Fotografie der Sonne in H-Alpha

Dieser Bericht gibt die Erfahrungen bei meiner Sonnenfotografie über die Jahre wieder, ebenso den Ausbau des Foto-Instrumentariums bis zum heutigen Stand im Jahr 2018. Es wird speziell auf die Eigenheiten der Fotografie im engen Frequenzband des solaren H-Alpha Lichts eingegangen. (Ausrüstung und Fotografie im Weißlicht (Kontinuum) wird in einem gesonderten Beitrag geschildert.)

Allgemeine Überlegungen

Fotografieren bedeutet beim „Ablichten“ der Sonnenerscheinungen in der Regel immer das Anfertigen kurzer Videosequenzen, die dann in einem Verarbeitungsprogramm ausgewertet werden. Der Grund hierfür ist die Methode des „besten Bildes“ (engl. „lucky imaging“) die sich in der Astrofotografie flächiger Objekte wie Sonne, Mond und Planeten durchgesetzt hat. Ein Resultatbild ensteht also immer erst nach einer geeigneten Auswertung und Nachverarbeitung des Rohmaterials. Eine kurze Beschreibung meines Vorgehens folgt weiter unten und in einem Spezialbeitrag zum Arbeitsablauf Bildbearbeitung beschrieben.

 

Beim Fotografieren der Sonne haben sich zwei doch recht unterschiedliche Anforderungen an die Kameraeigenschaften herausgestellt.

Die einen bei Übersichtsbildern der Gesamtsonne, die anderen beim Fotografieren detallierter, kleiner Objekte, wie Flecken, Protuberanzen, Filamenten. Speziell auch die Gewinnung von Bildfolgen schneller Veränderungen auf der Sonne, wie die Vorgänge in den aktiven Regionen, erfordern eine andere Technik und Ausrüstung.

Gleich am Anfang meiner H-alpha Fotografiererei fiel mir ein unangenehmer Effekt auf, der von einer Eigenschaft der in Digitalkameras verwendeten CCD/CMOS-Chips herrührt: Im scharfbandig roten Licht des H-alpha Filters können oft Interferenzstreifen erzeugt werden, die das Bild streifig machen. Dieser Effekt hängt offenbar ab von der Chipgröße der Kamera und auch von der effektiven Brennweite des Fernrohrsystems (Barlowverlängerung!).

Näheres im übernächsten Abschnitt.

Fotos der gesamten Sonne

Ich fing zunächst mit einer einfachen Webkamera an.

Die kleinen Chipflächen der Webkameras (ca. 3,5 x 2,7 mm ) bilden jedoch immer nur einen kleinen Teil der Sonnenscheibe ab, deren Bilddurchmesser bei der 500 mm Brennweite des LS60 bei ca. 4,6 mm Durchmesser liegt. Möchte man ohne weiteren Aufwand eine volles Sonnenbild aufnehmen, braucht man einen größeren Chip. Übliche Chipgrösse einer digitalen Spiegelreflex liegen bei 23,5 x 15,7 mm (Pentax istDS).

Das war auch der Grund für meine Entscheidung, doch noch eine CCD-Kamera mit 1/2

inch Chipdiagonale (6,3 x 4,76 mm Chipgrösse) anzuschaffen. Diese Grösse ermöglicht

dann, eine komplette Sonnenscheibe bei 500 mm Brennweite zu erfassen. Die Kamera ist eine sehr stabile CCD-Farbkamera der Bremer Firma „Imaging-Source“, die seit ein paar Jahren eine Reihe von Kameras für Amateurastronomen anbietet. Seit Juni 2010 habe ich mit der Kamera fotografiert und einige Erfahrung gesammelt. Dabei wurde mir bewußt, daß eine Farbabbildung bei Sonnenbeobachtungen eigentlich überflüssig ist. Abbildungen in einem scharfen Spektralband sind durchgehend „grün“ (Kontinuum) oder „rot“ (H-Alpha) und liefern keine Information, wie es bei der Planetenfotografie der Fall ist.

Ich hatte auch übersehen, daß ein Farb-CCD-Chip mit einer blau, grün und roten Filtermatrix über dem Pixelfeld versehen ist, wobei grüne Pixel doppelt so häufig sind wie die roten oder blauen. Ein Farb-CCD-Chip hat 1/4 der Empfindlichkeit und ca. 1/2 der Auflösung eines Chips im roten und blauen Bereich als ein Chip ohne diese „Bayer-Matrix“. Ein gleich großer Monochrom-Chip hat also eine höhere Empfindlichkeit und bessere Auflösung. Ich werde Farbkamera mal irgendwann für Planetenfotografie mit meinem C8 nutzen.Die Spezialkamera für die Sonne wurde dann eine monochrome CMOS-Kamera der Fa. Astro-Lumina, eine ALCCd5 mit großem 6,7 x 5,3 mm Chip.

