die Austemperierung durchaus über Stunden hin. Dann hilft nur eins: die Bilder so kurz belichten, dass die Fokusdrift noch nicht sichtbar wird, nachfokussieren und mehrere Belichtungen "sandwichen".

Dazu kommt bei allen Teleskopsystemen, wo über die Verschiebung des Hauptspiegel fokussiert wird - also speziell bei Schmidt-Cassegrain Systemen - folgendes Problem hinzu. Durch das Lagerspiel des Hauptspiegels verkippt der Spiegel beim Hin-und Herfokussieren. Dieser Effekt heißt Spiegelshifting, alle Besitzer von SC-Teleskopen kennen ihn. In der CCD-Technik bedeutet das beim Fokussieren, dass in dem kleinen Fokusfeld, welches ausgelesen wird, der Stern ziel- und haltlos hin-und herspringt, wenn er nicht ganz aus dem Auslesefeld verschwindet.

So habe ich für mein C11 eine zusätzliche Schneckenfokussierung vor die CCD-Kamera geschaltet. Es muß nichts aufwendiges sein, wie das Bildbeispiel links an einem Celestron 11 zeigt. Eine kleine Schneckenfokussierung (gekauft auf der ATT in Essen) mit 10- oder 20mm Hub reicht völlig aus. Über den Hauptspiegel wird grob vorfokussiert, die Feinfokussierung erledigt dann die Zusatzfokussierung. Bei allen Celestron SC-Teleskopen ist darauf zu achten, dass die Grobfokussierung über die Fokusschraube immer links herum geschieht. Durch Linksdrehung wird der Hauptspiegel praktisch "fest"geklemmt und kann durch eine langsame Verlagerung des Teleskops nicht plötzlich verkippen.

Es gibt auch für Amateure immer mehr Hightech Zubehör. Das Bild rechts zeigt eine digitale Fokussiereinheit TCF im Crayford-Design von der Firma Optec, welche über moderne CCD Steuersoftware (z.B. CCDSOFT von Software Bisque) auch vollautomatisch fokussieren kann. Diese Fokussiereinheit ist mikroprozessorgesteuert und kann für zwei verschiedene Instrumente Eichkurven der Fokusdrift - ausgelöst durch Temperaturdrift - messen, abspeichern und bei der eigentlichen CCD-Aufnahme diese Fokusdrift automatisch über einen Thermofühler in Schritten von 1/100 mm nachfokussieren. Dies kann für größere Schmidt-Cassegrain Teleskope durchaus sinnvoll sein, wenn längere Zeit belichtet wird und sich die Umgebungstemperatur sich stark ändert.

Die letzen beiden Bilder dieser Seite zeigen ein schlecht fokussiertes Bild, welches auch mit Bildverarbeitung nicht zu verbessern ist und ein Beispiel dafür wie eine gut fokussierte Aufnahme durch ein gutes Programm zur Bildschärfung das Bild verbessern kann.

Das linke Bild zeigt eine 300 Sekunden Belichtung des Planetarischen nebels NGC 5189, aufgenommen durch ein Celestron 11 bei f = 1750 mm und einer SBIG ST-9E. Das Gesamtbild sieht in der Verkleinerung noch recht scharf aus, das Insert links oben zeigt einen Ausschnitt im Maßstab 1:1. Hier wird deutlich die Bildunschärfe sichtbar. Das untere Bild zeigt eine 600 Sekunden Belichtung von NGC 5139 (Omega Centauri), ebenfalls mit einem C11 bei f = 1750 mm) und einer SBIG ST-8 aufgenommen. Die rechte Bildhälfte zeigt das Rohbild, die linke eine mit der SBIG Software CCDSHARP (Lucy Richardson Algorithmus) geschärfte Version.

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