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Ratgeber für den Teleskopkauf: Digitalkameras, Format und Pixelgröße

Einleitung

War  es früher noch sehr einfach mit der Astrofotographie, es gab eigentlich nur die Spiegelreflexkamera als Medium so gibt es heute eine breite Palette an Möglichkeiten. Selbst wenn man die nicht empfehlenswerten Einsätze von normalen Kameras (egal ob Digitalkamera oder Smartphone-Frontkamera) hinter der normalen Optik ausklammert so gibt es auf dem markt zig verschiedene Kameras die direkt an das Teleskop angeschlossen werden, mit unterschiedlichen Sensorgrößen und Pixelgrößen. Dieser Artikel soll etwas Klarheit über den Vor- und Nachteil geben.

Optische Grundlagen

Wie beim visuellen beobachten auch liefert ein Teleskop eine vergrößerte Abbildung. Was man später auf dem Bild erkennen kann hängt vom Teleskop aber auch Sensoreigenschaften ab. Der wesentliche Unterschied zum Auge ist nur das dort der Sensor nicht auswechselbar ist. Es gibt fünf Parameter die dafür verantwortlich sind und alle hängen voneinander ab:

Genau genommen sind es nur vier unabhängige denn sind zwei der drei Parameter von Sensorgröße, Pixelzahl und Pixelgröße bekannt, so kann man den dritten errechnen.

Fangen wir mit den einfachen Parametern an:

Optikgröße

Je größer die Optik ist (gemeint ist der Durchmesser) desto höher ist ihr Auflösungsvermögen und Lichtsammelvermögen. Das ist einleuchtend und auch der Grund warum Teleskope immer größer werden. Für den Amateur in Mitteleuropa ist das Auflösungsvermögen zu vernachlässigen. Dafür ist bei uns die Luftunruhe zu groß, zumindest dort wo die meisten wohnen. Etwas besser ist es auf Bergen. Bei uns ist schon bei kleinen Teleskopen die Luftunruhe die Begrenzung für die Auflösung. Selten ist sie kleiner als eine Bogensekunde - eine Bogensekunde Auflösung erreicht aber schon ein Spiegelteleskop mit 120 mm Durchmesser, das selbst bei fürstlicher Ausstattung im Preis weit unter 1000 Euro bleibt. (die billigsten sind sogar für 300 Euro zu haben)  Bleibt noch das Lichtsammelvermögen. Sie steigt im Quadrat mit der Öffnung an, d.h. ein Teleskop mit 200 mm Durchmesser wird das vierfache Lichtsammelvermögen eines 100 mm Instrumentes besitzen. Damit benötigt man zum Abbilden desselben Ausschnitts nur ein Viertel der Zeit - wenn die Brennweite gleich ist.

Brennweite

Die Brennweite ist zusammen mit der Sensorgröße verantwortlich für die Vergrößerung. Man kennt dies von den Kameraobjektiven: je größer die Brennweite, desto kleiner der Ausschnitt der abgebildet wird. Als Normalbrennweite definiert man normalerweise die Diagonale des Sensors. Ist die Brennweite gleich groß, so bildet die Diagonale einen Winkel von 57,3 Grad ab, was in etwa dem Winkel entspricht den ein Auge ohne Bewegung des Augapfels oder des Kopfes hat. Brennweiten darunter sind verkleinert (Weitwinkel), Brennweiten darüber vergrößern (Tele).

Für ein Teleskop ist bei Fotografie im Normalfall erwünscht, dass die Brennweite möglichst klein ist. Je kleiner sie ist desto größer ist der Ausschnitt den der Sensor abbildet, desto mehr Licht entfällt auf ein Pixel und desto eher hebt sich bei einer gegebenen Belichtungszeit ein Detail aus dem Rauschen hervor bzw. wird deutlicher abgebildet.

Da Brennweite und Optikdurchmesser zusammenhängen (wenn man den Optikdurchmesser verdoppelt und die Brennweite verdoppelt, so bleibt die Belichtungszeit für einen Ausschnitt gleich, da sich Verdoppelung gegenseitig aufheben - nur der Ausschnitt wird kleiner) definiert man in der Fotografie die Blende Durchmesser/Brennweite, meist angegeben als 1:2,8. Dasselbe heißt bei Teleskopen Öffnungsverhältnis nur wird der Teiler umgekehrt: Brennweite/Durchmesser. Für die Astrofotografie ist man ein einem möglichst kleinen Wert interessiert. Für die visuelle Beobachtung dagegen ist am an einer langen Brennweite interessiert. Die Abbildung ist besser und man benötigt keine Okulare mit kleinen Augenlinsen um die gewünschte Nennvergrößerung zu erreichen. Kleine Öffnungsverhältnisse haben aber andere Nachteile, der wichtigste ist die Bildfeldwölbung, die sich bei Aufnahmen in der Mitte aufgehellten und am Rand unscharfen Aufnahmen wiederspiegelt. Man kann sie mit Zusatzoptiken (Koma-Reduktor) teilweise wieder mindern.

Sensorgröße

Die Sensorgröße ist nun eine Eigenschaft der Kamera. Bei SLR-Digitalkameras gibt es zwei Systeme. Das eine sind Vollformatkameras mit Sensoren im Kleinbild (KB) Größe (35 x 24 mm), das zweite ist das günstigere APS-C Format das 50-60% kleiner ist (je nach Anbieter 22,5-23,7 mm in der langen Achse). Bei astronomischen Digitalkameras die man direkt an den PC anschließt, gibt es Sensoren in allen Größen, aber ihre Größe ist zumindest im für Normalbürger bezahlbaren Bereich deutlich kleiner als das APS-C Format. Dies geht hinunter bis 4 x 4 mm Größe. Ein solcher Sensor hat dann nur noch 1/20 der Fläche eines APS-C Sensors.

Da  bei einem Teleskop die Brennweite fest ist, legt die Sensorgröße die Bildgröße fest. Will man z.B. den Mond so abbilden, das er genau die kurze Achse des Bildes einnimmt, so muss man beim Vollformat ein Teleskop mit 2654 mm Brennweite einsetzen, beim APS-C wegen des kleineren Sensors (= kleinere Vergrößerung des Bildes) reicht eines von 1654 mm. Das heißt bei gleicher Brennweite (sagen wir 1700 mm) würde im Vollformat der Mond das Bild mehr als Ausfüllen und im APS-C Format dagegen nicht ganz ausfüllen.

Es gibt trotzdem einen guten Grund für das APS-C Format: die meisten bezahlbaren Teleskope haben Optiken die nur ein kleines scharfes Bildfeld ergeben. Das liegt zu einem guten Teil an den Typen die man einsetzt. Newtons haben eben nur kleine Blickfelder. Ritchey-Chetrien haben große, aber auch lange Brennweiten und sind deutlich teurer. Will man ein größeres Bildfeld wie man es für das Vollformat braucht, so muss man zu teureren Teleskoptypen wie Ritchey-.Chetrien greifen, die preiswerten Newtons oder Schmidt-Cassegrain haben deutlich gewölbte Bildfelder, die bei der visuellen Beobachtung kaum auffallen, weil das Auge sich nur auf die Mitte konzentriert. Zudem gehen sie von Einsatz von normalen Okularen aus, die im bezahlbaren Bereich auch nur Feldlinsen von 26-27 mm Durchmesser haben. Es ist leider bei fast allen Anbietern so das die meisten Teleskope auf die visuelle Beobachtung optimiert sind (was einer Optimierung auf günstige Herstellung entspricht). Unser Auge und Gehirn gleichen aber viele optische Mängel aus bzw. wir nehmen sie nicht wahr. Bei der Fotografie werden sie meist deutlich sichtbar.

Pixelzahl und Pixelgröße

Diese beiden Parameter hängen direkt zusammen. Bei gegebener Sensorgröße ist es ganz einfach: Je mehr Pixel der Sensor hat, desto kleiner ist jedes einzelne Pixel. Je kleiner aber das Pixel ist desto weniger Licht wird es bei gegebener Belichtungszeit und Brennweite einfangen. Das bedeutet, dass man schwächere Sterne erkennt oder bei Nebeln man mehr Details sieht. Bei astronomischen Kameras ist also der Pixelwahn den es bei Kleinbildkameras gibt konterproduktiv. Für die Kamera ist daher das zweite wichtige Kriterium die Größe jedes Pixels. Man kann sie leicht errechnen wenn man die Länge einer Kante durch die Pixelzahl in dieser Dimension teilt. Beispiel: Meine Canon EOS 300D hat einen 6 Megapixel Sensor von 22,7 mm größere Kantenlänge. Es gibt 3088 Pixel in dieser Dimension, daraus errechnet sich eine Pixelgröße von 7,35 Mikrometern. Das aktuelle Modell von Canon (EOS 1200D) bei 22,3 mm 5184 Pixels (18 MMP gesamt) - hier ist jedes Pixel nur noch 4,3 Mikrometer groß. Bei gleicher Empfindlichkeit muss man also 3-mal so lange belichten (wie auch die Pixelzahlen um den Faktor 3 gestiegen sind. Es kann sich also lohnen wenn man eine Kamera nur für die Astrophotographie braucht eine gebrauchte mit der Megapixelzahl zu kaufen die einem noch "groß genug" vorkommt (was nützen 18 MP, wenn man diese Pixelzahl nicht mal auf dem Monitor abbilden kann, geschwiege denn von einem Ausdruck unter Format A2...

