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Die SBIG ST-9-E - Eine CCD Kamera für lange Brennweiten (Teil2)

Autor: Peter Bresseler,
publiziert in Sterne + Weltraum, August 2001, Seite 676 ff

Allgemeines
Spezifikationen des Kodak Chips KAF 0261E
Mehrstufige Kühlung
Die Steuersoftware
Anpassung ans Teleskop
Einsatzfelder
Weitere Anwendungsbereiche
Fazit
Literatur


Die Software

Die gelieferte Software ist sehr umfangreich und besteht neben den eigentlichen Programmen zur Steuerung der Kamera aus SBIG-Handbüchern, Demoprogrammen, kleinen Einweisungsfilmen, diversen Bilddokumenten sowie einer Komplettversion des Planetariumsprogramms TheSky Version 4, Level 2. Diese Software, die von Software Bisque [4] entwickelt wurde, beinhaltet sämtliche Funktionen zur Steuerung von Teleskopmontierungen mit GoTo-Funktion sowie das Ausdrucken beliebiger Himmelsregionen in ansprechender Qualität. Des weiteren errechnet das Programm das Gesichtfeld der ST-9E in Bogenminuten und stellt das Ergebnis in Abhängigkeit des Zoomfaktors als Viereck dar.
Als Steuerprogramm dient CCDOPS für MS-DOS oder CCDOPS für Win- dows 95/98. Andere Betriebssysteme wie Windows NT/2000 oder Macintosh werden ebenso unterstützt. Die Bedeutung einer funktionierenden und robusten Software darf nicht unterschätzt werden, denn eine Kamera, deren Funktionen nicht angesprochen werden können oder deren Ausführung den Rechner zum Absturz bringen, ist im Grunde genommen nichts wert. SBIG hat sich diese Grundregel zu eigen gemacht und viel Arbeit in die Softwareentwicklung einfließen lassen. Das zahlt sich in jedem Fall aus, denn dem Anwender wird eine robuste und gut durchdachte Software präsentiert, die überaus stabil auf unterschiedlichen Plattformen läuft. Die Programme werden ständig weiterentwickelt, verbessert und dem Anwender über die Homepage von SBIG kostenfrei zugänglich gemacht - ein guter Service, wie ich finde. Das gilt auch für Benutzerbroschüren und Handbücher.


Der Schwerpunkt von CCDOPS liegt in der Steuerung und Kontrolle sämtlicher Funktionen der Kamera einschließlich der Ansteuerung eines optionalen Farbfilterrades (CFW8) und der ebenfalls optionalen Adaptiven Optik (A0-7). Befindet sich die Kamera im Betrieb, so gibt das Programm Auskunft über den Chipstatus, die Temperatur, verfügbare Speicherressourcen und das ausgewählte Filter. Die Möglichkeiten der Bildverarbeitung sind begrenzt und beschränken sich auf Grundfunktionen wie den Darkframeabzug mit Biaskorrektur und das Flatfielding, der Addition und Ausrichtung von Bildsequenzen. Zu den Grundfunktionen im engeren Sinne zählen auch Routinen zur Beseitigung von Chipanomalien wie heißer oder kalter Pixel.

Ebenso finden wir hier einige klassische Bildverarbeitungsroutinen zur Steuerung des Kontrastes und der Bildschärfe. Grundsätzlich sind diese Bildverarbeitungsmöglichkeiten ausreichend, denn die Güte der Aufnahmen bei einer ausreichenden Belichtungszeit ist so gut, dass neben Darkframeabzug und Flatfielding lediglich eine moderate Helligkeitsanpassung über die Histogrammfunktion notwendig wird. Ein Blinkkomparator, der zwei Aufnahmen in einer vorgegebenen Frequenz jeweils wechselseitig darstellt, ist in dieser Version von CCDOPS leider nicht mehr Bestandteil. In älteren Versionen konnten mithilfe dieses nützlichen Hilfsmittels Bewegungen von Kleinplaneten erkannt werden. Ebenso liegen sich Cosmics auf diese Weise schnell entlarven. Diese Funktion wäre auf jeden Fall wieder für kommende Softwareversionen erwünscht. Das Speicherformat ist frei wählbar und beträgt im komprimierten Modus 515 KB. Wird als Speicherformat FITS gewählt, so nimmt die Dateigröße ca. 520 KB ein. Typischerweise sollten die Images im SBIG- oder FITS-Format abgespeichert werden, denn diese Bildformate sind von vielen Bildverarbeitungsprogrammen lesbar.


Anpassung an das Teleskop
Um aus astrophotographischer Sicht gute Ergebnisse zu erzielen, müssen CCD-Kamera und Aufnahmeoptik aufeinander abgestimmt sein. Orientierungsgrundlage ist ein Abbildungsmaßstab, der sich aus der eingesetzten Brennweite der Aufnahmeoptik und der Pixelgröße des Aufnahmechips ergibt. Danach sollte, vereinfacht ausgedrückt, der Zerstreuungskreis eines kleinen Sternchens etwa 2 x 2 Pixel überdecken [5]. Mithilfe der Näherung [6] »Pixelgröße/Brennweite in mnm x 206 265« errechnet sich dieser Abbildungsmaßstab als Winkelauflösung pro Pixel in Bogensekunden. Bei meiner Aufnahmeoptik, einem Celestron C14, betrieben in einem Öffnungsverhältnis von 1:7 bzw. f = 2450 mm, ergibt sich mit der Pixelgröße von 20 my eine Winkelauflösung von ca. l."7 pro Pixel. Abgeleitet aus der obigen Annahme dürfen danach die Zerstreuungskreise kleinster Sternchen 2 x l"7 pro 2 x 2 Pixel überdecken! Legt man das Seeing als Maßstab für die Größe der Abbildung kleinster Sternchen zugrunde, deckt sich dieser Wert von 3.4 Bogensekunden etwa mit den durchschnittlichen Seeingbedingungen unserer Breiten. Mit anderen Worten, unter durchschnittlichen Seeingbedingungen ist der Einsatz der ST-9E in Verbindung mit Brennweiten um 2500 mm günstig, bei gutem Seeing können Brennweiten ab 3000 mm und mehr sinnvoll sein. Bei weniger günstigen Seeingbedingungen können aber auch Brennweiten um 2000 mm erfolgreich eingesetzt werden.

Unter dieser Prämisse ist ein optimales Verhältnis von Brennweite und Auflösungsverhältnis der CCD-Kamera erreicht, die gewonnenen Ergebnisse sind nicht "oversampled", es kommt dadurch zu keinem Verlust an Informationen. Im Umkehrschluss ist der Einsatz der ST-9E an kurzbrennweitigen Aufnahmeoptiken nicht sinnvoll: Kleinste Sternchen werden häufig nur von einem Pixel erfasst. So entstandene Aufnahmen wirken nicht nur wenig ästhetisch, etwaige Positionsmessungen sind nur bedingt aussagekräftig und kaum verwertbar. Damit ist im Grunde genommen die Zielgruppe für diese CCD-Kamera von SBIG klar definiert. Sie richtet sich an Benutzer der weitverbreiteten Schmidt-Cassegrain-Teleskope bzw. Benutzer langbrennweitiger Teleskope.

Primäres Einsatzfeld:
Deep-sky-Astrophotographie Aufgrund der "two in one" -Konzeption ist die ST-9E zur Gewinnung selbstnachgeführter Aufnahmen ausgelegt. Bevor dieser Prozess gestartet wird, müssen Kamera und Montierung kalibriert werden. Dafür sorgt automatisch die Steuersoftware CCDOPS, indem mehrere Aufnahmen eines Referenzsternes nach der Fokussierung gewonnen werden und die Laufgeschwindigkeit der Motoren in Rektaszension und Deklination gemessen und gespeichert wird. Die Präzision der Nachführung ist danach bemerkenswert. Subpixelgenau werden Nachführfehler registriert und entsprechend korrigiert. Die Software gibt während der Belichtung permanent Auskunft über die Helligkeit des Nachführsternes und über die jeweiligen Korrekturwerte. Wenn sich die Helligkeit des Nachführsternes verringert, ist davon auszugehen, dass Wolken die Sicht verhindern oder ein Taubeschlag der Optik vorliegt. Voraussetzung für einen unproblematischen Einsatz des Selfguiding sind neben einer gut laufenden Montierung ein ordentlich ausbalanciertes System und ein windgeschützter Beobachtungsplatz.

