Als ich meine CCD-Kamera MX 916 von Starlight endlich in den Händen hielt und nach einigem Experimentieren auch die ersten Astro-Fotos hinbekommen habe, habe ich mich gefragt, wie lange man nach dem Einschalten der Kamera auf eine stabile Temperatur in der Kamera und damit auf ein konstantes Rauschen warten muß. Wenn die Kamera-Temperatur nämlich stabil ist, muß man nicht nach jeden Astro-Bild ein Dunkelbild aufnehemen (sofern man immer die gleiche Belichtungszeit benutzt), sondern man macht im Laufe eines Beobachtungsabends nur drei bis fünf solcher Dunkelbilder.
Besonders in wärmeren Sommernächten sollte durch die höhere Umgebungstemperatur der "Abtransport" der Wärme aus dem inneren der CCD-Kamera langsamer gehen.
Ich habe darum ein kleines Experiment aufgebaut: Die Kamera wurde (ausgeschaltet!) an den Computer mit der CCD-Software angeschlossen. Der Computer wurde hochgefahren und die Kamera-Software gestartet. Sofort nach dem Einschalten der Kamera wurde so schnell wie möglich damit begonnen, nacheinander viele 30-Sekunden-Bilder mit der abgedunkelten Kamera zu machen (Dunkelbilder). Dies macht die Kamera-Software von Starlight, einschließlich der Vergabe eines Dateinamens und dem Abspeichern der Bilder, automatisch. An der Uhrzeit der Bild-Datei kann man sehen, wann das Bild gemacht wurde.
Nun wurde für jedes Bild mit einer Bildbearbeitungssoftware das mittlere Rauschen bestimmt und mit Microsoft Excel zu einem Diagramm verarbeitet (Bild 1).
Bild 1: Rausch-Verlauf beim Einschalten der CCD-Kamera
Was einem sofort auffällt ist, dass das Rauschen nach dem Einschalten stark abfällt und dann mit fortschreitender Zeit wieder langsam ansteigt. Dieses Ergebnis ist eigentlich nicht befriedigend, da das mittlere Rauschen nach ca. 1 Stunde wieder genauso groß ist, wie direkt beim Einschalten der Kamera. Bei diesem Diagramm sollte man jedoch bedenken, dass es zum einen sehr warm im Raum war (26.3°C) und das die Luft im Raum stillstand (kein Wind). Es herrschten also ungünstigste Bedingungen!
Es stellt sich natürlich auch die Frage: Warum steigt die Temperatur wieder so stark an?
Beim Einschalten der Kamera sind sowohl die gesamte Elektronik, als auch das Kameragehäuse und die Kühlrippen noch nicht erwärmt. Nun wird eingeschaltet und das Peltierelement, welches die Kamera kühlt, beginnt sofort zu arbeiten. Da von der Elektronik noch keine Wärme entstanden ist, können das Peltierelement und die Kühlrippen die am Anfang die entstehende Wärme problemlos abführen. Das mittlere Rauschen sinkt. Nun produziert die Elektronik immer mehr Wärme. Diese Wärme muss aus dem Kameragehäuse heraus geführt werden. Diese kann bei der relativ hohen Umgebungstemperatur (26.3°C) nun nicht mehr schnell genug abgeführt werden. Die Folge davon ist, dass die Temperatur der Elektronik in der Kamera steigt und damit auch das mittlere Rauschen.
Dieser Effekt ist sicherlich nicht so stark, wenn die ganze Anlage in einer kühlen Herbstnacht oder in einer sehr kalten Winternacht mit etwas Wind draussen steht. Trotzdem wird sich der Effekt in einer warmen Sommernacht (ca. 15 bis 20°C) schon nachteilig bemerkbar machen.
Nächste Frage: Was kann man dagegen tun?
Ich habe mein Experiment nur minimal erweitert, indem ich nach 6000 Sekunden Laufzeit einen kleinen Ventilator eingeschaltet habe, der aus ca. 25 cm Abstand auf die Kamera geblasen hat. Das Ergebnis ist interessant (Bild 2):
Bild 2: Verhalten beim Einschalten des Ventilators
Das mittelere Rauschen geht innerhalb weniger Sekunden auf einen sehr geringen Wert zurück. Dies lässt den Schluss zu, dass es sinnvoll ist, in warmen und/oder absolut windstillen Nächten einen kleinen Ventilator aus die CCD-Kamera zu richten. Ausserdem ist aus dem Diagramm ersichtlich, dass bei einer schnellen Abführung der Wärme eine gute und einigermassen konstante Betriebstemperatur ca. 10 Minuten nach dem Einschalten erreicht werden kann.