Das folgende Bild zeigt ein Gesamtbild der Sonne vom 8.3..2011, mit nur wenigen Aktiven-Regionen, aber am rechten unteren Rand mittleres Flareereignis. Genau diese Gebiete reizen dann, Detailaufnahmen zu machen. Auch die Akive-Region in der oberen Mitte wäre ein Kandidat. Hier spielen sich die schnellen Veränderungen ab.


Detailaufnahmen mit längerer Brennweite


Ich habe in der Vergangenheit immer mal wieder Detailaufnahmen mit einer Barlow- Brennweitenverlängerung gemacht, mich aber über die altbekannten Interferenzstreifen geärgert. Die Methode des "Überstreifens" des Bildes bei stehender Nachführung funktioniert zwar ganz ordentlich, ist aber auch nur eine "Krücke". Schnellere Bildfolgen sind schwer möglich und die Bildfläche wird auch verringert, weil die Bildränder beim Stapeln wegfallen.

Da das ganze Interferenz-Problem bei den Deckgläsern der Bild-Chips liegt, habe ich mal im Netz recherchiert und bin auf eine Firma in Köln gestoßen, die Chip-Deckgläser entfernt und auch Spezialchips ohne Schutzgläser anbietet. (Wohl für optische Spezialanwendungen )
Aber das ist für Astroamateure auch keine Lösung, weil es keine Kameras mit diesen Chips gibt.
Dann fiel mir wieder ein, daß ich ganz zu Anfang meiner h-Alpha Fotografiererei eine Webcam mit kleinem Chip, 640x480 Pixel, benutzt hatte. Hier war der Interferenzeffekt nicht zu sehen. Ich hatte aber sehr bald die CMOS Kamera mit großem Chip (1280x1024) eingesetzt,
die bei Aufnahmen im Primärfokus, ohne Barlowlinse, geringe oder keine Streifungen hat. Sobald aber die Brennweite verlängert wird, geht die Streiferei los...
Es ist wohl so, daß bei großen Bildchips (DSLRs!) kleine Verkippungen des Strahlengangs, besonders bei langen Brennweiten, zu starken, internen Interferenzen zwischen Deckglas und Chipoberfläche führen.
Also habe ich mir nochmal die simple Webcam vorgenommen und einige Testaufnahmen, auch mit Barlow, gemacht: keine Streifen!
Da diese kleine Farbkamera für h-Alpha nicht so gut geeignet ist, S/W ist sinnvoller, habe ich mir das aktuelle Angebot an kleinen S/W Kameras einmal angesehen und bin  beim Stöbern in den Angeboten der Fa. Baader auf eine neue Kamera von Imaging-Source gestoßen.
Baader hat diese neue Kamera, DMK21AU618, ausführlich getestet und mit der älteren DMK21AUF04 verglichen. Beides sind Kameras mit 659x494 Pixeln. Ihre Empfindlichkeit im roten Spektralbereich ist ca. doppelt so hoch wie die der alten Kamera. Das trifft sicher auch auf die von mir genutzte ALCCD5 zu. Ein weiterer großer Vorteil ist die hohe Bildrate von bis zu 60/s! Das verringert bei Detailaufnahmen die Seeing-Probleme. Nachdem ich den Bericht bei Baader gelesen hatte stand für mich fest: Für Detailaufnahmen von Flares, Protuberanzen, Flecken... ist dies die ideale Kamera.
Sie ist eine perfekte Ergänzung zu der ALCCD, die auf einer Aufnahme die ganze Sonnenscheibe im bei 500 mm Brennweite abbildet, ich also keine "Mosaik-Fummelei" machen muß.
Bei den ersten Aufnahmen habe ich sofort die enorme Empfindlichkeit der Kamera gesehen (natürlich alles ohne Streifung!).
Bei Aunahmen der Oberfläche genügten 1/1000 - 1/3333 s  bei 60 Bildern/s!

Hier zwei Vergleichsaufnahmen, einmal mit der ALCCD5, die andere mit der DMK21AU618:

 

ALCCD auf 640x480 Pixel reduziertes Bild gewonnen mit 2xBarlow, 1/100 s, 7,5 fps, DMK2 2xBarlow, 1/2000 s , 60 fps 400 ausgewählte Bilder gestapelt von 1400 aufgenommene.


