AUTOGUIDING VON CCD AUFNAHMEN – TEIL 1
Off-Axis Methodik und geeigente Kameras ein Vergleich

Das Prinzip

Um Astrofotografie zu betreiben, benötigt man ein nachführgesteuerte, parallaktische Montierung. Viele Jahre lang mussten Amateure bei langbelichteten Aufnahmen die Nachführkontrolle auf mühsame Art und Weise mit Hilfe eines Fadenkreuzokulares leisten, das auf einen Leitstern gerichtet war. Man beobachtete dabei einen Stern in der nahen Umgebung des fotografierten Objektes und kontrollierte die Lage des Sterns manuell.

Abb.1: Off-Axis Guiding

Entweder wurde der Stern durch ein separates Leitrohr oder durch einen sog. Off-Axis Guider (s.Abb.1) nachgeführt. Jede dieser beiden Techniken hat ihre Vor- und Nachteile [1], [2]. Um einen kompakten und schnellen Aufbau zu erreichen, benutze ich einen Off-Axis Guider von Celestron. Es ist zu beachten, dass man bei den Bildformaten, die bei den heutigen CCD Kameras üblich sind, und die untern dem Kleinbildformat liegen, nicht unbedingt "große" Off-Axis-Guider Lösungen [3] benötigt, sondern Durchmesser mit T2 Anschlüssen ausreichen. Die Vignettierung ist sichtbar, stört aber nur unwesentlich, das bzgl. der Nachführung die Abbildungsqualität des Gesamtbildfeldes keine Rolle spielt. Es ist allerdings anzumerken, dass Off-Axis-Guider im Gegensatz zu Leitrohren natürlich Abbildungsfehler mit ins Spiel bringen, die sich jedoch meist gut kompensieren lassen.

Benutzt man nun eine CCD Kamera am Off-Axis-Guider zur Nachführung, so spricht man von Selfguiding oder Autoguiding. Diese Kamera ermittelt im Zusammenspiel mit einer geeigneten Software die zur Nachführkorrektur notwendigen Steuerimpluse und sendet diese an die Montierungssteuerung weiter. In den letzten Jahren wurde der ST4 Standard [4] durch Alternativlösungen ersetzt. Es lassen sich sogar Webcams zur Nachführung einsetzen [5], allerdings sind hier bzgl. der erreichten Maximalhelligkeit deutliche Grenzen gesetzt.

Das Auffinden von Leitsternen ist bei langen Brennweiten mitunter problematisch. Voraussetzung für das Autoguiding einer Aufnahme ist natürlich das Auffinden eines ausreichend hellen Leitsterns in dem Bereich, der vom Prisma erfasst wird. Einige Off-Axis-Guider ermöglichen das Schwenken des Prismas. Im Fall des verwendeten Off-Axis Guiders Celestron sind dies 135° , doch kann es vorkommen, dass bei langen Brennweiten keine hellen Sterne <10mag auffindbar sind. Die nachfolgenden Gesichtsfelder illustrieren dies am Beispiel der Umgebung von NGC6946 (links) und NGC7318 (rechts). Das zentrale Rechteck beschriebt das Bildfeld der Hauptkamera, die konzentrischen Kreise das des (schwenkbaren) Off-Axis-Guiders. Da die Kamera, die im Off-Axis-Guider sitzt, zusätzlich geschwenkt werden kann, ergibtt sich, aufgrund des rechteckigen Chips dieser Kamera, ein von der Orientierung abhängige radiale Reichweite der erreichbaren Ringzone. Im linken Bild ist der hellste Stern in der Ringzone 7.7mag hell und ist damit sogar noch in der Reichweite von Webcams. Im rechten Fall sind alle in Frage kommenden Leitsterne dunkler als 10mag. Will man hier nachführen, muss die Empfindlichkeit der Kamera die Abbildung dieser Sterne in Rahmen von Belichtungszeiten von 1..3 sec ermöglichen - sonst bleibt Stephans Quintett für CCD Aufnahmen unerreichbar.

Abb.2: Vergleich der Off-Axis Gesichtsfelder NGC6946 (links) und NGC7318 (rechts)

Die Umlenkung eines Teils des Lichtkegels geschieht durch ein kleines Prisma. Konstruktionsbedingt - so ist es zumindest beim Celestron Off-Axis-Guider - wird dabei keine kreisförmige Apertur für die Off-Axis Optik erreicht, sondern vielmehr ein Kreis mit einem Fehlstück am Kreisrand. Die Justierung des Off-Axis-Guiders bzgl. der optischen Achse der Aufnahmeoptik geschieht am besten visuell. Besitzt die Optik eine Zentralobstruktion, zentriert man diese in das Off-Axis-Bildfeld. Nach der Justierung ergeben sich trotz des inhärenten Abbildungsfehlers - man benutzt schliesslich Lichtstrahlen mit einem Offset zur optischen Achse zur Abbildung - ausreichend punktförmige Sternabbildungen. Wichtig ist, dass die Belichtungszeit dem gewählten Leitstern anzupassen ist. Da ein gut definierte 3-4 Pixel breite Sternabbildung sich als ideal erwiesen hat, ist es ratsam, in der Ringzone nicht den hellsten Stern zu wählen, da bei Sternen heller als 6mag ein Ausschmieren die Zentrierung auf das Helligkeitszentrum erschwert. Bei Sternen im Helligkeitsbereich 8..10mag erspart man sich solche Artefakte und arbeitet bei Belichtungszeiten 1..2sec. Natürlich hängen die hier genannten Belichtungszeiten von der Empfindlichkeit der zur Nachführung benutzen Kamera ab. Dies wird aber im folgenden ausführlich diskutiert.

Die Kameras und der Testaufbau

Der Auslöser für diesen Artikel und den Wunsch, die Nachführungsoptioen eingehenden zu untersuchen, war der Erwerb der CCD Kamera SXV-H9 der StarlightXpress bei der Fa. Vehrenberg [6]. Mit der Kamera erstand ich auch den SXV Guider, eine ungekühlte CCD Kamera, die zu Nachführzwecken angeboten und die direkt an der SXV-H9 angeschlossen wird. Die Anbindung an den PC geschieht via USB.

Abb.3: Die "Kontrahenten", die Mintron 12V1-EX und die SXV Guider Kamera

Zu Vergleichszwecken stellte mit netterweise Wolfgang Ransburg (Fa. Teleskop-Service Ransburg [7]) die sehr empfindliche Videokamera Mintron 12V1-EX zur Verfügung. Diese Kamera besitzt einen Composite und einen S-Video Ausgang. Man benötigt daher einen sog. FrameGrabber, um das Videosignal für den PC vorzuverarbeiten. Aufgrund der Bildfrequenzen wird ein USB 2.0 Anschluss benötigt, der bei älteren PC/Notebooks mitunter nicht vorhanden ist. Abhilfe schaffen hier PCMCIA/USB2.0 Steckkarten, die den Anschluss auch an ältere Notebook erlauben. Hier gilt es das hardwareabhängige Zusammenspiel zwischen der PCMCIA/USB2.0 Karte und der FrameGrabber Karte zu beachten.

Abb.4: Die Rückseiten der Kameras

Der hier angestrebte Vergleich hatte zum Ziel, die "offizielle" SXV Guider Kamera der "inoffiziellen" Mintron als Guiding-Alternative gegenüberzustellen. Außerhalb dieses Wettbewerbes testete ich noch eine MX7C, die als Nachführkamera zweckentfremdet wurde. Der Anschluss der MX7C an den PC geschieht über LPT1. Ein erster vergleichender Blick auf die Mintron und die SXV Guider Kamera zeigt einen Grössen- und Gewichtsunterschied. DIe Mintron ist mit 335g die schwerste der 3 untersuchten Kameras. Dies erfordert eine gewisse Stabilität des Off-Axis-Aufbau, da die Guiding Kamera ein Drehmoment um die optische Achse erzeugt und eine sichere Fixierung gewährleistet sein muss.

Allerdings muss die Kamera natürlich auch drehbar sein, das die RA-DEC Ausrichtung der Orientierung des Off-Axis Guiders - je nachdem wo ein leitstern zu finden ist - angepasst werden muss. Ist die Kamera hinreichend empfindlich, ist ohne Schwenken immer ein Stern im Bildfeld als Leitstern nutzbar - ohne langes Suchen.

Abb.5: Alle Kameras des Tests im Vergleich. Die Kameras werden am Off-Axis-1.25" Anschluss gesteckt und mit zwei Schrauben fixiert. Hinter dem Off-Axis Guider ist die SXV-H9 CCD Kamera mit vorgesetzter Filterschublade angeschlossen.