Dies soll in einem weiteren Experiment geprüft werden, bei dem der Ventilator ab dem Einschalten der Kamera sofort mitläuft und die entstehende Wärme sofort wegführen kann (Bild 3).
Bild 3: Rauschen mit sofort eingeschaltetem Ventilator
Aus den Daten der Tabelle 3 kann man ersehen, dass die Kamera bereits nach ca. 10 Minuten Betriebszeit ein recht stabiles Rauschverhalten hat und somit auch für Astro-Fotografie einsatzbereit ist.
Eine weitere Sache kann man den den Rausch-Bildern aus den Experimenten ebenfalls noch untersuchen. Wenn in einem Astro-CCD-Bild ein möglichst gleichmäßiges Rauschen vorliegt, so kann man das Rauschen relativ einfach durch eine Subtraktion des entsprechenden Wertes von jedem Pixelwert des Bildes unterdrücken. Dies funktioniert jedoch nur dann ordentlich, wenn das Rauschen auf allen Pixeln einigermassen gleich ist. Wir wollen nun die Varianz der Rauschwerte in den Bildern berechnen. Wenn der Varianzwert gross ist, so bedeutet das, dass die Rauschwerte der einzelnen Pixel im Bild sehr unterschiedlich sind. Anders herum bedeutet keine kleine Varianz, das die Rauschwerte ziemlich gleich sind. Die Varianz der einzelnen Bilder ist in Bild 4 dargestellt.
Bild 4: Die Varianz der Bilder mit dem Rauschen
Wie man deutlich sehen kann, ist das Rauschen um so gleichmäßiger (d.h., die Varianz ist kleiner) auf dem Bild verteilt, je kälter die Kamera ist. Bei Bildern, die also mit einer "kalten" Kamera gemacht worden sind, lässt sich das Rauschen leichter "wegrechnen". Dies kann man auch in den Histogrammen sehen, die mit meinem Bildbearbeitungsprogramm entstanden sind. In Bild 5 ist das Astrobild vor dem Einschalten des Ventilators zu sehen (also ein "warmes" Bild). Bild 6 zeigt das dazugehörige Histogramm. Bild 7 zeigt dagen das letzte CCD-Bild nach Einschalten des Ventilators, also zu einem Zeitpunkt, als die Kamera schon wieder ordentlich abgekült war. Bild 8 stellt das entsprechende Histogramm dar.
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| Bild 5: Rauschen vor dem Einschalten des Ventilators | Bild 6: Histogramm der Rauschverteilung vor dem Einschalten des Ventilators |
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| Bild 7: Rauschen nach dem Einschalten des Ventilators | Bild 8: Histogramm der Rauschverteilung nach dem Einschalten des Ventilators |
Bei den obigen beiden Histogrammen ist zu erkennen, dass der Intensitätsbereich des Rauschens bei dem Bild mit der "kalten" Kamera wesentlich schmaler ist, als mit der "warmen" Kamera. Es ist bei Bildern, die mit einem zu warmen CCD-Chip aufgenommen wurden, schwieriger, das Rauschen durch eine einfache Subtraktion eines festen "Rausch-Wertes" vom jedem Pixelwert zu eliminieren.
Zusammenfassung: In warmen Nächten ist ein kleiner Ventilator als zusätzliche Kühlung der CCD-Kamera sicherlich angebracht. Man sollte den Ventilator aber NICHT am Kameragehäuse befestigen, da durch die Laufunruhe des Ventilators die Bilder leicht verwackelt werden können. Ein kleines Fotostativ, auf dem der Ventilator befestigt wird, tut hier gute Dienste. Ausserdem sollte der Ventilator nicht zu dicht an der Kamera stehen und nicht zu heftig blasen um Verwackelungen zu vermeiden.
Es soll noch angemerkt werden, dass alle Versuche mit der CDD-Kamera Starlight MX 916 durchgeführt wurden. Man sollte davon ausgehen, dass mit anderen CCD-Kameras auch unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden.