Mit Starvis 2 durch den Sternenstaub

Unser Sonnensystem fasziniert die Menschheit seit Jahrtausenden. Die astronomische Forschung sucht nach Antworten auf die großen Fragen menschlicher Existenz. Wie groß ist das Universum? Wie ist es entstanden? Überall auf der Welt werfen Astronomen ihren Blick ins All. Doch nicht nur riesige Weltraumteleskope ermöglichen spektakuläre Bilder, auch kleinere Teleskope, bestückt mit gängigen Industriekameras, lassen Hobby-Astronomen weit blicken und neue Erkenntnisse gewinnen.

Entscheidend für die Qualität der Aufnahmen ist neben einer vielseitigen Kamerasoftware jedoch die Ausstattung mit den richtigen Sensoren. Der australische Amateurastronom Anthony Wesley hält die uEye-XCP-Kamera von IDS, ausgestattet mit Sony-Starvis-2-Sensoren, für eine ausgezeichnete Wahl für die Aufnahme hochauflösender Bilder unserer Nachbarplaneten wie Venus, Mars, Jupiter und Saturn. Die Astrofotografie hat gleich in zweifacher Hinsicht besondere Herausforderungen zu bewältigen, und zwar sowohl technischer als auch natürlicher Art.

Dies gilt insbesondere für Teleskopaufnahmen von Planeten. Zum einen ist die Erdatmosphäre ständig in Bewegung und erzeugt dadurch Turbulenzen, die zu Verzerrungen des Lichts führen, das von den Sternen oder Planeten kommt. Dieses sogenannte ‚Seeing‘ führt vor allem bei der Beobachtung durch erdgebundene Teleskope zu einem Flimmern oder Verschwimmen der Objekte. Diese Unschärfen und Verzerrungen durch atmosphärische Turbulenzen erschweren die Erfassung detailreicher Aufnahmen.

Zum anderen absorbiert und streut die Erdatmosphäre sichtbares bzw. kurzwelliges blaues Licht. Nahinfrarotes Licht hingegen wird weniger gestreut, was zu klareren und schärferen Bildern führt. Das ist besonders in Regionen mit schlechteren ‚Seeing‘-Bedingungen, hervorgerufen durch Luftturbulenzen, von Bedeutung. Außerdem durchdringt Infrarotlicht dünne Wolken und Staubpartikel besser als sichtbares Licht. Durch den Einsatz einer NIR-empfindlichen Kamera können Astronomen hinter diese interstellaren Staubwolken blicken und Strukturen erkennen, die im sichtbaren Licht verborgen bleiben. Dies betrifft beispielsweise junge Sterne und Sternentstehungsgebiete, die in der Regel von dichten Staubwolken umgeben sind.

Doch auch für die Erfassung von Bildern großer Planeten wie Saturn oder Jupiter gilt: Je leistungsstärker die Kamera im Low-Light-Bereich, umso aussagekräftiger sind die Aufnahmen. Nicht zu vernachlässigen: Infrarotes Licht wird weniger von künstlichen Lichtquellen auf der Erde beeinflusst. Das bedeutet, dass NIR-empfindliche Sensoren auch in Gebieten mit moderater Lichtverschmutzung bessere Bedingungen für die Himmelsbeobachtung bieten.

Kameras mit besonders hoher NIR-Empfindlichkeit sind daher besonders gefragt. Hobby-Astronom Anthony Wesley hat in diesem Zusammenhang die Leistungsfähigkeit von IDS-Kameras aus der XCP-Familie mit Sensoren der Starvis-2-Klasse und deren Eignung für die Planetenfotografie untersucht – mit Erfolg: Das IDS Kameramodell U3-38C0XCP-M-NO, bestückt mit dem monochromen Sensor IMX662, liefert hervorragende Ergebnisse.

„Die IDS-Kamera ist das bildgebende Element für ein Teleskop mit einer Öffnung von 415 Millimetern und einer Brennweite von 6 000 Millimetern“, erklärt er die Funktion der Kamera. „Sie zeichnet ein- bis zweiminütige Videosegmente von Planeten wie Jupiter und Saturn mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 Bildern pro Sekunde durch austauschbare Filter auf, sowohl im sichtbaren Licht als auch im Infrarotbereich.“

Um eine einzige optische Einheit zu bilden, die in den Okularstutzen des Teleskops passt, hat Anthony Wesley die IDS-Kamera samt Filterrad und Barlow-Linse direkt miteinander verschraubt. Die Barlow-Linse zwischen Okular und Teleskop verlängert den Brennweg des Teleskops und erhöht damit die Vergrößerung, ohne dass ein zusätzliches Okular benötigt wird. „Der IDS-Kamerasockel wurde modifiziert, um eine Montage mit niedrigem Abstand zu ermöglichen, da ich den Standard C/CS-Abstand nicht benötige“, erläutert er den Aufbau.

