Das Rauschen in der Astrofotografie

Rauschen in der Astrofotografie? Dieser Artikel beleuchtet die Hintergründe

Rauschen gehört zu den größten Herausforderungen für Astrofotografen. Trotz modernster Techniken und sogar künstlicher Intelligenz bleibt es ein hartnäckiger Störfaktor, der die Bildqualität beeinträchtigt. Aber was steckt hinter diesem Phänomen? Warum tritt es auf und welche Formen gibt es? In diesem Artikel beleuchten wir die Arten und Ursachen des Rauschens und geben Ihnen praktische Tipps, wie Sie Ihre Astrofotos optimieren können.

Was ist Rauschen?

Rauschen bezieht sich auf zufällige Variationen im Signal, die keine nützlichen Informationen enthalten und die Bildqualität mindern. Es zeigt sich als scheinbar zufällige Schwankungen in Helligkeit oder Farbe, die nicht Teil des fotografierten Objekts sind. Der Signal-Rausch-Abstand (SNR) ist entscheidend für die Bildqualität und wird folgendermaßen berechnet:

SNR = A_signal / σ_noise

Wobei A_signal die Amplitude des vom Sensor erfassten Signals, also ein Durchschnitt des Signals, darstellt, während σ_noise das gefürchtete Rauschen bezeichnet. Ein SNR von 1 bedeutet, dass das Signal nicht vom Rauschen zu unterscheiden ist; als „gut“ wird ein SNR-Wert ab 10 angesehen. Diese Information ist besonders nützlich bei der Auswahl von Leitsternen. Moderne Software berechnet automatisch die „besten“ Sterne im Feld basierend auf dem FWHM (Vollbreitenhalbmaximum des Sternprofils) und dem SNR.

Arten des Rauschens

In der Astrofotografie sind hauptsächlich drei Rauscharten relevant:

Dunkelrauschen (Dark Noise)

Dunkelrauschen ist ein Störsignal, das durch thermische Schwankungen im Sensor entsteht. Diese Schwankungen „aktivieren“ den Sensor und erzeugen unerwünschtes Rauschen, das nicht kontrolliert werden kann. Beim Fotografieren muss die Belichtungszeit berücksichtigt werden, da je länger die Belichtung, desto mehr thermische Schwankungen der Sensor aufnimmt. Dunkelrauschen ist stark temperaturabhängig, deshalb gibt es heute ausgeklügelte gekühlte Sensoren, die dieses Rauschen auf ein Minimum reduzieren können.

Zusätzlich kann das Dunkelrauschen durch die Erstellung sogenannter Dark Frames weiter reduziert werden. Diese Dark Frames müssen unter denselben Bedingungen wie die eigentlichen Light Frames aufgenommen werden, also mit gleicher Belichtungszeit, gleichem Gain/ISO und gleicher Temperatur.

Elektronisches Rauschen

Elektronisches Rauschen entsteht durch zufällige Lesefehler des Sensors und variiert stark von System zu System. Bei CCD-Sensoren wird jedem Pixel eine quadratische Mittelschwankung zugeordnet, die als Ausleserauschen bezeichnet wird. Elektronisches Rauschen wird besonders relevant, wenn sehr schwache Objekte fotografiert werden, da es die Signale dieser schwachen Objekte überlagern und beeinträchtigen kann.

Schussrauschen oder Quantengeräusch

Schussrauschen, auch Quantengeräusch genannt, ist möglicherweise das kritischste der drei Arten von Rauschen. Es entsteht aufgrund der diskreten Natur des Lichts, das aus Photonen besteht. Die Anzahl der während einer Integrationszeit "t" erfassten Photonen folgt einer statistischen Verteilung der Photonenzählungen.

Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich einen sehr regnerischen Tag vor, an dem wir in einem großen Garten tausend gleich große Eimer aufstellen, um das Regenwasser zu sammeln. Diese Eimer stehen dicht beieinander, ähnlich wie die Pixel auf einem astronomischen Sensor. Wir zählen, wie viele Regentropfen in jeden Eimer fallen, und das für eine bestimmte Zeitspanne. Die Anzahl der Tropfen in jedem Eimer wird variieren; in einem Eimer könnten es 100 Tropfen sein, in einem anderen 90 oder vielleicht 110.

