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*** Die astronomische CCD - Kamera
   


Eine Filmemulsion braucht normal 25 - 30 Photonen um erregt
zu werden. Bei einer CCD - Kamera reichen weniger als 
5 - 6 Photonen, die Kamera hat deshalb zwischen 20.000
und 40.000 ASA.
Der CCD - Chip hat ein Empfindlichkeitsrauschen von 1 - 10%
auf der gesamten Fläche, das durch Schmutz und Staub noch
verstärkt wird. Es können ca. 10 von 100.000 Pixel heiße 
Pixel sein ( hot spots ).
Die Temperatur der Kamera sollte beim benutzen möglichst
niedrig sein, da sich der Dunkelstrom bei einer Temperatur - 
erhöhung von ca. 5 - 10°C verdoppelt, je nach Kamera.
Professionelle CCD - Kameras werden auf -130 - -150°C
gekühlt ~<e/Pixel/h. Amateurkameras werden meistens
durch Peltieelemente um 35 - 40°C unter die Umgebungs- 
temperatur gekühlt. Der Dunkelstrom wird dabei auf 
0,4% der ursprünglichen Menge gesenkt ~einige 10e/Pixel/h.
Durch die Wärme des Ausleseverstärkers entsteht in einer 
Ecke des Bildes ein sehr starkes Rauschen. Dieses Rauschen
kann entweder durch Bildbearbeitung oder durch zweimaliges 
Auslesen und anschließendes summieren der Bilder beseitigt
werden. Bei einmaliger Auslesung beträgt das Auslese- 
verstärkerrauschen 10%, bei einer zwei fachen Auslesung 
nur Wurzel 2 = ca. 7%.
Die Kamera ist in viel mehr Wellenlängen empfindlich als das 
menschliche Auge. Bei den meisten farbkorrigierten, sehr
scharf abbildenden Teleskopen kann eine CCD - Aufnahme
deshalb trotzdem noch unscharf sein, deshalb sollte die 
verwendete Optik möglichst wenig optische Flächen haben.
Eine Ungenauigkeit entsteht auch durch die 2/1000stel
Transferineffizienz. Mit bestimmten Filtern, z.B. IR können
auch Aufnahmen in besonderen Wellenlängenbereichen
gemacht werden.

Wenn die “Überlaufkanäle” der einzelnen Pixel nicht
funktionieren, kann ein Pixel in Benachbarte überlaufen.
Durch die Einstellung “Anti - Blooming gate” wird das 
“Aufblühen” der Sterne verhindert, die Dynamik sinkt
aber auch.
Meistens entstehen während des Auslesens lange 
schwache Streifen an den Sternen. Das passiert, weil 
der CCD - Chip während des Auslesens weiter belichtet 
wird, als ob man nach einer Filmbelichtung den Film
bei offener Blende schnell weiterspult. Moderne Kameras 
haben deshalb einen mechanischen, elektronischen oder
mechanisch - elektronischen Shutter ( Verschluss ).
Die CCD - Kamera sollte möglichst Temperaturstabil
gelagert werden. Luftatome diffundieren bei stark
schwankender Temperatur schneller durch das Metall -
gehäuse als bei gleichbleibender Temperatur. Dadurch
kann schon nach 1 - 2 Jahren so viel Luft im Vakuum -
raum sein, das sich an den Bildrändern Eisblumen
o.ä. Bilden und sich das Bild sehr verschlechtert. Das 
Vakuum muss dann vom Hersteller erneuert werden. 

Vorbereitung von CCD - Aufnahmen

Bias Frame ( Vorspannungsbild ):
Nullabgleich des Ausleseverstärkerrauschens, ist 
meistens im Dark Frame, siehe unten, enthalten.

Thermal Frame ( Wärmebild ):
ist bei absoluter Kühlung unwichtig, sollte sonst bei
Aufnahmen von >1sec. Belichtungszeit gemacht werden.
Das Wärmebild sollte vor jedem Bild neu aufgenommen
werden, da sich das Wärmerauschen bei 1°C Temperatur -
unterschied um 15% ändert.
Ist oft im Dark Frame enthalten.