„Lichtempfindlichkeit, die weit über das menschliche Auge hinausgeht – dafür stehen Sensoren mit Starvis-2-Technologie von Sony“, bringt Jürgen Hejna, Product Manager uEye-Kameras bei IDS, die Stärke der Sensoren auf den Punkt. Wer beispielsweise zum Modell U3-38C0XCP Rev.1.2 mit dem 2,16-MPixel-Rolling-Shutter-Sensor IMX662 greift, erreicht mit Hilfe der Pixeltechnologie eine außergewöhnliche Bildqualität mit besonders hohem Dynamikbereich. Die USB3-Kamera liefert schnelle 88 Bilder pro Sekunde und zeigt sich besonders stark in Low-Light-Anwendungen, bei denen hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig geringer Auflösung gefragt ist. Der 1/3-Zoll-Sensor minimiert darüber hinaus durch sogenanntes ‚Anti Reflection Coating‘ störende Reflektionen innerhalb der Kamera.

Für Anthony Wesley hat die baukleine Kamera weitere Vorteile: „Die kompakte, leichte uEye XCP ist für Amateurteleskope gut geeignet. Die uEye-Kameras sind preiswert, bieten aber fast alle Funktionen, die sich Amateurastronomen für diese Anwendung wünschen.“ Auch die leichte Integration der IDS Kameras über das Software Development Kit IDS peak hat ihn überzeugt. „Ich bin der Entwickler und Betreuer des IDS-Kameramoduls in der bei Amateurastronomen beliebten Software FireCapture. Das IDS-Modul ist in C mit Microsoft Visual Studio geschrieben und wird zu einer DLL kompiliert, die ganz einfach in FireCapture geladen werden kann, um die Nutzung der umfassenden Software-Features zu ermöglichen.

Die mithilfe von FireCapture aufgezeichneten Videosegmente werden anschließend mit Autostakkert, einer Windows-Software, die Bilder des Nachthimmels automatisch ausrichtet und zusammenfügt, weiterverarbeitet. „Die Software kombiniert und mittelt die Einzelaufnahmen und korrigiert Unschärfen und Verzerrungen durch die Erdatmosphäre“, beschreibt Anthony Wesley. Diese Unschärfen können als Verwischung oder Bildrauschen auftreten und wichtige Details in den Bildern verdecken. In der astronomischen Bildgebung wird daher die Methode der Dekonvolution verwendet, um die Bildqualität von Teleskopaufnahmen zu optimieren und unscharfe oder verzerrte Bilder zu korrigieren.

In diesem Fall kommen zur Dekonvolution und Bildschärfung die Softwarepakte Astra Image und Registax zum Einsatz. Im nächsten Schritt muss die beobachtete Rotation des Zielobjekts während der Aufnahmezeit korrigiert werden. „Zum Beispiel dreht sich Jupiter alle 90 Sekunden um ein Grad“, erläutert Anthony. Dafür wird die Software Winjupos genutzt, mit deren Hilfe sich zeitversetzte Bilder und Videos übereinanderlegen, derotieren und anpassen sowie Rot/Grün/Blau-Bilder zu einem Farbbild zusammenfügen lassen. „Die abschließende Bildbereinigung erfolgt mit Gimp.

Auf diese Weise kann die Nachbearbeitung des Videos den Unschärfeeffekt der Erdatmosphäre ausgleichen und so drastisch reduzieren, dass ein klares Bild des Zielobjektes entsteht“, fasst Anthony den abschließenden Bildverarbeitungsprozess zusammen.

„Kameras auf der Basis der Sony-Starvis-2-Sensoren werden bei Amateurastronomen in der Community für planetarische Bildgebung aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, der großen Tiefenschärfe und des geringen Rauschens beliebt sein“, ist sich Anthony Wesley sicher. „Insbesondere im NIR-Bereich zwischen 700 und 1000 nm, in dem sehr interessante Arbeiten durchgeführt werden können, die unser Verständnis anderer Planeten in unserem Sonnensystem voranbringen.“

Doch das Einsatzgebiet der Kameras reicht nicht nur bis ins All. „Viele der verwendeten Techniken lassen sich auch auf andere Bereiche mit ähnlichen Herausforderungen anwenden, beispielsweise Unterwasseraufnahmen in schwach beleuchteten Umgebungen“, empfiehlt der Australier.