Je länger die Eimer draußen stehen, desto mehr Wasser sammeln sie (vorausgesetzt, die Eimer laufen nicht über!). Genauso verhält es sich mit Licht: Photonen fallen nicht gleichmäßig auf jeden Pixel des Sensors, und die Photonenzählung folgt einer statistischen Verteilung. Für monochromatisches Licht (wie von einem Laser) ist dies typischerweise eine Poisson-Verteilung.

Basierend auf der quantenhaften Natur des Signals lautet die Anzahl der Zählungen:

Zählungen = Photonfluss × QE × t

wobei "QE" die Quantenwirksamkeit des Sensors ist, also den Prozentsatz des in ein Signal umgewandelten Lichts darstellt, und "t" die Integrationszeit ist. Daraus ergibt sich das Verhältnis von Signal zu Rauschen:

SNR ∝ √t

Diese Formel verdeutlicht, dass je länger die Integrationszeit ist, desto höher das Signal-Rausch-Verhältnis und desto geringer das Rauschen. Obwohl dies eine Vereinfachung ist (da astrophysikalische Signale komplexere Verteilungen aufweisen können), bleibt der Kernpunkt: Möchten Sie weniger Rauschen in Ihrem Foto? Dann verlängern Sie die Integrationszeit.

Das Anfertigen von Hunderten von Dark Frames oder Bias-Bildern kann das Rauschen nur bedingt verringern, da das wahrgenommene Rauschen hauptsächlich aus der quantenhaften Natur des Lichts stammt. Um ein tiefes Himmelsfoto mit wenig Rauschen zu erhalten, sollten Sie die Integrationszeit so weit wie möglich verlängern, in Abhängigkeit von Ihren Bedürfnissen. Wenn Sie beispielsweise 2 Stunden auf ein Objekt integriert haben, werden 10 weitere Minuten oder sogar eine Stunde zusätzliche Integration keine wesentliche Verbesserung bringen. In erster Näherung müssen Sie die Integrationszeit mindestens verdoppeln, um signifikante Verbesserungen zu erzielen. Das bedeutet, bei einer anfänglichen Integration von 2 Stunden sollten Sie auf mindestens 4 Stunden verlängern, um eine spürbare Qualitätssteigerung zu erreichen.

Bei Integrationszeiten von 20 Stunden und mehr kann dies kritisch werden, aber dank moderner Technologie gibt es Alternativen. „Schnelle“ Teleskope, wie etwa das extrem schnelle Teleskop von Omegon, halbieren die erforderliche Integrationszeit.

Das Öffnungsverhältnis von f/2.8 ermöglicht kürzere Belichtungszeiten (obwohl es nicht bedeutet, dass mehr Licht gesammelt wird – dies wird durch die Öffnung bestimmt). Es ist also, als würde es „magisch“ stärker regnen, wenn man die Eimer wechselt.

Zusammenfassung

Es gibt verschiedene Quellen von Rauschen, im Wesentlichen drei Hauptarten: Dunkel-, Elektronik- und Quantengeräusch. Das Quantengeräusch wird mit zunehmender Integrationszeit reduziert und hängt im Gegensatz zu den anderen beiden nicht von intrinsischen instrumentellen Faktoren ab. Die Faustregel lautet daher: mehr Integration = schönere Fotos.

Klare Nächte und viel Erfolg bei der Astrofotografie!

Emanuele ist Astrofotograf und studiert Physik an der Universität von Palermo.

Seit seiner Kindheit begeistert sich Emanuele für die Astronomie. Heute ist er ein talentierter Astrofotograf, seine Fotos werden geschätzt und im Internet und in Fachzeitschriften veröffentlicht. Sein Studium und seine Leidenschaft garantieren beste Beratung für spezialisierte Produkte rund um die Amateurastronomie!

Sprachen: Italienisch, Englisch