Bias, Flats, Darks, Darkflats

Die Kalibrierungsbilder Bias-, Dark-, Flat- und Darkflat-Frames

Bei der Astrofotografie entstehen durch Einflüsse der Kamera und des Equipments bei Einzelaufnahmen (Sub-Frames oder auch Light-Frames) oft mehrere sich überlagernde Störungen. Einige lassen sich durch zusätzliche Korrekturaufnahmen eliminieren. Wie dies für ein Sub-Frame mathematisch in der Software gelöst wird, zeigt die folgende Darstellung.

Schematische Darstellung zur Verwendung der Kalibrierbilder bei der Erstellung eines korrigierten Light-Frames am Beispiel des Cirrusnebels

Bias-Frame

Ein Bias-Frame ist die kürzest mögliche Belichtungszeit der Kamera, die meist im µs-Bereich liegt. Ein solcher Bias-Frame beinhaltet einen vom Hersteller und den vorher selbst eingestellten Offset-Wert (siehe Abschnitt ‚Grundlagen‘ - ‚Offset‘) und das Ausleserauschen. Ein Dunkelstrom tritt bei dieser kurzen Belichtungszeit nahezu nicht auf. Da der Offset-Wert fest eingestellt ist und nicht zum Objektsignal gehört, wird dieser Wert vom eigentlichen Signal wieder abgezogen. Das Ausleserauschen wird dabei nicht eliminiert.

Der Offset-Wert ist auch in allen anderen Kalibrierungsbildern enthalten. So beinhalten Dark- und Flat-Frames auch den Offset-Wert. Es ist darauf zu achten, dass dieser Wert bei der Kalibrierung nur einmal subtrahiert wird. Dieser Schritt wird über die Dark-Frames realisiert, wenn diese vom Sub-Frame abgezogen werden. Die Flat-Frames eignen sich dafür nicht, weil diese vom Sub-Frame dividiert werden.

Doch wozu wird die Bias-Aufnahme dann noch benötigt? Da auch jeder Flat-Frame den Offset-Wert beinhaltet, müssen diese vom Offset-Wert befreit werden, bevor sie zur Kalibrierung des Einzelbilds verwendet werden. Ansonsten hätten das Master-Flat-Frame und das Light-Frame nicht die gleiche Offset-Basis und die Kalibrierung würde misslingen.

Vorgehensweise zur Aufnahme von Bias-Frames:

• • Kürzeste Belichtungszeit im Softwareprogramm einstellen
  • Abdeckung auf Teleskop oder Kamera stecken – es darf keinerlei Licht auf den Chip gelangen
  • Die Aufnahmen müssen die gleiche ISO/Gain-Einstellung wie die Light- und Flat-Frames haben.
  • Die Chiptemperatur spielt für diese Aufnahmen keine Rolle, es schadet somit auch nicht, falls der Chip schon gekühlt ist.
  • 20 bis 50 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden

Die einzelnen Pixel zeigen nach dem Stretchen (Strecken der Tonwertkurve) die typischen unterschiedlichen Graustufen, die nur den Offset und das Ausleserauschen beinhalten. Der gemittelte Wert ist dann der Offset.

Dark-Frame

Dark-Frames werden erstellt, um den Dunkelstrom, das Sensorglühen sowie Hot- und Dead-Pixel aus dem Light- bzw. Sub-Frame zu entfernen. Dark-Frames werden vom Sub-Frame subtrahiert. Gleichzeitig werden die Sub-Frames dabei vom Offset-Wert befreit, da dieser in den Dark-Frames enthalten ist.

Hot-Pixel entstehen durch überspringen einzelner Elektronen von einem Pixel zum benachbarten Pixel und reagieren dabei überproportional auf die zusätzliche Energie. Sie leuchten dadurch rot, gelb oder auch mal grün oder blau im Endbild. (https://www.fotografiewissen.de/technik/allgemein/deadpixel-und-hotpixel/)

Bei Dead-Pixeln liegt ein technisches Problem vor, so dass es zu keinem oder einem dauerhaften Stromfluss kommt. Die Pixel sind dadurch entweder schwarz oder weiß (ausgebrannt). (https://www.fotografiewissen.de/technik/allgemein/deadpixel-und-hotpixel/)

Das Sensorglühen entsteht, weil nebengelagert Elektronik Wärmestrahlung im infraroten Bereich abgibt und die danebenliegenden Pixel darauf reagieren. (https://de.wikipedia.org/wiki/Sensorgl%C3%BChen)

180 s Dark-Frame (gestretcht (Strecken der Tonwertkurve) mit dem Programm PixInsight)

