Hintergrund Limitierung und SNR von Astroaufnahmen und die optimale Belichtungszeit

 

Was versteht man unter dem Begriff hintergrundlimitiert?

Von der Hintergrundlimitierung ist die Rede davon, wenn der Bildhintergrund so hell ist, dass das Kamerarauschen (Ausleserauschen, Dunkelstromrauschen) im Vergleich zum Photonenrauschen des Himmelshintergrundes vernachlässigbar klein ist. Die Zahl, bei der das Kamerarauschen im Vergleich zum Hintergrund-Photonenrauschen vernachlässigbar wird, hat keine verbindliche Definition, aber dass das Hintergrund-Photonenrauschen mindestens dreimal so groß sein muss wie das Kamerarauschen. Wenn man hintergrundlimitiert ist, denkt man im Laufe der Aufnahme, ob die Einzelbelichtungen ausgereicht haben, um aus der Gesamtbelichtungszeit das optimale Signal/Rauschverhältnis herauszuholen. 

Als Vergleich kann man wenn man z.B.: zehn Einzelbilder mit je fünf Minuten gemacht hatte, ist dann dessen Summenbild vom Signal/Rauschverhalten dann mit einer einzelnen Belichtung von 50 Minuten vergleichbar. Aber wenn die zehn Einzelaufnahmen nicht hintergrundlimitiert sind, dann entspricht das Summenbild mit einem Signal/Rauchverhalten einer 30-minütigen Belichtungszeit. Dies bedeutet, dass kürzerer Belichtungszeiten gegenüber einer deutlich längeren Belichtung nicht unbedingt das bessere Endergebnis bringt, da bei z.B.: 30 Sekunden mit jeweils 50 Aufnahmen – gegenüber 1 Minute Belichtungszeit mit 50 Aufnahmen. Wann das Kamerarauschen gegenüber dem Photonenrauschen vernachlässigbar klein wird, kann man am Histogramm nicht auslesen, aber das Photonenrauschen sollte mindestens drei Mal größer sein muss als das Kamerarauschen. 

Wie man berechnen kann oder erfährt, ab wann man hintergrundlimitiert ist, kann man dies so ermitteln, indem man ein Light aufnimmt und davon 20 Darks. Aus diesen 20 Darkaufnahmen werden dann zu einem Masterdark addiert, dass man z.B.: mit Siril umsetzen kann. Als Datei-Format in Fit speichern, oder wie Siril dies schon automatisch macht.

Dieses Masterdark wird von einem Einzeldark (RAW-Format) subtrahiert, dass z.B. in Fitswork oder mit einer anderen Software gemacht werden kann. Hierzu wird als erstes das Masterdark geöffnet und anschließend das Einzeldark in Fitswork geöffnet und über Bilder kombinieren – Bild subtrahieren. Wenn man mit der rechten Maustaste auf Statistik auswählt, erhält man ein neues Fenster, indem man unter Standard Abweichung messen kann. Dieser Wert sollte man sich merken, da dieser für eine weitere Berechnung gebraucht wird.

Hier als Beispiel ist eine Standard Abweichung von 19,1237 ermittelt worden. Diese Zahl wird mit 3 multipliziert und zum Quadrat rechnen.

Also 19 x 3 = 57 (57x57) = 3249 ADU

Im nächsten Schritt wird ermittelt, ob man in der Aufnahme des Lights (Einzelbild) hintergrundlimitiert  ist, wird von einem Light (Einzelbild) das Masterdark subtrahiert. Nun kann man über Bild Statistik sich die Werte in dem Light anzeigen lassen. In der ersten Zeile der Statistik in Fitswork wird z.B. einen Mittel - Wert mit 2299 ADU angezeigt.

Dass man bei der Aufnahme dann hintergrundlimitiert ist, muss das Light nach dem Dark-Abzug einen Hintergrund-Mittelwert mit einem bestimmten Wert aufweisen, oder mehr - das in der vorherigen Gleichung berechnet wurde (Standard Abweichung). In dem Beispiel wo die Standard Abweichung mit 3249 ermittelt wurde, ist man mit 2299 ADU (analog-digital-unit) nicht hintergrundlimitiert. Die ermittelten Statik Daten sagen dann aus, man sollte hier deutlich länger belichten, dann ist man dann hintergrundlimitiert. Wenn bei einer Belichtungszeit von 30 Sekunden ein deutlich geringerer Mittel Wert als gegenüber der Standard Abweichung ermittelt wurde, hat das Auswirkungen auf den SNR Verhalten. D.h. man müsste viel mehr Einzel Light - Bilder aufnehmen um ein besseres Signal/Rauschverhalten beim Stacken zu erzielen. Wie viele das optimale Ergebnis bringen, kann man auf Anhieb so nicht sagen, aber in einer Excel-Berechnung die hier später genauer beschrieben ist, kann man mit den ermittelten Daten den SNR-Wert auf die aufsummierten Bildern sich anzeigen lassen. (Siehe weiter unten)

Welche Faktoren haben einen Einfluss auf die Hintergrund Limitierung?

-       --  Die Lichtverschmutzung die an dem jeweiligen Ort vorhanden ist. Gegenüber einem dunkleren Ort wo man die Sterne sehr gut sehen kann, erreicht man in der Stadt mit einer gewissen Lichtverschmutzung sehr früh die Hintergrund Limitierung. Wenn man eine große Lichtverschmutzung hat, braucht man nicht so lange zu belichten. Bei einem dunkleren Himmel kann es sein, dass man dann erst hintergrundlimitiert ist, wenn man länger belichtet.

-       --  Der Mond – Bei Vollmond macht es wenig Sinn Deepsky-Aufnahmen zu machen.

-        -- Lichtstärke des Teleskops – Bei einem Öffnungsverhältnis von 1/5 als gegenüber 1/15 gehen deutlich mehr Photonen rein, die den Kamerachip erreichen. Also wenn das Teleskop deutlich nicht so lichtstark ist, muss man deutlich länger belichten, dass man dann hintergrundlimitiert ist.

-        -- Der Gain und ISO-Wert der Kamera hat einen Einfluss auf die Hintergrund Limitierung. Bei einer DSLR kann man somit nicht den Gain Wert ermitteln, aber dieser kann man per Suchmaschine für die jeweilige Kamera erfahren. Manche DSLR rauschen bei einer gewissen ISO-Zahl gegenüber einer höheren Einstellung wie z.B.: ISO 1600.

-       -- Die Belichtungszeit

-        -- Verwendete Filter (Bei einem Lichtverschmutzungsfilter muss man deutlich länger belichten, dass man dann hintergrundlimitiert ist.

 

Wie berechnet man die optimale Belichtungszeit für DeepSky Fotos?

Das hört sich am Anfang recht kompliziert an, aber kann aus der Statistik des Lights ermittelt werden. Um hier die richtigen Werte mit Fitswork zu messen, muss vom Light ein Master Dark oder Bias abgezogen werden. Hier ist der ermittelte Mean Wert von Entscheidung für die Berechnung der optimalen Belichtungszeit. Bei einer 5 Minuten Belichtungszeit ergibt das ein Wert von 2750 ADU; - dann den Wert es Masterdark oder Bias ermitteln. Das Masterdark hat einen Mean Wert von 2000 ADU. Die Differenz vom Light – Masterdark oder Bias ergibt dann 750 ADU (ADU - Wert für den Himmelshintergrund). Im weiteren Verlauf muss ich den Gain und das Ausleserauschen der Kamera wissen, den erfährt man in der Bedienungsanleitung oder bei DSLR im Internet. 

Bei der Kamera Canon EOS 600 d habe ich folgende Werte auf einer Internetseite erfahren, indem hier der Gain – Wert bei ISO 0,54 und Read noise in Elektronen = 4,6. Diese beiden Werte ändern sich bei einem anderen ISO – Wert.

Für die folgende Berechnung wurde ein Gain von 0,73 und Read noise von 4,5 verwendet.

Diese Differenz von 750 ADU muss man in Elektronen umrechnen. Dieser Wert 750 wird mit dem Gain von 0,73 multipliziert. Als Ergebnis kommt hier = 547,5 e;

Die Wurzel aus diesem Wert mit 547,5 ist das Rauschen des Himmelshintergrunds. Ergibt 23,3987 e;

Nun im weiteren Schritt wird die Differenz aus Light und Masterdark oder Bias (547,5) durch die Belichtungszeit geteilt, die einen Wert hat von 300 Sekunden, ergibt den Elektronenfluss pro Sekunde. Also 547,5 / 300 = 1,825

Wenn man dafür eine optimale Belichtungszeit ermitteln möchte, muss man dazu eine Formel aufstellen und die ermittelten Daten berechnen. Die Formel lautet:

Optimale Belichtungszeit ist: 9 x Read noise (Quadrat) geteilt durch Elektronenfluss pro Sekunde

T = 9 * (4,5 * 4,5) / 1,825 = 99,9 Sekunden.

Bei dieser ermittelten optimalen Belichtungszeit ist man einfach hintergrundlimitiert. Wie gesagt, gilt diese berechnete Belichtungszeit nicht für jeden Ort, da die Faktoren einen großen Einfluss nehmen, die aus den Werten die man in Fitswork ermittelt hat, dann jeweils auch abweichen können.

Mit diesen Berechnungen kann man somit bessere Aufnahmen dadurch erzielen.

Also man braucht die Astrofotografie nicht aufzugeben, wenn man es nicht erreicht, dass man hintergrundlimitiert ist. Auch in einer warmen Sommernacht kann es sein, dass man somit nicht hintergrundlimitiert sein, weil die DSLR nicht gekühlt ist. Mit diesen Aspekten die hier aufgelistet sind, kann man dann gute Astroaufnahmen erzielen.