Folgerungen

Es gibt eine Reihe von astronomischen Anwendungen. Man kann Sterne fotografieren, z.B. Sternhaufen, man kann flächige Objekte fotografieren (z.B. Nebel) und man kann Planeten fotografieren. Jedes Objekt hat andere Anforderungen.

Fangen wir mit dem ersten an. Sterne sind theoretisch reine Punktquellen. Sie sind so weit entfernt dass man nur bei einigen mit Großteleskopen die Oberfläche auflösen kann und das geschieht nicht direkt sondern indirekt. Allerdings werden sie von der Optik gebeugt, es entsteht eine Beugungsscheibe. Hier kann man definitiv berechnen, wie groß ein Pixel sein muss, damit diese Beugungsscheibe genau so groß ist wie das Pixel. Ich spare mir die Mathematik und präsentiere das Ergebnis. Es hängt nicht vom Optikdurchmesser sondern auch von der Brennweite ab und es gilt:

Der Unterschied kommt daher, dass der Fangspiegel als Hindernis im Strahlengang eine Obstruktion, eine Ausweitung der Beugungsscheibe verursacht die um so größer ist je größer der Fangspiegel ist. Multipliziert man dies mit dem Öffnungsverhältnis, das ja bei dem Teleskop fest, ist so erhält man die Pixelgröße

Rechenbeispiel: Langbrennweitiges Linsenteleskop Öffnungsverhältnis 8 (z.B. 125/1000 mm Refraktor) Pixelgröße = 8 * 1,76 = 14 Mikrometer - das sind große Pixel. Fast alle handelsüblichen Kameras haben kleinere Pixels. Ein langbrennweities Linsenteleskop ist ein typisches Instrument für visuelle Beobachtungen,

Für Astrophotographie ausgelegter Newton: Öffnungsverhältnis 4,5 Fangspiegel >25% des Durchmessers des Hauptspiegels (z. B. 200/900 mm) 4,5*2,1= 9,5 Mikrometer.

Heute haben Digitalkameras in der Regel deutlich kleinere Pixel. Die Beugungsscheibe teilt sich dann auf mehrere Pixel auf, was die Folge hat dass man lichtschwache Sterne nicht mehr so gut erkennt, die schwächsten können im Bildrauschen untergehen. An den PC angeschlossene Digitalkameras kann man in einen Modus schalten in dem sie die Lichtmenge von mehreren Pixeln summieren und so mit reduzierter Auflösung größere Pixels summieren. Bei Aufnahmen mit der Spiegelreflex geht das nur bedingt bei der Nachbereitung am PC.

Ausgedehnte Objekte. Diese sind schwach, in der Fläche viel schwächer als selbst schwache Sterne. Man ist daher interessiert möglichst große Pixel zu haben. Je größer sie sind desto mehr sieht man bei vorgegebener Belichtungszeit. Hier lohnt sich der Kauf einer Kamera mit möglichst großen Pixeln. Da solche Nebel aber auch sehr ausgedehnt sein können, braucht man auch einen großen Ausschnitt sprich große Sensorgröße, was dann deutlich ins Geld geht. Hat man die Wahl so würde ich Leiber zu größeren Pixeln und kleiner Sensorgröße greifen. Bei Spiegelreflex-Digitalkameras hat man das Paradoxon, das ein gebrauchter alter Body mit einem Sensor mit weniger Megapixeln besser geeignet ist als ein moderner mit mehr Megapixeln, denn die Empfindlichkeit hat sich in den letzten 10 Jahren kaum verändert.

Planeten: Planeten werden vergrößert abgebildet z.B. über Okularprojektion. Sie sind auch hell, sodass die Belichtungszeiten kurz sind. Da aber selbst bei kurzer Belichtung die Abbildung durch die Luftunruhe verschmiert ist hier die Pixelgröße nicht so wesentlich. Gute Planetenaufnahmen die in Zeitschriften oder im Web veröffentlicht werden, sind das Ergebnis harter Arbeit. Es werden hunderte von Bildern aufgenommen, rechnerisch zur Deckung gebracht und dann die winzigen Unterschiede zwischen den Bildern als Oberflächenmerkmal gedeutet und verstärkt. Das Ergebnis ist toll. heuet kann ein Amateur mit dieser Bildverarbeitung Bilder generieren die vor Einführung der CCD-Technik nicht einmal Großteleskope machen konnten. Doch es gehört viel Arbeit dazu. Als Untergrenze sollte ein Pixel mindestens die Auflösung des Teleskops abbilden, doch das ist praktisch immer gegeben denn durch die Okularvergrößerung arbeitet man üblicherweise mit Öffnungsverhältnis von weit über 10. Praktisch alle Kameras haben daher genügend kleine Pixel.