Vorgehensweise zur Aufnahme von Dark-Frames:

• • Abdeckung auf Teleskop oder Kamera stecken – es darf keinerlei Licht auf den Chip gelangen
  • Dark-Frames müssen unbedingt mit der gleichen Belichtungszeit, Chiptemperatur und ISO/Gain, wie die Sub-Frames aufgenommen werden
  • Bei ungekühlten Kameras ist es schwierig, die gleiche Chiptemperatur zu erreichen. Ein Verarbeiten solcher Dark-Frames sollte bei ungekühlten Kameras mit schwachem Sensorglühen nicht verwendet werden, da sie zu schlechteren Bildergebnissen führen.
  • 15 bis 30 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden

Wird eine gekühlte Kamera verwendet, kann eine Dark-Frame-Bibliothek mit verschiedenen Belichtungszeiten und ISO/Gain angelegt werden, die nur ab und zu aktualisiert werden muss. Dadurch entfällt das langwierige Aufnehmen zu jeder Aufnahmenacht.

Flat-Frame

Flat-Frames sollen Vignettierung und ungleichmäßige Bildausleuchtung durch Staub oder Schmutz im optischen System korrigieren. Zusätzlich kann die Auswertesoftware bei einer gleichmäßigen Ausleuchtung während der Flat-Frames erkennen, wie unterschiedlich empfindlich die Pixel auf Licht reagieren.

Eine Vignettierung entsteht meist, wenn mehrere Bauelemente in einem Strahlengang vorhanden sind und eines von ihnen den Bildrand beschneidet. Dadurch sind die Seitenränder des Bildes ist im Gegensatz zum Zentrum dunkler.

Vorgehensweise zur Aufnahme von Flat-Frames:

• • Die Kamera muss in der gleichen Position sein wie bei der Aufnahme der Light- bzw. Sub-Frames – ein Drehen der Kamera ist zu vermeiden.
  • Der Fokuspunkt sollte nahezu identisch mit dem Fokus der Einzelbildaufnahmen sein.
  • Es muss der gleiche ISO/Gain-Wert wie bei den Sub-Frames bzw. Dark-Frames eingestellt werden.
  • Die Chiptemperatur spielt bei kurz belichteten Flat-Frames eine untergeordnete Rolle. Bei länger belichteten Flat-Frames, also wenn eine langsame Optik vorliegt oder Schmalbandfilter verwendet werden, kommt aber wieder der Dunkelstrom ins Spiel. – Eine Kühlung ist dann von Vorteil. Für solche Flat-Frames ist es somit wichtig, dass nicht der Bias-Frame, der ja keinen Dunkelstrom beinhaltet, abgezogen wird, sondern ein Darkflat-Frame.
  • Für eine gleichmäßige Ausleuchtung empfiehlt sich eine Flatfieldmaske. Diese wird verkippungsfrei vor der Teleskopöffnung positioniert.
  • Die Belichtungszeit sollte so gewählt werden, dass im Aufnahmeprogramm der Berg der Histogrammkurve mittig bei 50 % liegt. – Das bedeutet, dass die Pixel alle eine mittlere Sättigung haben.
  • Manche Astro-Kameras haben Schwierigkeiten bei einer hellen homogenen Ausleuchtung nur 1 s zu belichten. Hier ist es hilfreich die Belichtungszeit zu erhöhen (z.B. auf 3 s) und die Beleuchtung durch die Flatfieldmaske zu reduzieren, so dass die Histogrammkurve wieder bei 50 % liegt.
  • 15 bis 30 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden

Darkflat-Frame (auch Flatdark-Frame)

Darkflat-Frames (oder auch Flatdark-Frames genannt) werden verwendet, um den Offset und den Dunkelstrom aus einem länger belichteten Flat-Frame zu entfernen. Prinzipiell bietet es sich immer an, diese Art von Kalibrierung anstelle der Bias-Frames zu verwenden, denn auch schon kurzbelichtete Flat-Frames von ca. 1 s können unter Umständen einen gewissen Dunkelstrom aufweisen.

Vorgehensweise zur Aufnahme von Darkflat-Frames:

• • Es wird exakt die gleiche Belichtungszeit wie bei den Flat-Frames verwendet.
  • Der ISO/Gain-Wert muss auch hier mit dem Sub- bzw. Flat-Frame übereinstimmen.
  • Die Chiptemperatur spielt so, wie bei den Flat-Frames eine untergeordnete Rolle, eine Kühlung ist hier aber wieder sehr vorteilhaft.
  • Anstelle der Flatfieldmaske, verschließt man das Teleskop wieder wie bei den Bias- und Dark-Frames.
  • 15 bis 30 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden