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Newtonringe bei Hα-Sonnenfotografie

Wer in die Hα-Fotografie der Sonne einsteigt kann mit seiner Kamera, die bisher tadellose Ergebnisse geliefert hat, eine unschöne Überraschung erleben. Die Aufnahmen zeigen nun unschöne Ringartefakte, die sie unansehnlich und praktisch unbrauchbar machen. Das Bildbeispiel zeigt solch unschöne Muster.

Newtonringe auf Ha-Aufnahme.
Im Folgenden werden Ursache und Lösungswege für das Problem beschrieben.

Interferenz-Effekte
Was sich z.B. gegenüber der Sonnenfotografie im Weißlicht geändert hat, ist das Lichtspektrum, das auch den Chip trifft. Die Hα-Filter zur Sonnenbeobachtung weisen mit Halbwertsbreiten von typischerweise weniger als 1 Å die schmalsten Transmissionsfenster auf, die in der Amateurastronomie zu finden sind. Quasi monochromatisches Licht trifft auf die optischen Flächen, was den entscheidenden Unterschied zu anderen Disziplinen der Astrofotografie ausmacht. Und dies ist auch die Basis zur Erklärung des Phänomens, dass es sich hierbei im Interferenz-Muster handelt.
Interferieren zwei Wellen, dann können sie sich konstruktiv (gleichphasig) oder destruktiv (gegenphasig) überlagern, wie in der folgenden Grafik mit beliebigen Beispielwellen zu sehen ist.

Grafik zur Erläuterung der Interferenz
An den optischen Flächen vor dem Chip wird stets auch ein kleiner Teil des Lichts reflektiert – die Transmission beträgt nie 100%. Reflexionen treten beispielsweise an den Ober- und Unterseiten des Deckglases des Sensors oder auch zwischen dem Deckglas und dem Chip selbst auf. Die nächste Grafik zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Chip-Kammer mit Sensor, Chip-Deckglas und Kammer-Frontglas. Hier gibt es mehrere optische Grenzflächen, an denen Reflexionen auftreten können.

Prinzipieller Aufbau einer Chip-Kammer mit Sensor, Chip-Deckglas und Kammer-Frontglas
Prinzipiell ist dies kein Problem, solange all diese Flächen perfekt planparallel sind. Reflektiertes Licht kann zwar immer interferieren, aber es entstehen dabei nicht automatisch störende Muster.

Anders sieht es jedoch aus, wenn die Planparallelität nicht gegeben ist und das Deckglas beispielsweise einen Keilfehler hat. Das Bedeutet, dass sich die Glasdicke in eine Richtung verjüngt. In regelmäßigen Abständen, deren Größe von der Stärke des Keilfehlers abhängt, treten Gangunterschiede von ganzen Vielfachen der Wellenlänge der Hα-Linie auf. Dort tritt konstruktive Interferenz auf, wohingegen dazwischen destruktive Interferenz das Bild dunkler werden lässt. Bei einer halben Wellenlänge Gangunterschied treffen Wellenberg und -tal aufeinander und löschen sich aus.

Schema zur Entstehung von Interferenzmustern
Daher wechseln sich helle und dunkle Ringe ab. Das Phänomen ist bei Linsensystemen mit sehr engen Luftspalten auch als "Newtonsche Interferenzringe" bekannt. Bei den anderen Anwendungsbereichen, wie der Mond- und der Planetenfotografie sind keine Interferenzeffekt sichtbar, da ein breites Lichtspektrum auf den Chip trifft und so viele verschiedenen Muster entstehen, dass die Bildhelligkeit im Mittel gleichmäßig ist.
Hα-Systeme begünstigen das Auftreten von Interferenzmustern zusätzlich durch das erforderliche sehr langsame Öffnungsverhältnis (oft f/30). Das Licht trifft fast parallel auf die optischen Flächen. Für den Umgang mit der Problematik können verschiedene Ansätze verfolgt werden.