Bei der Deep-Sky-Astrophotographie wird der Wahl der Belichtungszeit eine besondere Bedeutung zugemessen, denn ist die Belichtungszeit zu hoch angesetzt, besteht bei einem NABG-Chip die Gefahr des Bloomings heller Sterne. Damit die so entstandenen Artefakte eine gewonnene Aufnahme nicht ruinieren bzw. mögliche Messwerte verfälschen, wählt man die Belichtungszeit so, dass man typischerweise unterhalb der Blooming- oder Sättigungsgrenze bleibt. Durch eine Testaufnahme, beispielsweise im Focus-Mode von CCDOPS, lassen sich anhand der ausgegebenen Ladungswerte sofort Rückschlüsse ziehen, ob sich helle Sterne im Gesichtsfeld befinden und wie die Sättigung ausfällt, bzw. ob eine Übersättigung während der geplanten Belichtungszeit zu erwarten ist. Möchte man Blooming vermeiden und hat als Ziel die Gewinnung ästhetischer und aussagekräftiger Aufnahmen, sogenannter "pretty pictures", so ist es ratsam, mehrere kurzbelichtete Aufnahmen zu addieren, statt eine einzelne langbelichtete Aufnahme zu machen.

Abb. 5: Die elliptische Galaxie M 87, Belichtungszeit 1200 s. Die Insets zeigen Detailvergrößerungen mit extragalaktischen Kugelhaufen (rechts oben) und dem berühmten Jet (links unten).


Die so gewonnenen Aufnahmen werden anschließend mit einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware zu einem Komposit vereinigt. In der Abb. 5 erkennt man im oberen Bildteil einen Stern mit der Katalognummer SAO 100134. Der 8.65 mag helle Stern zeigt nach 300 s Belichtung starke Anzeichen von Blooming. Der Ladungsinhalt läuft in vertikaler Richtung aus. Tests haben gezeigt, dass die Belichtung mit einem 1.8 mag hellen Stern wie alpha Ursae Majoris schon nach 1 s Belichtungszeit zu Blooming führt.
Um feinste Helligkeitsunterschiede in Emissionsnebeln herauszuarbeiten oder HII-Regionen in Galaxien nachzuweisen und kontrastreich abzubilden, haben sich unter meinem Lüneburger Stadthimmel (Grenzgröße 5.0 mag) bei Deep-sky-Objekten mit Heiligkeiten um 10 mag Belichtungszeiten von 20 bis 30 Minuten gut bewährt, wobei diese auf Sequenzen von 4 bis 6 Aufnahmen mit je 300 Sekunden Belichtungszeit beruhen. Nach der Grundbehandlung, wie Darkframeabzug und Flatfielding, werden diese anschließend addiert. Allein die Addition von vier Einzelaufnahmen führt zu einer Halbierung des Rauschens [7] sowie zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses gegenüber einer Einzelaufnahme. Ein solches Aufnahmeverfahren bringt ebenfalls den Vorteil, dass man einfach die durch Nachführfehler oder Cosmics verunstalteten Aufnahmen nicht in das Komposit einfließen lassen muss.

Die Abb. 5, 6 und 7 zeigen Resultate, die ich mit der Kombination Celestron 14 und ST-9E gewonnen habe. Alle Aufnahmen wurden im High-resolution-Modus gemacht, also ohne Binning. In Abb. 5 sehen wir die elliptische Galaxie M 8 7 (NGC 4486, Virgo A ). Sie gilt als gravitatives Zentrum des Virgohaufens. Diese tiefe Aufnahme lässt zwei Besonderheiten, die durch insets hervorgehoben wurden, erkennen. Die kontrastverstärkte Negativabbildung - inset oben - zeigt einen Randbereich mit extragalaktischen Kugelsternhaufen. Durch eine moderate Helligkeitsskalierung - Inset unten - ist ein faszinierendes Phänomen von M 87, der Plasma Jet, deutlich dargestellt. Dieser Aufnahme liegen vier Einzelaufnahmen von jeweils 300 s Belichtungszeit zugrunde. Aufnahmestandort war meine Dachsternwarte in Lüneburg, am Aufnahmetag betrug die Mondphase 68%! Die Whirlpoolgalaxie (Abb. 6), besser bekannte als M 51 (NGC 5194), befindet sich im Sternbild der Jagdhunde. Interessant auf dieser hochaufgelösten Aufnahme ist neben den detaillierten HII- Regionen die Materiebrücke, die M 51 mit NGC 5195 verbindet. Im Nordwesten erkennt man darüber hinaus IC 4277 und IC 4278. Dieser tiefen Aufnahme liegen drei jeweils 300 s belichtete Einzelaufnahmen zugrunde. Das Gespann NGC4438 (Arp120) und NGC4435 (Abb. 7) befindet sich ebenfalls im Sternbild Jungfrau. Die Wechselwirkung beider Galaxien wird durch die kontrastverstärkte Negativabbildung deutlich gemacht. Feinste Filamente intergalaktischer Materie sind zwischen den Galaxien erkennbar.



Abb. 7 (oben): Die wechselwirkenden Galaxien NGC 4438 (Arp 120) und NGC4435 in der Jungfrau. Belichtungszeit 1200 s.


Weitere Anwendungsbereiche
Durch den Verzicht auf Antiblooming Gates zeichnet sich die ST-9E durch Linearität bei der Ladungsaufnahme aus, was bei photometrischen und astrometrischen Anwendungen vorteilhaft ist und zu sicheren Ergebnissen führt. Die CCD-Kamera eignet sich daher hervorragend für Messzwecke. Bei photometrischen Anwendungen ist aber darauf zu achten, dass die vom Veränderlichen und von den Vergleichssternen belichteten Pixel nicht gesättigt sein dürfen. Wird der Sättigungsbereich überschritten und Blooming tritt ein, so ist die Kennlinie nicht mehr linear, und die Aufnahme damit für photometrische Auswertung nicht mehr zu gebrauchen. Diesen Sachverhalt gilt es ebenso zu beachten, wenn die ST-9E zur Photometrie von Kleinplaneten eingesetzt werden soll.

Wie oben beschrieben, besitzt der KAF 0261 E eine gesteigerte Blauempfindlichkeit. Damit erscheinen Echt-Farb-Aufnahmen mithilfe eines optionalen RGB-Farbfilterrades bei einer drastischen Reduzierung der Belichtungszeiten der Blau-Aufnahmen greifbar. Auch hier zahlt sich der Verzicht von Antiblooming Gates positiv aus, denn es kommt zu keiner gedrosselten Leistungsaufnahme. Dieser Sachverhalt bekommt bei der RGB-Photographie eine besondere Bedeutung, denn unter diesen Voraussetzungen kann man nun im Vergleich zu den Chips der Vorgeneration mit vertretbaren Belichtungszeiten eine gute Farbbalance erreichen. Unter der Prämisse, dass mit Äquivalentbrennweiten von 25 m oder mehr gearbeitet wird, ist die ST-9E auch für die Planetenphotographie einsetzbar. Diese Brennweiten sind typischerweise nur mithilfe von Projektionssystemen zu erreichen, wobei auch hier, wie oben skizziert, ein entsprechender Abbildungsmaßstab angestrebt werden sollte. Um das Seeing adäquat zu berücksichtigen, ist die minimale Belichtungszeit eine wesentliche Kenngröße, und die beträgt für diese Kamera 0.11 s. Für die CCD-Planetenphotographie sind kürzere Belichtungszeiten sinnvoll [8]. Diese lassen sich allerdings nicht mit diesem Verschluss, der aus rotierenden Lamellen besteht, erzielen. Die Belichtungen sind zwar sehr homogen, die Belichtungszeiten sind aber für die Planetenphotographie in Zeiten ungünstiger Seeingbedingungen nicht kurz genug. Das gilt ebenso für die Mondphotographie.

Des weiteren erscheinen Beobachtungen im infraroten Spektralbereich[9, 10] gut möglich. Auch in diesem Spektralbereich besitzt die ST-9E noch eine hohe Empfindlichkeit. Diese Anwendung setzt allerdings voraus, dass der sichtbare Teil des Lichtes, der Bereich zwischen 400-700 nm, durch ein geeignetes Filter ausgeblendet wird. Dieser Bereich gilt für Amateure als wenig erschlossen, eröffnet jedoch einige interessante Perspektiven.


