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Die Astronomie-Seiten von Mario Weigand

Grundlagen der Astrofotografie: Flatfield-Aufnahmen

Flatfield-Erstellung mit Leuchtfolie

Unbehandelte Astrofotos ("Rohbilder") zeigen aus verschiedenen Gründen stets ein verfälschtes Abbild des Himmels. Teleskop-Optik, Korrektorlinsen, Filter, manchmal sogar der Teleskop-Tubus und die Kamera selbst führen zu einer ungleichmäßigen Ausleuchtung des Bildfeldes. Eine gleichmäßige Wand, fotografiert durch ein Teleskop, sieht auf dem resultierenden Bild meist nicht mehr gleichmäßig aus.

In der Astrofotografie hat man es oft mit Objekthelligkeiten in ein und dem selben Bild zu tun, die um Größenordnungen auseinander liegen. Um schwache Nebel neben hellen Sternen zu zeigen, ohne das letztere völlig "ausbrennen", werden die Daten typischerweise nicht-linear dargestellt. Das bedeutet, dass schwache Objekte stärker aufgehellt als hellere. Dies fördert jedoch auch die kleinen Fehler in den Aufnahmen zutage. Bei Aufnahmen von schwachen und diffusen Objekten wie Nebeln oder die Außenbereiche von Galaxien entscheidet eine sorgfältige Korrektur dieser Ausleuchtungsfehler darüber, ob das Objekt in allen Bildbereichen gut dargestellt werden kann.
Auch für die messende Astronomie, genauer bei der Photometrie, die der Helligkeitsmessung von Objekten dienen, ist die Bildkorrektur nicht nur zur besseren Darstellung nötig. Die Ausleuchtungskorrekturen sind für zuverlässige Messwerte zwingend erforderlich.

Das Erstellen von passenden Korrekturbildern gehört daher zum grundlegenden Handwerk des Astrofotografen. Sie zeigen nur die unebene Ausleuchtung in der Bildebene des Teleskops und keinerlei Objektsignal. Die eigentlichen astronomischen Aufnahmen müssen anschleißend damit geebnet, weswegen die Korrekturbilder "Flatfields" heißen. Mathematisch betrachtet werden die Pixelwerte der Rohbilder durch die entsprechenden Pixelwerte des Flatfields dividiert, was mit jeder üblichen CCD-Bildverarbeitungs-Software möglich ist.
Hier als Beispiel das Programm "Fitswork": Hat man Rohbild und Flatfield geladen, findet sich die Funktion "Hellbild dividieren" unter dem Menüpunkt "Bilder kombinieren"

Flatfield-Korrektur mit Fitswork

Pelikannebel vor und nach Flatfield-Korrektur

Ursachen für ungleichmäßige Bildhelligkeit

Vignettierung
Viele Bauteile zwischen Objektiv und Chip können Ursache für eine ungleichmäßige Ausleuchtung sein. Der dominante Effekt ist im Allgemeinen die Vignettierung, die vom Teleskop selbst erzeugt wird. Davon betroffen ist der Bereich in der Brennebene, von der aus nicht die komplette Teleskop-Öffnung sichtbar ist.

Pelikannebel vor und nach Flatfield-Korrektur
Dies kann man sich leicht selbst veranschaulichen, indem man ungefähr in der Brennebene mit bloßem Auge durch das Teleskop schaut. Zu weit abseits der optischen Achse wird ein Teil der Teleskop-Öffnung verdeckt, wodurch die Bildhelligkeit folglich reduziert ist. Das abschattende Element ist meistens der Okularauszug. Je nach Chipgröße muss mindestens ein 2"-Okularauszug, bei Vollformatsensoren besser ein 3"-Okularauszug verwendet werden.

Vignettierung durch Okularauszug und Tubus-Blende.
Nicht selten ist auch ein Kamera-Adapter mit zu geringem Durchmesser schuld. Es ist beispielsweise nicht ratsam, einen 2"-Steckadapter mit T2-Gewinde vor einer Vollformat-DSLR zu verwenden. Davon abgesehen sind auch die Durchmesser von Korrektoren und Filtern relevant. In seltenen Fällen können auch schlecht positionierte Blenden im Tubus das Objektiv unnötig stark abschatten.

Vignettierung durch T-Adapter.
Manche der genannten Ursachen lassen sich in der Praxis beheben oder zumindest optimieren. Meistens ist ein vollkommen vignettierungsfreies System jedoch nicht erreichbar und daher führt in der Regel kein Weg an einem Flatfield vorbei.
Verschmutzung optischer Flächen
Verschmutzung ist der zweite wichtige Grund für die Anfertigung von Flatfields. Grundsätzlich empfielt sich ein pfleglicher Umgang mit einer CCD-Kamera. Doch auch bei noch so großer Vorsicht finden im Laufe der Zeit immer wieder Staubpartikel den weg auf die optischen Flächen. Ein wenig Staub auf der Objektivlinse des Teleskops macht sich in der Regel noch nicht bemerkbar, da er sich weit außerhalb des Schärfebereichs befindet. Bei starker Verschmutzung sinkt im Allgemeinen der Bildkrontrast. Auf Filtern hingegen, die sich nur wenige Millimeter vor dem Chip befinden, sowie auf dem Fenster der Chip-Kammer oder dem Chip selbst machen sich Staubpartikel störend bemerkbar. Meist erscheinen sie als runde dunkle Flecken verschiedener Durchmesser auf den Bildern.

Beispiel-Flatfield
Dabei gilt: je größer die dunklen Flecken sind, desto weiter ist das Staubpartikel vom Bildsensor entfernt.
Chip-Fehler
Als dritte Fehlerquelle ist auch der Sensor selbst zu nennen: Die einzelnen Pixel unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit. Diese Variationen sind in der Regel zufällig wie das Bildrauschen und schwer zu identifizieren, sollten und werden mit einem Flatfield aber auch korrigiert.

Das optimale Flatfield erstellen

Beleuchtungssituation reproduzieren
Das Flatfield soll also die Ausleuchtungs-Situation während der Belichtung genau wiedergeben. Daher müssen bei der Erstellung von Flatfields im Allgemeinen folgende Bedingungen gleich sein: Variiert werden dürfe die folgenden Parameter:
Jedes Mal neue Flats?
Ist die Ausleuchtung des Sensors prinzipiell rotationssymmetrisch, also ein sauberer radialer Helligkeitgradient und liegt das Chip-Zentrum genau auf der optischen Achse, können Flatfields wiederverwendet werden. Mit einem Aufbau der dies leistet, lohnt es sich also, besonders penibel auf Sauberkeit zu achten. Für eine bestimmte Kombinationen aus Kamera, Teleskop und Filter verwende ich meine Flatfield teilweise über Jahre hinweg. Nur wenn störende Staubflecken hinzugekommen sind braucht es neue Flats.
Belichtungseinstellungen
Die grundsätzlichen Zielsetzungen bei Flatfield-Bildern entspricht den üblichen der CCD-Fotografie: ein möglichst rauschfreies Bild. Die Belichtungszeit der Flatfields wird so gewählt, dass die Helligkeitswerte etwa bei der Hälfte des Dynamikbereichs der Kamera liegen. Bei sehr niedrigen und sehr hohen Helligkeitswerten arbeiten Sensoren nicht mehr linear, sodass das Flatfield nicht funktionieren würde.
Durch die üblicherweise genutzten Lichtquellen zur Aufnahme der Flatfields (siehe nächsten Abschnitt) reichen relativ kurze Belichtungszeiten und es wird leicht ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht. Außerdem wird in kurzer Zeit eine größere Menge an Bildern erreicht – empfehlenswert ist das Mitteln wenigstens einiger Dutzend Bilder. Hier sollte nicht gespart werden, denn die Astro-Aufnahmen sollen sich auf keinen Fall durch restliches Rauschen im Flatfield verschlechtern!
Darkframes nicht vergessen!
Es ist noch zu beachten, dass wie beim eigentlichen Astrofoto Dunkelbilder abgezogen werden müssen, die gleich lange bei gleicher Temperatur belichtet worden sind.
Achtung, nicht zu kurz belichten!
Bei Kameras mit mechanischem Shutter können sehr kurze Belichtungszeiten problematisch sein. Während der Shutter sich schließt, wird der Chip ungleichmäßig beleuchtet. Die Belichtungszeit muss entsprechend lange gewählt werden, dass die Verschlusszeit im Verhältnis vernachlässigbar klein wird.

Methoden / geeignete Lichtquellen
Es gibt viele Methoden Flatfields zu erstellen, wobei alle darauf setzen eine Fläche mit völlig gleichmäßiger Helligkeit zu erzeugen und aufzunehmen. Die Fläche darf also keinerlei Struktur besitzen. Hilfreich in allen Fällen ist daher eine Milchglasscheibe, weißer Stoff oder Papier vor der Teleskopöffnung.
Skyflats
Eine Möglichkeit bietet der Dämmerungshimmel, bevor die Sterne sichtbar werden. Dabei wird nach Sonnenuntergang das Teleskop gen Zenit gerichtet. Hier ist eine Art Diffusor vor der Öffnung empfehlenswert, da helle Sterne eventuell auf den CCD-Bildern sichtbar werden. Allerdings ändert sich die Himmelshelligkeit kontinuierlich und die Belichtungszeit muss immer wieder angepasst werden, weswegen eher die folgenden Methoden zu empfehlen sind.
Weiße Wand
Hierbei wird eine Wand oder auch eine Leinwand gleich mäßig beleuchtet und dann fotografiert. In der Praxis gestaltet es sich jedoch schwierig, eine Beleuchtung ganz ohne Gradienten zu erzeugen. Zudem ist nicht immer eine weiße Hauswand in der Nähe.
"T-Shirt"
Ein weißer Stoff wird über die Öffnung des Teleskops gespannt. Dieser muss gleichmäßig beleuchtet werden.
Elektrische Leuchtfolien
Im Handel sind seit einiger Zeit elektrische Leuchtfolien in verschiedenen Größen erhältlich. Die Folie wird plan auf die Teleskopöffnung gelegt und gegebenenfalls die Helligkeit durch einige Lagen Papier reduziert. Dies ermöglicht sehr bequem und zu jeder Zeit, Korrekturbilder aufzunehmen, weswegen diese Methode klar zu empfehlen ist.

Flatfield-Erstellung mit einer Leuchtfolie vor der Teleskop-Öffnung.