Wenn möglich: Kamera tauschen

Das Problem hat mit der Qualitätsstreuung bei den Deckgläsern auf den Chips zu tun. Es korreliert jedoch nicht unbedingt mit bestimmten Kamera-Herstellern oder Modellreihen und ist eher zufälliger Natur. Zwei Kameras desselben Modells können sich also ganz unterschiedlich verhalten. Wurde die betreffende Kamera also eventuell gerade neu angeschafft, sollte man versuchen sie einfach umzutauschen, in der Hoffnung, dass der nächste Chip keine Interferenzringe zeigt.

Es gibt daneben aber auch einige Ansätze, mit dem Problem umzugehen, falls kein Umtausch möglich ist:

Ansonsten: Workarounds
Ansatz 1: Korrekturbilder / Flatfields aufnehmen
In der Deep-Sky-Astrofotografie ist die Korrektur ungleichmäßiger Ausleuchtung ein Standardverfahren. Dazu werden Korrekturbilder verwendet, die nur die Ausleuchtungsfehler zeigen – Flatfields.
Die Korrektur bei der EBV ist auch hier kein Problem, die Herausforderung besteht eher in der Erzeugung brauchbarer Flatfields. Lichtquellen, die üblicherweise dafür verwendet werden, sind viel zu schwach, sodass die Sonne Selbst verwendet werden muss. Nun ist die Sonne mit Hα-Filter alles andere als Strukturarm. Daher muss ausreichend stark defokussiert werden, sodass keine neuen Ungleichmäßigkeiten entstehen. Weiterhin wird die Sonnenmitte zentriert, damit das Flatfield frei von Gradienten aufgrund der Mitte-Rand-Verdunklung der Sonne ist. Die richtigen Sonnenaufnahmen werden schließlich durch das aus vielen Bildern zur Rauschreduktion gemittelte Flatfield dividiert.

Newtonringe auf Ha-Aufnahme.
Anmerkung: Normalerweise ist es beim Erstellen von Flatfields (einen Artikel dazu gibt es hier) wichtig, dass die Fokusposition gegenüber den eigentlichen Astrofotos nicht verstellt wird, da sich die Vignettierung und das Aussehen von Staubflecken sonst ändern. Die Auftreffwinkel des Lichts auf den Chip – und damit die Interferenzbedingungen – ändern sich jedoch in diesem Fall nicht.
Ansatz 2: Aufnahmen "driften"
Ein Lösungsansatz den ich nicht bevorzuge, ist das "Driften" während einer Videosequenz. Das Interferenzmuster ändert seine Position nicht. Sorgt man nun dafür, dass die Sonne im Laufe eines Videos ein Stück weit wandert, dann verwischen die Interferenzringe beim Mitteln der Bilder. Dies kann mit einer ungenauen Nachführung erreicht werden.

Völlige Freiheit von Artefakten ist allerdings schwer zu erreichen, insbesondere bei Nutzung von Multipoint-Alignment-Stacking. Denn für jedes Bildsegment gelangen nach der Qualitätsanalyse andere Einzelbilder zur Mittelung in die Endauswahl für das Stacking. Dadurch können die resultierenden Bilder fleckig aussehen. Weiterhin geht durch das Driften ein Teil des Bildfeldes verloren und das Bild muss am Ende beschnitten werden.
Ansatz 3: Kamera minimal verkippen
Diese Variante ist wahrscheinlich die einfachste. Ähnlich wie die Interferenzringe entstehen, kann man sie auch bekämpfen. Durch – nicht zu starkes – absichtliches verkippen der Kamera wird der Auftreffwinkel des Lichts auf den Chip verändert. Damit ist es möglich die Interferenzmuster zu eliminieren. Da bei der Hα-Fotografie im Allgemeinen große Blendenzahlen verwendet werden, ist der Schärfebereich relativ groß, sodass die Verkippung normalerweise zu keiner sichtbaren Unschärfe führt.
In der Praxis gelingt dies bereit mit einem finanziellen Aufwand von wenigen Cent: Ein Stück Klebestreifen auf einer Seite des 1,25"-Stutzens der Kamera kann das Problem schon lösen. Hier eine Skizze, die die Situation übertrieben darstellt.
Skizze: Klebestreifen zur Behebung des Problems der Newtonringe. Wer es etwas professioneller bevorzugt, der findet auf dem Markt Verkippungsmechaniken zu genau diesem Zweck.