Fazit
Die ST-9E ist ein ausgereiftes Produkt mit einer gut durchdachten und stabil laufenden Steuersoftware, die vom Anwender auch ohne langes Studieren der Broschüren in Betrieb genommen werden kann. Das primäre Einsatzfeld der ST-9E ist die Gewinnung selbstnachgeführter Aufnahmen. Das dafür verwirklichte Konzept der dualen Chiparchitektur mit Autoguider und Aufnahmechip ist nicht neu, hat sich auch schon in SBIG-Kameras wie der ST-7E und ST-8E überaus gut bewährt. Viele schöne Astroaufnahmen legen davon beredtes Zeugnis ab. Die ST-9E gilt als Nachfolgemodell und basiert auf derselben bewährten Konzeption. Die Empfindlichkeit dieses Systems ist so enorm, dass unter günstigeren Beobachtungsbedingungen eine noch höhere Qualität, als die der hier vorgestellten Aufnahmen, zu erwarten ist.

Die integrierte Wasserkühlung ist in diesem System neu, arbeitet effizient, ist aufgrund der aufwendigeren Handhabung aber wohl nur stationär aufgestellten Teleskopen vorbehalten. Die Benutzung der Wasserkühlung ist nicht unbedingt notwendig, führt aber nochmals zu einer Reduzierung des Dunkelstroms und damit zu einer höheren Güte der gewonnenen Aufnahmen.

Neben der Deep-sky-Astrophotographie ist die ST-9E dank der Linearität und Empfindlichkeit auch für eine Vielzahl anderer Anwendungsbereiche wie der Astrometrie, der Photometrie von Sternen und Kleinplaneten, gut geeignet. Mit Hilfe nützlicher Hilfsmittel, wie einem optionalen Farbfilterrades lassen sich nicht nur tiefe Echtfarbaufnahmen gewinnen, ebenso lassen die Ergebnisse wissenschaftliche Erkenntnisse über die physikalischen Gegebenheiten der aufgenommenen Objekte zu. Weiterhin bietet SBIG einen Spektrographen und eine Adaptive Optik als optionale Geräte an, die ebenfalls zusammen mit der ST-9E einsetzbar sind und an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben sollten. Für ein kompromissloses Arbeiten sind die Einsatzfelder der Kamera - bedingt durch die Pixelgröße von 20 my x 20 my - allerdings nur langbrennweitigen Teleskopen vorbehalten.

Ein wichtiges Kriterium bei einer Gesamtbetrachtung sind neben den produktspezifischen Eigenschaften auch die Unterstützung in technischen Fragen und der Service in Problemsituationen. Hier findet man mit der Fa. Baader Planetarium, der deutschen Generalvertretung für die SBIG-Produkte, einen kompetenten und zuverlässigen Partner. Das Preisniveau der ST-9E ist abhängig vom Dollarkurs und lag im September 2000 bei 10.890 DM. Unter der Prämisse, dass dieses System ausgereift ist, über einen in- tegrierten Autoguider verfügt, mehrere Softwarekomponenten Bestandteil des Gesamtpaketes sind, der Einsatz innovativer Zusatzgeräte aus dem Hause SBIG möglich wird, ist das Preis/Leistungs-Verhältnis zweifellos als gut zu bezeichnen.

Auf meiner Homepage http://home.t-online.de/home/pbresseler findet der Leser weitere technische Informationen zur ST-9E sowie Praxisberichte und weitere Bilddokumente zum Herunterladen. Für Rückfragen stehe ich unter der E- mail-Adresse pbresseler@t-online.de gerne zur Verfügung.


Literaturhinwelse
[1] Santa Barbara Instrument Group Inc., http://www.sbig.com
[2] Koch, B: Handbuch der Astrophotographie, Springer-Verlag 1995, S. 263.
[3] Bresseler, P.: Deep Sky im Mondschein, VdS-Journal Herbst 1999, 90 [2/999].
[4] Software Bisque, http://www.bisque.com
[5] Riepe R, Binnewies St., Tomsik H.: Newton-Refraktor, CCD-Kamera und lnterferenzfilter, VdS-Journal Sommer 1999, 102 [1/1999].
[6] Fischer W.: Beugungstheoretische Auflösung, Interstellarum 9, 49 [4/1996).
[7] Witt, V.: Bildverarbeitung durch digitale Überlagerung von Astro-Aufnahmen, SUW 39, 486 [6/2000].
[8] Flach-Wilken, B.: Simsalabim... Zauberstückchen für jedermann, VdS-Journal Winter 2OOO, 45 [2/2000].
[9] Gombert, G.: Exploring the Near-Infrared Sky; CCD Astronomy 3, No. 3, 12 (Summer 1996).
[10] Witt, V.: CCD-Beobachtungen im nahen Infrarot; SuW 37, 271 [3/998].


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