Die Kameras unterscheiden sich bzgl. der PC Anbindung und Stromversorgung. Das Videosignal der Mintron wird über ein Composite-Videokabel zum PC, genauer zur FrameGrabber Karte geführt. Die 12V Stromversorung wird direkt an der Mintron benötigt. Im Gegensatz dazu ist der SXV Guider ein Muster an Kompaktheit - mit nur einem Kable wird der Guider an die SXV-H9 angebunden - die Stromversorgung erfolgt über die SXV-H9. EIn Stand-alone Betrieb des Guiders wurde im SXBoard bereits diskutiert, ist aber derzeit nicht möglich. Eine Besonderheit der SXV-H9 Kamera ist ihr Autoguiding Active-Low-Signalausgang, der direkt an den ST4 Eingang der Montierungssteuerung angeschlossen werden kann. Bei den Tests habe ich einen SkySensor2000PC benutzt, der noch eine Umordnung der Steuersignale benötigt (das RJ11 Kabeladapter kann ohne grossen Aufwand selbst gebaut werden).

Abb.6: Schema der Verkabelung SkySensor2000 - SXV-H9 Autoguider

Zum besseren Verständnis habe ich die drei Testaufbauten schematisiert dargestellt:

Set 1:
Mintron 12V1 EX
Sony ICX249AL 752x582 Pixels a 8.6µm × 8.3µm
7.95mm × 6.45mm chip size
nicht gekühlt
x128 Interne Addition,
>2sec Exp.Time
335g Gewicht
Set 2:
SXV Guider
Sony ICX055BL SuperHAD
500 x 290 Pixels a 9.8µm × 12.6µm
4.9mm × 3.6mm chip size
nicht gekühlt
SXV Software 0.01..10sec
150g Gewicht
Set 3:
MX7C
ICX249AK (color)
752x582 Pixel a 8.6µm x 8.3µm
7.95mm x 6.45mm chip size
gekühlt, -30° Umgeb.Temperatur
beliebige Belichtungszeiten 300g Gewicht

 

Man erkennt die unterschiedlichen "Kabel-Komplexität". Gerade für Beobachter, die ihr Equipment bei jeder Beobachtung auf- und wieder abbauen müssen, ist die Anforderung einer einfachen Verkabelung ein mitunter entscheidendes Kriterium, sich für die eine oder andere Lösung zu entscheiden. Ebenso wichtig ist es zu wissen, welche Geräte eine separate Stromversorgung benötigen, da v.a. beim Einsatz im Feld die Beschränkung auf eine Batteriestromversorgung gewisse Grenzen vorgibt.

Ergebnisse der SXV Guider Kamera

Schon die ersten Tests der SXV Guider Kamera brachten das Hauptproblem dieser Kamera zu Tage: Ihre zu geringe Empfindlichkeit. Eine Veränderung der Belichtungszeiten, die im Bereich von 100stel bis zu 10sec möglich ist, brachte keine Verbesserung. Mit zunehmender Belichtungszeit steigt das Hintergrundrauschen sehr stark an. Dieses starke Rauschen verringert das Signal-Rausch Verhältnis auf Werte, die eine sichere Nachführung nur mit Sternen mit Helligkeiten bis zu 8..9mag erlauben.

Abb.7: Screenshot der des Autoguider Menüs der SXV-H9 Software (bei NGC6960).

Abb.8: Screenshot der des Autoguider Menüs der SXV-H9 Software (bei NGC205).

Die beobachtete geringe Empfindlichkeit des SXV Guiders wurde im offiziellen SX Board [8] ausführlich diskutiert. Im Rahmen der Test der SXV-H9 Software wurden seitens der Entwickler von StarlightXPress einige Fehler korrigiert. Ebenso wurde versucht, duch die Hinzunahme einer zusätzlichen Bildverarbeitung die verrauschten Guider Bilder nachzubereiten und somit die Nachführung zu verbessern.