Noch ein Wort zu SLR und Astrokameras

Will man sein Teleskop ernsthaft zur Astrophotographie nutzen so gibt es eigentlich heute nur noch zwei Möglichkeiten: Das Gehäuse einer Spiegelreflexkamera anschließen oder eine spezielle Astrocam. Alles andere hat Einschränkungen wie nicht frei wählbare Belichtungszeiten oder Optiken von Kameras die das Bild wieder verschlechtern. Schaut man sich bei den Astroshops um so stellt man rasch fest das spezielle Astrokameras sehr teuer sind, vor allem wenn man auch Sensorgröße und Pixelzahl betrachtet.

Für den Anschluss es Gehäuses einer Spiegel Reflex braucht man in der Regel einen Adapter, Gängig bei Teleskopen ist der T-2 Anschluss dafür braucht man dann einen Adapter auf das Bajonett der Kamera. So etwas kostet aber wenig Geld, meiner lag bei 19 Euro. Damit es nicht verwackelt und Langzeitaufnahmen möglich sind kommt dann noch ein Kabelauslöser hinzu. Da ist man zusammen bei 30 Euro. Den Boy einer Einsteiger -SLR bekommt man für unter 400 Euro und mehr Geld muss man nicht ausgeben wir brauchen nur die Einstellung M oder TV, keine Kreativprogramme und wenn es nicht so viele Megapixel sind dann ist das (siehe oben) von Vorteil.

Warum also viel mehr für eine Astrocam ausgeben?

Nun die hat andere Vorteile. Sie überträgt das Bild an den PC. Man kann so nicht nur alles vorher kontrollieren, man kann auch genau sehen wann das Bild scharf ist. Das ist bei einer Spiegelreflex im Dunkeln mit der Mattscheibe extrem schwierig (ich habe mir zu Analogen Zeiten damit beholfen, dass ich den 300 m entfernten Kirchturm bei Tage fokussiert habe und die Einstellung dann durch Schrauben fixiert). Man kann das Bild auch gleich auf den PC auslesen und verarbeiten. So kann man schnell den richtigen Fokus finden. Zudem kann man sie auch nutzen um das Teleskop nachzuführen. Dazu läuft auf dem PC eine Autoguiding Software. Allerdings können die meistenKameras nicht aufnehmen und nachführen, eventuell braucht man dafür noch eine zweite Kamera (die deutlich billiger sein kann, sogenannte Autoguider Kameras gibt es schon für 200 bis 400 Euro. Sie eignen sich auch für die Planetenbeobachtung weil sie keine längere Belichtungszeit zulassen). Normale SLR-Kameras haben einen IR-Sperrfilter vor dem Sensor. Der schluckt leider auch einen großen Teil des Rots nahe am IR wo viele Emissionsnebel leuchten. Es gibt aber Werkstätten die können ihn entfernen. Nur kostet das dann extra und man kann die Kamera nicht mehr für normale aufnahmen nehmen, wenn man natürliche Farben haben will. Astrokameras haben keinen IR-Filter, sie gibt es auch in monochrom. Monochrom hat den Vorteil dass man dann selbst Filter in den Strahlengang einführen kann und aus drei Aufnahmen mit Rot/Grün/Blau Filter dann selbst eine Farbaufnahme erzeugen kann - und eben auch die Wichtung der Farben selbst erzeugen kann. Zudem hat die Aufnahme die dreifache Belichtungszeit und zeigt so mehr Details.

Kurzum: Astrocameras sind flexibler und einfacher in der Handhabung. Sie wiegen auch weniger, was bei einem Teleskop das schon an der Grenze der Tragfähigkeit der Montierung ist durchaus ein Argument ist. (Die Kameras hängen am Ende der Optik, üben also durch die Hebelwirkung eine stärkere Kraft aus als wenn sich das zusätzliche Gewicht über den ganzen Tubus verteilen würde.

Aber Astrocams sind sehr teuer. Für den Preis eines SLR-Body vom APS-C Format der heute unter 400 Euro kostet und 18 MP hat bekommt man maximal eine 1,2 MP Kamera mit einem 4 x 5 mm großen Chip. Chips mit 22 mm Diagonale (immer noch kleiner als APS-C) mit 8-12 MP liegen bei 2000 bis 4500 Euro. Wer daher schon eine SLR hat sollte erst mal mit dieser anfangen. Alternativ schafft man sich eine Autoguider-Kamera an, die man sowieso für die Nachführung bei Langzeitbelichtung braucht (außer man will dauernd in einen zweiten Anschluss am Teleskop schauen und einen Stern in einem Fadenkreuzokular fixieren und korrigieren) und sie mal bei Planeten und Mond ausprobieren. Dann sieht man rasch ob man bereit ist für eine bessere Kamera mehr Geld auszugeben.


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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