Dark Frame ( Dunkelbild ):
Man sollte mehrere Dunkelbilder aufnehmen und mitteln.

Flat Frame ( Weißbild ):
Durch das Weißbild soll die unterschiedliche Licht -
empfindlichkeit der einzelnen Pixel kompensiert werden,
gleichzeitig wird auch der Schmutz auf Kamera und 
Teleskop abgleichen. Auch das Weißbild sollte gemittelt
werden. Das Flat Frame braucht in einer Nacht nur
2 - 4mal erneuert werden, wenn der Optikschmutz nicht
mit abgeglichen werden soll, auch nur einmal. Das 
Weißbild wird entweder am hellen, wolkenlosen
Dämmerungshimmel oder durch ein von einer Lampe
gleichmäßig angestrahltem Blatt Papier aufgenommen.
Die Pixel sollten nicht mehr als 2/3 bis ¾ gesättigt sein,
da sonst einige Fehler nicht erkannt werden können.

Calibrated Image ( abgeglichenes Bild ):
Das Bild ist ohne Fehler aber immer noch unbearbeitet.

Scharfstellen der Aufnahme:
Scharfstellen ist eine der wichtigsten Vorbereitungen.
Bevor die CCD - Aufnahme scharfgestellt wird, sollte
man sich die Aufnahme in Falschfarben darstellen 
lassen, da das menschliche Auge Farben besser 
unterscheiden kann, als Graustufen.
Wenn ein neues Objekt eingestellt werden soll, das weiter 
als 10° vom Vorherigen entfernt ist, sollte man unbedingt 
die Schärfe überprüfen. Beste Ergebnisse erreicht man,
indem man die Kamera am Tageshimmel an einem un -
endlichen Objekt scharfstellt und den Okularauszug nur
um höchstens 1° dreht, um den Schärfepunkt nicht zu
verpassen. Außerdem sollte man die Intensitätswerte
einiger Pixel ermitteln, den arithmetischen Mittelwert
errechnen, das ganze nach Drehung am Okularauszug
wiederholen, bis das Schärfemaximum überschritten
ist, dann auf die Stellung des schärfsten Punktes
zurückkehren.

Belichtungszeit der Aufnahme:
Bei langen Aufnahmen steigt der Dunkelstrom schnell
an, außerdem summiert sich die Ungenauigkeit der
Montierung, gleichzeitig sinkt die Dynamik. Deshalb
sollten CCD - Aufnahmen so kurz wie möglich belichtet
werden. Man kann von einem Objekt viele kurzbe -
lichtete Aufnahmen machen und dann addieren.
Sollen Objekte mit großen Helligkeitsunterschieden
z.B. Orionnebel, aufgenommen werden, kommt man 
zum besten Ergebnis, indem man mehrere Bilder mit 
verschiedenen Belichtungszeiten aufnimmt und
addiert. Um ein brauchbares Dunkelbild zu bekommen, 
muss erst die optimale Belichtungszeit ermittelt werden.

Nach diesen Vorbereitungen kann das CCD - Bild 
aufgenommen werden. Um mehr Einzelheiten oder 
bestimmte Teile des Bildes sichtbar zu machen, sollte 
das Bild weiter verarbeitet werden. 
Siehe Bildverarbeitung.

Pixelwerte sind immer integere d.h. Ganzzahlige Werte.
Bei gemittelten Pixelwerten können gebrochene Werte
auftreten. Dann werden alle Stellen hinter dem Komma
weggelassen und nicht gerundet, dadurch verliert das 
Bild weiter an Helligkeit.
Wenn zwischen zwei Spalten neue Pixel eingesetzt 
werden sollen, reicht der Mittelwert nicht mehr für eine
genaue Berechnung aus. Es muss untersucht werden,
z.B. Ob das Pixel der Spalte eins oder das der Spalte 
zwei heller bzw. Dunkler ist. Einfacher ist es, die Pixel
zu verdoppeln, aber nach insgesamt einer 32 fachen
Vergrößerung treten Artefakte auf. Diese Artefakte 
können so stark sein, dass das Bild kaum noch originale
Pixelwerte hat, es wird stark verfälscht. Um die Artefakte
bei höherer Vergrößerung zu vermeiden, filtert man
nach jeder Vergrößerungsetappe mit Weichzeichnern.
Diese Art ist sehr gut für neblige Objekte oder Galaxien
geeignet, nicht aber für Sternhaufen o.ä., Es entsteht 
nur ein nebliger Ball.

Wie schon beim Scharfstellen beschrieben, sind
Graustufen vom menschlichen Auge besser zu
unterscheiden, wenn sie in Falschfarben angezeigt 
werden. 

Falschfarben
Bei der Falschfarbendarstellung eines Bildes wird jeder
Graustufe eine Farbe zugeordnet, das Bild bleibt
trotzdem noch eine monochrome Aufnahme! Die Farben
können willkürlich gewählt werden, deshalb muss zur 
Falschfarbendarstellung immer eine Farbskala 
angezeigt werden, da es sonst kaum möglich ist, das 
Bild richtig auszuwerten. Mit der Darstellung eines
Bildes mit nur 256 ( Falsch- ) Farben hat man bereits
ein vierfach besseres Auflösungsvermögen als mit 
64 Graustufen.
Wenn bei sehr detailreichen Aufnahmen zu viele
Farben benutzt werden, kann das Bild leicht durch
zu viele Abstufungen verwirren.
Falschfarben eignen sich auch sehr gut, um groß -
flächige Objekte zu positionieren ,z.B. Die schwachen
Spiralarmausläufer der Galaxie M51 im Gr. Wagen, 
sind bei Positionierungsbelichtungszeiten nur in 
Falschfarben zu erkennen.
Man kann mit Hilfe von Farbfiltern indirekte Echt - 
farbbilder aufnehmen. Das Farbspektrum der CCD - 
Kameras reicht von IR bis UV und wird von den Farb -
filtern eingeschränkt. Weil die Empfindlichkeit der
Pixel auf die einzelnen Farben verschieden ist, muss
auch die Belichtungszeit angepasst werden. Die 
Belichtungszeit muss für jede Farbe/Filter/Optik
ermittelt werden. 

Belichtungszeitermittlung bei Echtfarbenkomposit
Um die optimalen Belichtungszeiten für die drei 
Farben zu erreichen, belichtet man einen 
schwarz-grau-weißen Gegenstand, z.B. Den Halbmond.
Die Belichtungszeit wird so lange geändert, bis das Bild
keinen Farbstich mehr hat. Die hellsten Regionen der
Probeaufnahmen sollten ¾ bis 4/5 gesättigt sein um 
beste Ergebnisse zu bekommen.
Beispielbelichtungszeiten:
Grün: 20sec. Rot: 60sec. Blau: 180sec.
Die rot, grün und blauen Aufnahmen vom Orginal -
objekt werden dann zu einem Echtfarbenkomposit
summiert. Die Bilder können vor der Addierung oder
nachher bearbeitet werden. Durch die Bearbeitung
vor der Addierung werden die Bildinformationen
verfremdet und sind deshalb für eine Bildauswertung
kaum noch zu gebrauchen.

Bildverarbeitung
Korrekturen an Helligkeit und Kontrast

Die Helligkeitszunahme bei CCD - Kameras ist linear, 
beim menschlichen Auge und chemischen Filmen
ist die Zunahme eher logarithmisch, außerdem kann 
das Auge weniger Graustufen unterscheiden als die
CCD - Kamera.
Bevor man an Helligkeit und Kontrast, eigentlich vor 
jeder Art von Bildverarbeitung, etwas ändert, sollte
man genau wissen, was auf dem Ergebnis zu sehen
sein soll!
Wenn Helligkeit und Kontrast geändert werden, ändern 
sich immer auch die Pixelwerte. Um die Helligkeit zu
verändern, ohne die Pixelwerte zu ändern, kann man
die Helligkeitseinstellung am Monitor benutzen. 
Dadurch bleiben die Pixelwerte, wie sie waren, trotzdem
kann das Bild in verschiedenen Helligkeiten oder
Kontrastwerten betrachtet werden. 

Bildanalyse

Nachdem ein Bild bearbeitet ist, kann es aus -
gewertet werden.
Es gibt zur Bildauswertung verschiedene Dar -
stellungsmöglichkeiten.

Zahlentabelle:

Die Zahlentabelle gibt für jedes Pixel des ausgewählten
Bereiches den Intensitätswert an, diese Werte können
dann in einem Tabellenkalkulationsprogramm weiter -
verwendet werden, z.B. um die Beobachtung zu 
präsentieren.
Die Werte können auch von Hand berechnet werden, was 
allerdings sehr lange dauern kann. Manche Scanner -
programme sind auch zur Weiterverarbeitung von 
Aufnahmen geeignet. Bessere CCD - Bildbearbeitungs -
programme können die aufgenommenen Bilder in 
Grafikdateien umwandeln, um diese Dateien dann in 
andere Programme zu importieren.
Eine Zahlentabelle kann auch dazu genutzt werden, den
besten Punkt beim Schartstellen sicher zu finden. Sind die
Zahlenunterschiede sehr kontrastarm, ist das Objekt
unscharf, je kontrastreicher die Werte sind, desto schärfer
ist das Bild. Diese Methode ist nach einer langen Nacht 
manchmal sicherer als die Falschfarbenmethode.

Histogramm

Eine weitere Möglichkeit zur Bildverarbeitung ist die 
Darstellung des Bildes in einem Histogramm. Das
Histogramm gibt Auskunft darüber, wie oft einzelne
Pixelintensitätswerte ( Graustufen ) in dem Bild
enthalten sind.

Querschnitte ( Profile )

Profile sind für die spezielle Bildauswertung besser 
geeignet als die vorherigen Methoden, da bestimmte 
Stellen der Aufnahme in einer Kurve dargestellt wird.
Profile eignen sich sehr gut für Distanzmessungen
zwischen eng beieinanderstehenden Objekten. Da auch
die Helligkeit abgelesen werden kann, wird das Profil
eines Sterns oft auch zum Scharfstellen genutzt. Je
steiler das Profil ist, desto schärfer ist das Bild. Oft wird
zusätzlich eine gerade Linie im Profil dargestellt, die den
Durchschnittswert aller Helligkeiten in diesem Quer -
schnitt dargestellt. Bei Anwendung von Filtern können 
die Veränderungen festgestellt werden.

Isophotalkurven

Isophotalkurven sind Verbindungslinien zwischen Orten
gleicher Helligkeit; Isophote werden verbunden. Die 
Kurven zeigen die Helligkeitsunterschiede an, je größer 
der Helligkeitsunterschied ist, desto enger sind die Kurven
zusammen.

Es gibt verschiedene Methoden der
Isophotalkurvenzeichnung:

1. Bei der einfachsten Art der Kurvenzeichnung wird die
Intensitätsauflösung ( Graustufen ) reduziert, dadurch gibt 
es zwischen den Helligkeiten klare Grenzen. Diese Kurven
sind treppenartig und nervös, deshalb sollte das Bild vor 
der Kurvenberechnung unscharf maskiert werden, damit die
Kurven glatter werden.

2.Bei der zweiten, aufwendigeren Methode der Isophotal -
kurvenzeichnung werden immer vier Bildpunkte zusammen -
gefasst. Dann werden die Ecken des Quadrats zu einer
Pyramide hochgezogen. Mit aufwendigen 
Trigonometrischen Berechnungen wird dann untersucht, ob
die Pyramidenspitze auf einen Grenzbereich zweier
Helligkeitsstufen fällt. Danach wird die nächste Pixel -
vierergruppe betrachtet und berechnet. Wenn zwei
Pyramidenspitzen mit der gleichen Intensität gefunden
werden, werden diese Stellen mit einer Linie ( Vektor )
verbunden. Die Linien der zweiten Methode sind Linien,
die gedachte, berechnete Punkte verbinden und nicht 
wie die erste Methode, die einfach an die Helligkeits- 
grenzen gesetzte Linien bzw. Punkte verwendet.

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