AstrofotografieKalibration einer CCD-Kamera oder DSLR-Kamera zur Messung der Himmelsqualität

AstrofotografieThomas_Walt schreibt:

Kalibration einer CCD-Kamera oder DSLR-Kamera

zur Messung der Helligkeit des Himmelshintergrundes



Zur Beurteilung der Helligkeit des Nachthimmels werden in letzter Zeit
immer häufiger die sog. SQM (Sky Quality Meter) eingesetzt.
Diese Geräte messen die Himmelshelligkeit, und geben den Wert in
Magnituden pro Quadratbogensekunden aus.

Um die Helligkeit zu messen muß nicht unbedingt so ein Gerät angeschafft werden,
hat doch jeder Astrofotograf im Prinzip schon so ein Messgerät zuhause:
Eine CCD-Kamera, oder eine in der Astrofotografie häufig anzutreffenden DSLR-Kameras.
Durch ihre Linearität eignen sich diese prinzipiell für o.a. Messaufgabe,
allein es fehlt die Kalibrierung, die diese Gräte zu einem Messgerät macht.


Im folgenden wird eine Methode beschrieben, wie diese Kalibrierung
auf einfache Weise bewerkstelligt werden kann.

Die Idee:
Es wird ein Stern bekannter Helligkeit stark defokussiert aufgenommen.
Aus der Helligkeit und der Fläche lässt sich nun die Flächenhelligkeit des defokussierten
Sternscheibchens bestimmen, und liefert somit den direkten Zusammenhang zwischen
Flächenhelligkeit und den dazugehörigen Pixelwerten der Kamera-Optik-Kombination.


Durch den Einsatz von Filtern lässt sich zudem die Helligkeit in verschiedenen
spektralen Bereichen messen. Durch Einsatz einer DSLR geschieht dies automatisch
durch die Farbfilter, die vor den Pixeln sitzen (Bayer-Matrix).


    Die praktische Durchführung

Ein bekannter Stern wird stark defokussiert aufgenommen.
Mit derselben Belichtungszeit wird ein Darkframe aufgenommen, und von der Aufnahme abgezogen.
Dieses Dark ist zwingend nötig, um den Bias (Offset), den jede Kamera aufweist,
und den während der Aufnahme akkumulierten Dunkelstrom aus der Aufnahme zu beseitigen.
Diese würden sonst die Messung verfälschen.

Hier ein Beispielbild mit Alpha Coma Berenices (5,22mag) als Referenzstern:

Hintergrund

Auf das Bild klicken, um es in der vollen Größe zu sehen.




Aufgenommen wurde dieses Bild mit einer DSLR des Typs EOS300D von Canon,
die Optik war ein Teleobjektiv von Tamron mit einer Brennweite von 300mm
und einer Lichtstärke von f2,8, die durch eine Frontblende auf f3,5 herabgesetzt war.
Die Belichtungszeit betrug 60s.
Mit einem üblichen Bildbearbeitungsprogramm kann man nun den
Durchmesser des Sternscheibchens in Pixeln bestimmen.
Aus der Größe der Pixel, und der Brennweite läßt sich dann der Durchmesser und somit die Fläche
des Scheibchens in Quadratbogensekunden berechnen.

Da diese Aufnahme mit einer DSLR gewonnen wurde, muß zur weiteren Auswertung
die Aufnahme erst in die einzelnen Elemente der Bayer-Matrix zerlegt werden,
da die einzelnen Pixelgruppen doch sehr unterschiedliche Werte aufgrund
der unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeit des Sensors,
und der unterschiedlichen Himmelshelligkeit in diesen Bereichen aufweisen.

Hier ein vergrößertes Bild des Sterscheibchens mit der Bayer-Matrix:

Hintergrund mit Bayer-Matrix





Die Zerlegung kann z.B. mit dem Freewar-Programm IRIS durchgeführt werden:
Nach dem Laden (natürlich im RAW-Format) des Bildes gibt man
in das Befehlsfenster ein: split_cfa [.] [.] [.] [.],
wobei die eckigen Klammern für die Namen (Eingabe ohne die Klammern) der Dateien stehen,
in welche die Auszüge abgespeichert werden.
Diese können dann mit: load [.] wieder geladen werden.

Hier ist ein Mosaik aus den einzelnen Bayer-Matrix-Bildern zu sehen:

Hintergrund gesplittet

Auf das Bild klicken, um es in der vollen Größe zu sehen.





    Berechnung der Fläche

Die Fläche eines Kreises (in m^2) berechnet sich bekanntermaßen gemäß:
    A = r^2*pi = (d/2)^2*pi

Um zu Quadratbogensekunden zu kommen, muß man den Winkel ausrechnen,
den ein Pixel am Himmel ausmacht. Dazu ist die Brennweite der Optik nötig.
    Alpha = (pix/f)*206265

pix ist die Größe der Pixel, f die Brennweite,
der Faktor 206265 (=180*3600/pi) bewerkstelligt die Umrechnung von Radiant in Winkelsekunden

Für die Fläche in Quadratbogensekunden erhält man also:
    A" = (n*alpha/2)^2*pi = (n*pix*206265/(2*f))^2*pi

Wobei n die Anzahl der Pixel für den Durchmesser des Scheibchen sind.
Wird zur Kalibrierung ein Teleskop mit zentraler Abschattung benutzt (Newton, SC, RC...)
so entsteht bei starker Defokussierung keine Scheibe, sondern ein Ring.
Da nur die leuchtende Fläche zu berücksichtigen ist, muss der zentrale dunkle Bereich
von der Fläche abgezogen werden.

    Berechnung der Flächenhelligkeit des Sterns

Die Flächenhelligkeit ist definiert durch: FH = H/A
Die Umrechnung in Magnituden erfolgt gemäß:
    FHm = -2,5*log(H/A) = -2,5*logH + 2,5*logA

Der erste Term ist die Helligkeit des Sterns in mag, dazu wird einfach der Flächenterm addiert.

Die Auswertung des obigen Bildbeispiels mit den Werten f = 0,3m, n = 197, pix = 7,4um (A = 789032 arcsec^2) ergibt:
    FHm(Stern) = 19,96 mag/arcsec^2

Somit haben wir einen Referenzwert gefunden, mit dem die Helligkeit des Hintergrundes verglichen werden kann.

    Berechnung der Flächenhelligkeit des Hintergrundes

Das Verhältnis der Flächenhelligkeit des Hintergrundes zur Flächenhelligkeit des Sterns
liefert einen Korrekturwert, der zur oben ermittelten Flächenhelligkeit des Sterns
addiert oder subtrahiert wird, je nach dem,
ob der Hintergrund dunkler oder heller als das Sternscheibchen ist.

Also: V = Ha/Fa oder in mag Vm = -2,5log(PWh/PWk)

Wobei PWh und PWk die durchschnittlichen Pixelwerte des Hintergrundes bzw. des Sterns sind.
Um den korrekten Wert für den Stern zu erhalten muss von dessen Pixelwerten
der Wert des Hintergrundes abgezogen werden.
    Vm = -2,5log(PWh) + 2,5log(PWk-PWh)

Damit haben wir alles beisammen um die Hintergrundhelligkeit zuverlässig bestimmen zu können.
    FHm(Hintergrund) = FHm(Stern) + Vm

Für das obige Bildbeispiel ergeben sich somit folgende Werte:
    Links oben (Grün1): 19,24 mag/arcsec^2
    Rechts oben (Blau): 19,86 "
    Links unten (Rot): 18,85 "
    Rechts unten (Grün2): 19,26 "

In allen 4 Fällen war der Hintergrund heller als das Sternscheibchens,
dementsprechend wird der Wert Vm negativ, und wird daher vom Referenzwert abgezogen.
Die spektrale Helligkeitsverteilung des Sterns wurde dabei nicht berücksichtigt.
Richtig gut stimmen dürften die Werte nur für die Grün-Kanäle,
da die Durchlasskurve der Grünfilter in etwa mit den der Visuellen Photometrischen Filtern übereinstimmen.
Die visuelle Helligkeit des Sterns wurde ja für die obige Kalibration benutzt.


    Messung des Hintergrundes auf beliebigen Aufnahmen

Hat man mit dieser Prozedur seine Kamera-Optik-Kombination einmal kalibriert,
so kann man damit auf jeder Astroaufnahme die Helligkeit des Himmels beurteilt werden,
ohne diese Prozedur nochmals durchführen zu müssen.
Dabei muss allerdings die (meist längere) Belichtungszeit und dementsprechend der
höhere Pixelwert des Hintergrundes der Astroaufnahmen berücksichtigt werden.

Dies liefert einen Korrekturterm: Km = -2,5log((PWa/ta)/(PWk/tk))

(PWa, PWk : Pixelwert des Hintergrundes der Astroaufnahme bzw. Kalibrieraufnahme, ta, tk : Belichtungszeiten)

Dieser Wert wird zu dem oben erhaltenen Kalibrierwert (FHm(Hintergrund)) addiert.
    FH(Hintergrund_Aufnahme) = FH(Hintergrund_Kalibration) + Km

Auch hier gilt wieder: Negative Werte verringern den Messwert


    Zusammenfassung

Mit dieser Prozedur sollte es möglich sein, die Qualität seines Nachthimmels
zuverlässig beurteilen zu können. Man sollte dies doch hin und wieder mal tun.
Auf jeden Fall dann, wenn man neue Plätze für Astroaufnahmen sucht.

Auch sollte man sich durch die vielen Formeln nicht abschrecken lassen.

Auf jeden Fall würde ich mich über Rückmeldungen durchgeführte Messungen von Amateuren,
denen ein SQM zur Verfügung steht (von anderen natürlich auch), freuen,
um diese Prozedur mit Messwerten des SQM vergleichen zu können.

Ebenso bitte ich über Probleme bei den Messungen und Auswertungen zu berichten.

Und falls jemand sachliche Fehler findet, so bitte ich auch um Nachricht.


Und nun: Viel Spaß beim Messen,

Thomas Waltinger
  
Geschrieben von Thomas_Walt auf Mittwoch, 02.September. @ 19:53:21 CEST


 
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