Beim genauen Vergleich der Fleckenaufnahme zeigen sich in der DMK-Aufnahme mehr Einzelheiten in den hellen Gebieten, was wahrscheinlich an der größeren Bildfrequenz und der kurzen Belichtungszeit liegt. Zum Zeitpunkt der Aufnahme war die Luftunruhe ziemlich groß.

 

Hier eine weitere Aufnahme vom 16.11.2013 bei relativ gutem Seeing. Jedoch ist in der linken unteren Ecke des Bildes eine Aufhellung (Vignettierung) zu erkennen, die nicht korrigiert wurde. Eine Verbesserung dieses Bildfehlers wird unten beschrieben.

Der Einsatz der DMK21AU618 hat sich seit einiger Zeit auch bewährt für die Erfassung von Bildsequenzen (Animationen) von Veränderungen in den Aktiven-Regionen im Zeitbereich von Minuten bis Stunden. So ist es zum Beispiel möglich die Entwicklung von Flares und explosiven Protuberanzen (Filamenten) zu verfolgen.

Dies war der Stand Mitte 2013. Der Wunsch nach höherer Auflösung der Detailbilder war durch die erzielten Ergebnisse gewachsen und ich stellte in der folgenden Zeit Überlegungen an, zum Aufbau eines gemeinsamen Teleskops für Fotografie im „Weisslicht“ Sonnenkontinuum und im Licht der H-Alpha Wasserstofflinie. Zu dieser Zeit war noch eine Kamera auf dem Markt erschienen, die besonders gut für diese Aufgabe geeignet schien. Es war eine Kamera mit einem etwas größeren CCD-Chip als dem der DMK21AU618, auch mit einem schnellen USB-3 Interface. (Die Kameradaten sind unten aufgeführt) Zusammen mit der Beschaffung eines kompakten ED-Refraktors (102 mm Öfffnung und 714 mm Brennweite) kam dann auch diese Kamera zum Einsatz und ist seither der Standard bei meiner Sonnenfotografie.

Es wurde in dieser Zeit auch ein Weg gefunden, die noch vereinzelt auftretenden Interferenzeffekte in der H-Alpha Fotografie zu unterdrücken. Ein generelles, weiteres Problem bei dieser Fotografie mit scharfbandigen Filtersystemen ist die nicht immer perfekte Kollimation des Lichtwegs im optisch/mechanischen Aufbau, d.h. das Lichtbündel trifft nicht immer perfekt senkrecht auf das Filterelement. Es entstehen Vignettierungen auf dem Bildfeld, zusätzlich zu einem Rest an Ringbildung im Kamerachip. Unschön sind natürlich auch die beinahe bei allen Astrofotos auftretenden Staubabbildungen auf den zahlreichen Optikoberflächen. All diese Abbildungsfehler können in einer geeigneten Nachverarbeitung beseitigt oder minimiert werden.

Beispiele von Bildfehlern in der H-Alpha Fotografie

Oben wurde bereits ein Bild ohne die Interferenzerscheinungen, aber mit einer leichten Vignettierung gezeigt.

Das folgende Beispiel stammt aus einer Bildserie vom 26. August 2018. Zunächst das Rohbild mit leichter Vignettierung und Interferenzen. (Diese Fehler machen sich in diesem Bild nur schwach erkennen)

Erst das „Flat“-Bild zeigt diese Fehler deutlich (in Falschfarben)

Das Flat ist in der Sonnenfotografie einfach zu gewinnen, indem man eine zerstreuende Folie (z.B. eine milchige Dokumentenhülle) vor die Teleskopöffnung hängt.

Eine kurze Videosequenz reicht dann für die Erzeugung eines „Flat-Fields“ mit dem Auswertungsprogramm (bei mir immer AVIStack). Das Flat, oben, wurde in dieser Weise erzeugt. Wichtig ist, daß das Flat unmittelbar vor oder nach dem eigentlichen Aufnahmevideo genommen wird, weil sich die Aufnahmebedingungen verändern können. (durch geometrische und thermische Einflüsse)

IDas Resultatbild ohne Flatfield sieht so aus:

Mit Anwendung des Flatfields und nach endgültiger Schärfung:

 

Die Anwendung eines Flaffields in der Weißlicht-Fotografie ist nur zur Entfernung von Staubfehlern, wenn sie denn auftreten, hilfreich.

Der Standardablauf einer Verarbeitung mit AVIStack und nachfolgender Verbesserung von Kontrast und Schärfe wird im Beitrag Bildbearbeitung beschrieben.