Blende, Verschlusszeit und ISO in der Astrofotografie

Die wohl wichtigste Grundlage in der Fotografie ist das Verständnis von Blende, Verschlusszeit und ISO. Denn diese drei Einstellungen beeinflussen nicht nur das Foto, sondern sich auch gegenseitig.

Blende

Die Blende beeinflusst direkt, wie viel Licht auf den Sensor trifft. Sie beeinflusst auch, wie groß der Schärfebereich ist. Das bedeutet, dass bei einer niedrigen Blendenzahl (Blende weit geöffnet) der Bereich, der scharf abgebildet wird, kleiner ist. Je höher die Blendenzahl, desto weiter schließt sich die Blende beim Auslösen, und es kommt weniger Licht auf den Sensor. Der Schärfebereich wird dafür größer.
Ist ein Bild zu hell, kann man dem durch Schließen der Blende entgegen wirken. Ist es zu dunkel, kann man die Blende weiter öffnen um so ein helleres Bild zu bekommen. Das kostet allerdings Schärfentiefe. 
In der Astrofotografie sind die Objekte allerdings so weit weg, dass wir uns um den Schärfebereich nicht kümmern müssen. Wir wollen allerdings so viel Licht wie möglich sammeln. Eine Eigenart der meisten Objektive ist es jedoch, dass die Bildqualität auf der kleinsten und der größten möglichen Blende nicht optimal ist. Darum wählen wir in der Regel die kleinste mögliche Blendenzahl und blenden dann ein oder zwei Schritte ab. 

Verschiedene Blendenöffnungen mit dazugehöriger Blendenzahl

Da es beim Teleskop keine verstellbare Blende gibt, spricht man dort vom Öffnungsverhältnis. Dieses ist aber mit der Blendenzahl vergleichbar. Das Öffnungsverhältnis errechnet sich, indem man die Brennweite des Teleskops durch den Öffnungsdurchmesser dividiert. Ein 10 Zoll Teleskop mit 1200mm Brennweite hätte also ein Öffnungsverhältnis von:

f/4,7 = \frac {1200mm}{254mm}

Verschlusszeit

Die Verschlusszeit steuert den Zeitraum, für den der Verschluss der Kamera beim Auslösen offen bleibt und beeinflusst somit die Zeit, für die das Licht auf den Sensor trifft. Eine niedrige Verschlusszeit bedeutet, dass der Verschluss sich sehr schnell wieder schließt und somit nur kurz Licht auf den Sensor trifft. Eine lange Verschlusszeit bedeutet, dass der Verschluss für eine längere Zeit offen bleibt und somit länger Licht auf den Sensor fällt. Das Bild wird dadurch heller, allerdings verschwimmen auch Motive, die sich bewegen. Will man schnelle Bewegungen einfrieren, benötigt man extrem kurze Verschlusszeiten. Das kann bei sehr großen Vergrößerungen schon bei Planeten der Fall sein, oder wenn die Luft stark flimmert. Eine lange Verschlusszeit würde dann dafür sorgen, dass das Motiv unscharf ist. Bei lichtschwachen Objekten wie Deep Sky Objekten allerdings wollen wir sehr viel Licht sammeln und lassen den Verschluss auch gerne mal mehrere Minuten lang offen. Fotografiert man ein Objekt am Himmel muss man dann allerdings die Erdrotation ausgleichen. 
Lange Verschlusszeiten bringen aber noch ein anderes Problem mit, und zwar die Wärmeentwicklung am Chip, das zu starkem Rauschen führt. Will man nicht durch eine sehr tiefgehende Operation an der Kamera eine Kühlung einbauen (einfach mal nach „Hypermod“ suchen), muss man das Rauschen anders bekämpfen. Das würde hier allerdings den Rahmen sprengen. 
Ohne eine Nachführung den Himmel zu fotografieren bringt die Verschlusszeit sehr schnell an ihre Grenzen, zumindest solange man Sterne und keine Strichspuren (dazu in einem späteren Abschnitt mehr) fotografieren will. Die Zeit, für die man den Verschluss offen halten kann, lässt sich groß über eine Formel für APS-C Sensoren berechnen: 

t_{max} = \frac {300}{F_O}

tmax: max. Verschlusszeit in Sekunden, FO: Brennweite des Objektivs in mm

Für Vollformatsensoren ergibt sich die folgende Formel: 

t_{max} = \frac {500}{F_O}

Bei einem APS-C Sensor (zum Beispiel Canon EOS 600D) und einem 18mm Objektiv ergibt das eine maximale Verschlusszeit von 16 Sekunden. Mit einem 8mm Fisheye Objektiv könnte man schon 37 Sekunden belichten. 
Diese Formel ist eine grobe Richtlinie und die Sterne würden schon Strichspuren ziehen. Allerdings gerade noch annehmbar. Wer es etwas genauer haben will, kann eine komplexere Formel benutzen, nämlich:

t_{max} = \frac {13713 × Px} { F_O × cos(δ)}

tmax: max. Verschlusszeit in Sekunden, Px: Pixelgröße der Kamera in mm, fO: Brennweite des Objektivs in mm, δ: Deklination des Sterns in rad (z. B. 45° = 0,7854 rad)
Mit einem 18mm Objektiv kommt man damit auf 4,63 Sekunden maximale Belichtungszeit.


ISO

Der ISO Wert wird fälschlicherweise noch als „Empfindlichkeit“ des Chips bezeichnet. Das ist jedoch grundlegend falsch, und auch mit dem alten „ASA“ Wert hat ISO nichts zu tun. Der ISO Wert bestimmt die Verstärkung des Signals an den einzelnen Pixeln, sozusagen dem „Gain“. Die Empfindlichkeit des Chips ist allerdings bei allen Einstellungen immer gleich. 
Möchte man eine kürzere Verschlusszeit wählen, benötigt man einen höheren ISO Wert, um ein Bild mit der selben Ausleuchtung zu bekommen. Verdoppelt man den ISO Wert, kann man die Belichtungszeit halbieren. Das ganze kommt aber mit einem entscheidenden Nachteil: Dem Rauschen. 
Je höher der ISO Wert ist, desto höher ist auch das Rauschen im Bild. Auch hier könnte man mit Kühlung oder anderen Methoden gegensteuern, allerdings gibt es gerade in der Astrofotografie einen Weg, der sich bewährt hat, das Stacken. Um bei den Grundlagen zu bleiben, halte ich es kurz, möglicherweise kommt dazu in einem späteren Abschnitt mehr. Kurz gesagt nimmt man statt nur einem sehr viele Bilder mit den selben Einstellungen auf und verrechnet diese mit einem bestimmten Algorithmus. Damit verbessert man signifikant das Signal-Rausch-Verhältnis und kann so das Rauschen effektiv bekämpfen. 

Das Einzelbild (links) ist stark verrauscht, normalerweise würde man ein solches Bild wohl nicht behalten. Addiert man jedoch viele Bilder vom selben Motiv wird das zufällig auftretende Rauschen im Gegensatz zu den fest stehenden Nutzdaten heraus gerechnet (mitte). Mit etwas Bearbeitung bekommt man dann ein sauberes Foto (rechts). 
Das bedeutet, dass wir, obwohl das Rauschen damit verstärkt wird, guten Gewissens auch hohe ISO Werte nutzen können, solange wir das Rauschen wieder herausrechnen. Gerade bei lichtschwachen Deep Sky Objekten sollte der ISO Wert etwas höher sein.

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