Es wurde eine Darkframe-Option hinzugenommen, die das Rauschen deutlich reduziert (s.Abb.8). Die Darkframe Option funktioniert nur dann vollständig, wenn zuvor ein Firmware-Update der SXV-H9 durchgeführt wird, da die entsprechende Funktionsbeschreibung bis dato noch nicht in der Kamera implementiert war. Es hat sich gezeigt, dass die Darkframes nicht mit der gleichen Belichtungszeit wie die Nachführ-Einzelbilder erstellt werden dürfen, da sonst ein komplett schwarzes Bild gezeigt wird. Hier scheint wohl noch ein Fehler bei der Bildbearbeitung vorzuliegen. Wählt man eine kürzere Darkframebelichtungszeit, also etwa 0.5sec bei 3sec Nachführ-Belichtungszeit, so kann man den Hintergrund deutlich reduzieren (s.Abb.8).

Ebenso wurde ein Medianfilter integriert, der schwache Peaks prominenter darstellen soll. Weitere Bilder des SXV Guiders finden sich in einer ausführlichen separaten Zusammenstellung.

Diese Nachbesserungen brachten bzgl. der Rauschminimierung eine Verbesserung, jedoch konnte die Schwelle der erreichbaren Leitsterne kaum angehoben werden. Die schwächsten Sterne, die sich zur Nachfühung eigneten, besaßen Helligekiten im Bereich 9..9.5mag. Es ist allerdings anzumerken, dass bei derart schwachen Sternen bis zu 50% aller Einzelbelichtungen (1..3sec) den Stern nicht detektierten, so dass die Software erratische Steuerimpulse zur Montierung sandte. Verschlimmert wurde dieses Verhalten durch nicht-punktförmige Artefakte, die durch den Medianfilter produziert wurden. Ein sinnvoller Einsatz des SXV Guiders ist nur im Bereich kurzer Belichtungszeiten von einigen Zehntel Sekunden möglich. Wie berichtet, ist bei längeren Belichtungszeiten kein Helligkeitsgewinn erkennbar.

Seitens des Herstellers des SXV Guiders wurde die nachgewiesene geringe Empfindlichkeit als unschön, aber "akzeptabel" beschrieben, da einige Kunden sich damit zufrieden zeigten. Die "Zufriedenheit" mit dem SXV Guider hängt sicherlich mit den benutzten Brennweiten zusammen. Bei kurzen Brennweiten lässt sich meist ein heller Leitstern ausfindig machen, jedoch ist es ärgerlich, wenn man bei langen Brennweiten die Objekte nach der Verfügbarkeit heller Leitsterne auswählen muss. Und die Erfahrung hat gezeigt, dass das 10mag-Limit ein "must-have" für eine nachführtaugliche Kamera darstellt, die für CCD Astronomie eingesetzt wird.

Ergebnisse der Mintron 12V1-EX

Nach den enttäuschenden Ergebnissen der SXV Guider Kamera wurde eine alternative Off-Axis Kamera gesucht und mit der Mintron 12V1-EX auch gefunden. Die Mintron besitzt die Möglichkeit eine interne Addition der Bilder durchzuführen (bis zu x128). Um den augenfälligen Unterschied der Mintron zum SXV Guider deutlich zu machen, sind nachfolgend die Off-Axis Bilder dargestellt.

Abb.9: Leitsterne vdB142 (bei IC1396) im Vergleich mit dem SXV Guider und mit der Mintron aufgenommen. Das SXV Bild enthält einen Darkabzug (0.5sec). Das Mintronbild zeigt neben den Sternen auch zwei defekte "überlaufende" Pixel. Die Grössenverhältnisse der Images beschreiben in etwa die aktuelle Chipgrössen der beiden Kameras.



Die Mintron erreicht "aus dem Stand" im obigen Bild Sterne von über 12mag - und dies bei einer Belichtungszeit von 2sec. Es ist kein mühsames Aufsuchen von Leitsternen notwendig. Wird ein Objekt in der Hauptkamera eingestellt, findet sich immer im Off-Axis Gesichtsfeld ein brauchbarer Leitstern. Die Nachführung selbst geschieht mittels STAR2000 und AstroArt2.0. Man wählt hierzu ein Leitstern des Mintron FITS-Bildes aus und stellt dann die Verbindung von STAR2000 zur Teleskopsteuerung her. Nach der Setup der Steuerungsparameter erreicht man eine Nachführungsgenauigkeit von unter 1 Pixel.

Abb.10: Screenshot der Mintron Nachführung mittels AstroArt2.0

Ergebnisse der MX7C

Als einzige Kamera mit gekühltem CCD Chip bietet die MX7C natürlich das rauschärmste Billd der drei Kandidaten. Wie erwartet übertrifft die MX7C bzgl. der Erreichbarkeit von schwachen Leitsternen mit Sternhelligkeiten von 12..13mag deutlich die Limits der beiden anderen Testteilnehmer. Es überrascht jedoch, dass die Mintron mit ihrem Limit von 11.12mag dicht an dem der MX7C liegt. Sicherlich ist die MX7C nicht als Nachführkamera konzipiert, da die Farbmatrix auf dem Chip, die ihr die "one-shot-color" Bildaufnahme ermöglicht, auch die Quanteneffizienz reduziert. Die Nutzung der MX512 oder MX516 ist für Nachführzwecke sicherlich die bessere Wahl.

Abb.11: Unbehandeltes 1sec MX7C Bild (Bildausschnitt wie Abb. 9).

Die Nachführung mit Hilfe der MX7C wird wieder mit AstroArt2.0 und STAR2000 realisiert . Wie schon zuvor bei der Mintron, wird ein Leitstern gewählt und die Parameter entsprechend gewählt. Wie schon zuvor bei der Mintron - die Pixel des Chips sind identisch dimensioniert - erreicht man Nachführgenauigkeiten unter 1 Pixel.

 


Abb.12: Screenshot der MX7C Nachführung mittels AstroArt2.0

Was im Vergleich zur Mintron auffällt, ist die einfachere Verkabelung der benötigten Geräte. DIe einfache LPT1 Anbindung der MX7C macht eine FrameGrabber Karte überflüssig, ebenso fällt auf, dass die MX7C eine kombinierte Daten/Stromanbindung besitzt. Im Off-Axis-Betrieb mit der SXV-H9 werden somit neben der Stromzufühurng der SXV-H9 und deren USB Anbindung, nur noch ein weiteres Kabel benötigt. Im Vergleich hierzu benötigt die Mintron 2 zusätzliche Kabel für die 12V Versorgung und das Composit-Videosignal.

Abb.13: Setup der Mintron und das kabelbefreite Setup der MX7C im Vergleich. Links neben dem PC erkennt man das STAR2000 Modul und den SkySensor2000PC.

Zusammenfassung

Der Ausgangspunkt dieses Vergleichstests war die Unzufriedenheit mit der geringen Empfindlichkeit des SXV Guiders. Nach langen Testreihen bin ich der Meinung, dass der SXV Guider nicht ohne EInschränkungen als "Nachführkamera" empfohlen werden kann. Und die Kennzeichnung des SXV Guiders mit dem Attribut "hohe Empfindlichkeit" ist unzutreffend. Richtiger wäre vielmehr, die Mintron als "hochempfindliche Nachführkamera" zu empfehlen. Die einzigen "Nachteile", die bei der Mintron zu nennen sindt, betreffen ihr hohes Gewicht und die aufwendigere PC Anbindung. Beide Punkte verblassen jedoch bei Betrachtung der ausführlich beschriebenen Vorteile der Mintron.

Eine abschliessende Bemerkung sollte einen Blick auf die Preise der mit einbeziehen: Beide Kameras, der SXV Guider, wie die Mintron, liegen im Bereich von 450..550 Euro. In Anbetracht der Leistungsmerkmale der Mintron kann der Aufreis von ca. 100 Euro für die Mintron als "gerechtfertigt" bezeichnet werden.

M.König 09/2003

Bezugsquellen

SX-CCD Kameras bei Vehrenberg
Mintron Videokameras beim Teleskop-Service

Links zum Thema

[1] Guiding Tips With an Autoguider on a Schmidt-Cassegrain
http://www.isomedia.com/homes/cvedeler/scope/guide.htm

[2] Guidescope vs. Off-Axis Guiding
http://www.mapug.com/AstroDesigns/MAPUG/AstPhot2.htm#anchor232602

[3] Lumicon GiantEasyGuider
http://www.lumicon.com/eg11.htm

[4] ST4 AutoGuider
http://www.astrocruise.com/st4tips.htm

[5] Webcam Guiding Software
http://www.astrosurf.com/buil/iris/lecon24_us.htm

[6] Fa. Vehrenberg
http://www.vehrenberg.de

[7] Fa. Teleskop Service Ransburg
http://www.teleskop-service.de

[8] StarlightXpress Message Board
http://www.starlight-xpress.co.uk/discus/messages/991/1134.html