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Diskussionsforen Clavius-Region mit 5,6 µm bei f/20 | Mond und Planeten
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Jan_Fremerey Offline
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#576867 - 23/01/2009 13:26 Clavius-Region mit 5,6 µm bei f/20


Mag ja sein, dass diese Diskusssion inzwischen den einen oder anderen langweilt. Nun glaube ich aber doch noch einen Schritt weitergekommen zu sein – mit der „Forschung“.

Das hier gezeigte Bild von Clavius & Co. habe ich am 7. Dezember 2008 mit dem offenen FH 6“ f/20 Faltrefraktor – ohne optische Nachvergrößerung – und der DMK21 mit Astronomik Grünfilter bei 30 fps in unserem Garten am westlichen Stadtrand von Bonn aufgenommen. Gain und Belichtungszeit habe ich leider nicht notiert. Üblicherweise arbeite aber mit hohem Gain (~800), um kurze Belichtungszeiten zu haben. Ein Summenbild aus 128 von 1094 Frames wurde mittels AviStack gewonnen, die weitere Bildaufbereitung erfolgte – ohne Nachvergrößerung – in Fitswork und Picture Publisher.

Wie in letzter Zeit an verschiedenen anderen Stellen habe ich auch mit diesem Bild den "Zwischenverkleinerungstest" durchgeführt, den ich hier wieder in einem animierten Vergleich mit dem Originalbild zeige:



Im Gegensatz zu einem kürzlich durchgeführten Test zeigt das auf 50% zwischenverkleinerte Bild diesesmal eine deutliche Verschlechterung gegenüber dem Original.

Das sagt mir im Hinblick auf die vorausgegangenen Diskussionen zunächst einmal, dass ich in diesem Falle nicht ohne Verluste an Bildqualität mit der halben Brennweite hätte aufnehmen können.

Bei 5,6 µm Pixelweite liegen wir übrigens mit f/20 schon „auf der sicheren Seite“ des von Peter Müller angegebenen optimalen Bereichs, den er mit der Formel f/D = 3p/µm spezifiziert. Für die Pixelweite p = 5,6 µm ergibt sich nach dieser Formel die „optimale“ Blendenzahl f/D = 16,8.

Nun erwarte ich aber im Einklang mit der Formel, dass man mit 5,6 µm und f/20 eine vergleichbare Detailauflösung wie in meinem heutigen Beispiel auch mit größeren Teleskopen hinbekommen sollte – und natürlich eine entsprechende Bildverschlechterung im Zwischenverkleinerungstest. Das mit dem größeren Teleskop gewonnene Bild würde dann natürlich in einem größeren Maßstab – bei 12“ also doppelt so groß – erscheinen und bei gleicher Detailzeichnung entsprechend kleinere Objekte auf den Oberflächen von Mond und Planeten zeigen.

Wenn eine vergleichbare Qualität nicht erreicht wird, dann mag das daran liegen, dass bereits die Rohbilder aus den Aufnahmevideos – möglicherweise bedingt durch zu lange Belichtungszeiten – nicht die erforderliche Qualität aufweisen. Es kann aber gewiss – zumindest anteilsweise – auch an der Bildbearbeitungsmethode liegen.

Einen Hinweis auf den Zusammenhang mit der Bildbearbeitung scheint mir das Auftreten von bereits an anderer Stelle angesprochenen "Strickmuster"-Artefakten zu geben. Auch das zwischenverkleinerte Bild in der Animation zeigt nämlich diese typischen Strickmuster. Sie treten interessanterweise bevorzugt in relativ „flachen“ Geländerregionen auf und täuschen dort andeutungsweise die Existenz von Kratern vor. Auch an anderen Stellen des Bildes kann man ähnlche Muster erkennen, die die im Originalbild vorhandenen feineren Strukturen überdecken.

Mein Fazit: Bei der Bildbearbeitung sollte man sorgfältig auf die Vermeidung von Strickmusterartefakten achten. Das heißt insbesondere, dass man mit dem Einsatz von Wavelets sehr vorsichtig sein sollte, weil diese nämlich genau darauf angelegt sind, periodische Strukturen hervorzuheben bzw. zu erzeugen.

In der Hoffnung, dass dieser Beitrag nicht nur zur Verwirrung beiträgt ...

Gruß, Jan


Bearbeitet von Jan_Fremerey (23/01/2009 13:41)

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Jan_Fremerey Offline
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#577202 - 24/01/2009 13:09 Re: Clavius-Region mit 5,6 µm bei f/20 [Re: Jan_Fremerey]


... Inzwischen habe ich den 50%-Zwischenverkleinerungstest – nachfolgend kurz „50%-Test“ – auf eine Reihe von Mondaufnahmen angewendet, die von namhaften Autoren mit größeren Teleskopen, d.h. mit 10“ und größer, aus DMK-Videos gewonnen wurden. Bisher habe ich kein Bild gefunden, bei welchem der 50%-Test einen erkennbaren Qualitätsabfall bewirkt hätte, so wie er in meiner oben gezeigten Animation deutlich wird.

Klar - die größeren Bilder zeigen zwar durchweg kleinere Objekte und Einzelheiten, aber eine mit meinem Originalbild vergleichbare Detailschärfe der Abbildung wird an keiner Stelle erreicht.

Das hat mir sehr zu denken gegeben, und ich bin zu folgender einfacher Schlussfolgerung gekommen:

Wenn man von einem größeren Teleskop höher aufgelöste Bilder erwartet, dann muss man auch dafür sorgen, dass die Luftunruhe entsprechend verringert wird. Das heißt aber nichts anderes, als dass man mit dem größeren Teleskop bei gegebener Luftunruhe kürzer belichten muss.

Aus der klassischen Fotografie ist ja bekannt, dass man bei gleichbleibender Objekthelligkeit und verkürzter Belichtungszeit eine größere Blende wählt.

Wenn ich diese Erkenntnis sinngemäß auf die hier diskutierte teleskopische Aufnahmetechnik übertrage, dann schließe ich daraus, dass man bei gegebener Luftunruhe mit einem 12“-Teleskop nur dann die mit dem 6“-Teleskop bei f/20 erzielte Detailauflösung erreichen kann, wenn man bei der halben Belichtungszeit um eine Blendenstufe, d.h. in diesem Beispiel auf f/14 „aufblendet“.

Wer stattdessen bei f/30 arbeitet, muss mehr als viermal so lange belichten. Ich kann mir einfach nicht vorstellen, dass man auf diese Weise die Luftunruhe in den Griff bekommt. Wenn mit solchen überlangen Belichtungszeiten trotzdem gute Bilder zustandekommen, dann muss das Seeing schon so perfekt gewesen sein, wie man es hierzulande kaum erlebt.

Vielleicht kann ja der eine oder andere Betreiber eines größeren Teleskops über eigene Erfahrungen bei der Aufnahme mit kürzeren Belichtungszeiten berichten? Vielleicht gibt es gravierende Argumente und/oder handfeste Ergebnisse, die gegen die oben geschilderte Sichtweise sprechen? Vielleicht opfert jemand seine Zeit, um es selbst einmal auszuprobieren?

Gruß, Jan

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Unigraph Offline
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#577257 - 24/01/2009 15:19 Re: Clavius-Region mit 5,6 µm bei f/20 [Re: Jan_Fremerey]


Hallo Jan,

aus Erfahrung zu diesem Thema denke ich, dass der Vorteil von größeren Teleskopen einfach in der Möglichkeit liegt, "näher ranzukommen" bei gleicher Belichtungszeit verglichen mit einem kleineren Instrument. Damit werden die winzigen Details auf eine größere Fläche gebracht und werden damit deutlicher sichtbar. Dein Clavius z.B. zeigt zwar auch andeutungsweise den kleinen Test-Doppelkrater (siehe Thread von Dietmar) unterhalb der ineinanderliegenden Kraterdreiergruppe. Mit einem größeren Instrument lässt sich jedoch dieser Doppelkrater deutlich und mit Abstand trennen. Das hat logischerweise was mit Beugung zu tun aber nicht nur. Der Abbildungsmaßstab ist auch wichtig. Das man da allerdings an eine Grenze stößt dürfte auch klar sein.

Aus einem Jahr Mondbeobachtung mit dem 16 Zöller bei regelmäßig bescheidenen Bedingungen kann ich die große Überlegenheit gegenüber dem 150 und 225mm Objektiv am Mond und auch an der Weißlichtsonne deutlich an den Bildergebnissen nachweisen. Praktische Ergebnisse sind m.M.n. für uns die besten Argumente. Dies bedeutet für uns eigentlich nur eines: Bildermachen, Bildermachen, Bildermachen.
Zukunft: Der nächste Schritt den die Amateure machen werden, wird mit der Einführung adaptiver Techniken (wie die Profis - siehe letzte SuW) sein. Damit ist bei mäßiger Luft nur noch die Größe der Optik entscheident wieviel Details man sehen kann. Auf diese Zeiten freue ich mich. Hoffentlich dauert es nicht mehr allzulange.

cs Harald
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peterm Offline
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#577441 - 25/01/2009 10:55 Re: Clavius-Region mit 5,6 µm bei f/20 [Re: Unigraph]


Hallo zusammen,

natürlich stimme ich Dir, Harald, zu, daß größere Öffnung auch bessere Auflösung mit sich bringt. Jan hat aber auf das Öffnungsverhältnis hingewiesen und nach Bildern gefragt, die mit größerer Öffung gemacht wurden, möglichst auch mit f/20. Jan hat mit seiner Aufnahme sicher schon das Auflösungslimit für sei Instrument erreicht. Ich habe mir mal wieder erlaubt, sein Bild hoch zu skalieren (Faktor 1.75) und etwas zu entrauschen, allerdings mit den GIF Bildern, was sicherlich Qualitätseinbußen mit sich zieht.



Wenn Jan eine Barlowlinse mit 1.75x einsetzen würde, käme er vielleicht auf dieses Ergebnis, wenn die atmosphärischen Bedingungen es zuließen.

Bei der angesprochenen Anwendung von Adaptiver Optik (AO) am Teleskop bin ich bei Mondaufnahmen eher skeptisch. Ich kenne allerdings die Artikel in SuW nicht. Die Anwendung von AO geht meines Erachtens nur dann gut, wenn der Ausschnitt sehr klein ist, was ja bei Detailausschnitten von Mond vielleicht noch gut geht. Die Atmosphäre bringt den Mond zum Wabbern, da werden Krater gegeneinander durch die Luftunruhe verschoben, das kann ein Hardware-AO nach meinem Ermessen nicht korregieren.
AO kann man auch mit Software realisieren, das prominente Programm dazu heißt AVIstack, das kann dann auch partielle Luftunruhen korregieren. Das setzt aber voraus, daß das Seeing eingefroren wird, also KURZE Belichtungszeiten sind damit unerlässlich. Das wiederum wird durch ein kleines Öffungsverhältnis erreicht.

Auch wenn es die Händler nicht gerne hören: Mit immer besserer und ausgefuchst werdender Software werden die Qualitätsansprüche ans Teleskop immer geringer. Optische Fehler lassen sich nämlich herausrechnen. Das gilt auch für den Deep Space Bereich. Auch hier lassen sich Unschärfen und Einflüsse durchs Seeing usw. weitgehend mit Software weitgehend eliminieren. Leider zeigen die Leute nur ihr Endresultat und nicht das Rohbild dazu.

Peter
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peterm Offline
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#577498 - 25/01/2009 13:19 Nikolaustest [Re: peterm]


noch ein kleiner Nachtrag:
Ich habe Anfang Dezember 2008 einen "Trockentest" mit meiner neuen Watec 120N+ gemacht. Ich bin bis heute nicht dazu gekommen, einen vernünftigen und guten Test am Teleskop zu machen.
An diesem Beispiel will ich demonstrieren, was eine vergleichweise einfach Software zu leisten in der Lage ist. Ich habe einen "unsharp masking" Algorithmus programmiert, der mit wenigen Parametern zu steuern ist und trotzdem brauchbare Ergebnisse liefert. Hier geht es zum Nikolaustest.

Peter
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Unigraph Offline
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#577534 - 25/01/2009 15:38 Re: Nikolaustest [Re: peterm]


Hallo Jan, Peter,

Hier der Direktlink auf die drei "Claviusse" mit f20.
Ich versuche gerade noch die Avis zu finden, bei denen ich mit rund f30 aufgenommen habe. Vielleicht finde ich noch ein Ergebnis welches ich noch nicht veröffentlicht habe. Dies werde es hier dann zum Vergleich posten.

http://www.unigraph.de/images/mond/m20080726-065736clavius.jpg

http://www.unigraph.de/images/mond/m20081207_18-33-57clav.jpg

http://www.unigraph.de/images/mond/m20080919-034520claviuscdn.jpg


cs Harald

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TorstenHansen Offline
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#577538 - 25/01/2009 15:59 Re: Nikolaustest [Re: Unigraph]


Hallo Jan, Peter, Harald,

interessant!
Zum Vergleich; ich habe am 26.07.08 ebenfalls auf Clavius gehalten. Die Blende war fast f/20.





Und noch ein Link zu einer größeren Version: Clavius 880x770


Grüße
Torsten


Bearbeitet von TorstenHansen (25/01/2009 16:47)

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peterm Offline
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#577561 - 25/01/2009 17:04 Re: Nikolaustest [Re: Unigraph]


Hallo Harald,

danke! Genau das haben wir gesucht. Ich habe die Animation jetzt zugunsten des statischen Bilds auf Deinen Clavius gedreht und nur in der gezoomten Originalauflösung eingestellt (muss man vielleicht noch durch "reload" aktualisieren). Die beiden Bilder sind ja fast zur selben Mondphase aufgenommen und somit direkt vergleichbar in ihrem Auflösungsverhalten.
So kann man sich jetzt ein Bild machen.

Peter
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Jan_Fremerey Offline
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#577627 - 25/01/2009 20:17 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: peterm]


Hallo Peter, Harald und Torsten,

die zeitlichen Übereinstimmungen zwischen den Aufnahmen von Harald und denen von Torsten und mir sind ja gut getroffen. Meine Aufnahme vom 7.12.08 entstand vier Stunden nach der entsprechenden von Harald. Wie zu erwarten sieht man deutlich die Vorzüge der größeren Optiken, wobei der 8“ Newton von Torsten wiederum ein für die Öffnung erstaunlich gutes Ergebnis liefert.

Mit der Bemerkung von Peter, dass wir nun schon da sind, wo wir hin wollen, bin ich allerdings nicht ganz einverstanden.

Mich würde doch gerade interessieren, ob die von Harald und Torsten betriebenen Optiken nicht bei kürzeren als den von ihnen üblicherweise verwendeten Belichtungszeiten noch bessere Ergebnise liefern. Daher hatte ich f/14 mit halber Belichtungszeit vorgeschlagen und erwarte damit eine erkennbare Reduzierung des Effekts der Luftunruhe und eine entsprechende Verbesserung der Detailzeichnung.

Gewiss würde der Abbildungsmaßstab zunächst um den Faktor 1,4 kleiner ausfallen. Dies ließe sich aber nach meiner Erfahrung ohne erkennbare Verluste auf dem Wege der Nachvergrößerung ausgleichen – siehe hier.

Am instruktivsten wäre natürlich eine Serie – z.B. bei f/20, f/14 und f/10 – mit demselben Teleskop an einem Abend. Die Videos sollten alle bei höchstem Gain und kürzestmöglicher Belichtungszeit aufgenommen werden, damit man anschließend einen vernünftigen Vergleich vornehmen kann.

Ich würde mich sehr freuen, wenn Euch Eure Neugier zu einer solchen - möglicherweise sogar erfolggekrönten - Forschungsaufgabe motivieren kann ...

Gruß, Jan


Bearbeitet von Jan_Fremerey (25/01/2009 20:55)

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Unigraph Offline
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#577651 - 25/01/2009 21:23 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Jan_Fremerey]


Hallo,

Jan: der Forschungsaufgabe werde ich gern nachkommen.
Allerdings habe ich nur die Möglichkeit zwischen einer 3fach Barlow und 5fach Barlow zu vergleichen. das wären etwa 6 und 10m.

Thorsten:
Heute Nacht bekommt den Liebling (Saturn) gegen 2:Uhr von mir Besuch. Wenn das Seeing mitspielt werde ich oben genannte Optiken einsetzen. Deine Saturnbilder sind für die 20cm Öffnung wirklich hervorragend. Da wird es schwer werden diese zu toppen, vor allem weil auf der Kugel immer so wenig los ist, sodass es nicht so sehr auf die Auflösung drauf ankommt.

Peter:
-Dein Nikolausvergleich lässt einiges hoffen, wobei man natürlich immer sehr vorsichtig sein muss. Ein Nikolaus ist eben kein Mond oder Saturn. Wie die Beseitigung von Bildfehler durch einen EBV Abzug wirkt kann ich momentan nicht so richtig einschätzen, weil ich damit nicht sehr vertraut bin. Angenommen ich ziehe EBV mäßig die Striche deiner Cam ab, was bleibt denn da an der Stelle stehen (alles schwarz)? Bei einem Darkfieldabzug wird das Bild insgesamt dunkler und kontrastreicher.

-Ich habe mir mal den Clavius vom UGS Programm angeschaut. Also wenn ich da die Glätte der Oberfläche sehe und das was wir Erdlinge auf unseren Bildern hervorzaubern kommen mir echt bedenken hinsichtlich der kleinsten Strukturen. Ich glaube mittlerweile, dass man zwar Schärfen sollte aber eine EBV Glättung sich verbietet, wenn man kleinstes Detail sichtbar machen oder erhalten will. Klar, das Bild wird dann vielleicht nicht so ästhetisch aussehen und mit vielen Artefakten behaftet sein, aber ein glattgerechnetes Bild ist mir suspekter als ein mäßig körniges Bild.

-Was bei einer EBV Bruchteilsvergrößerung auf beispielsweise 125% mit den Pixeln passiert ist mir momentan auch ein Rätsel. Dazu kommen noch die Optionen in PS (ich glaube es gibt da drei Stück)

cs Harald
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peterm Offline
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#577674 - 25/01/2009 22:45 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Unigraph]


Hallo Harald,

Strukturen, die durch das Auslesen der Kamera entstehen, lassen sich mit einem "Dark" abziehen. Strukturen, die durch Abbildungsfehler entstehen, lassen sich durch Division mit einem "Flat" beheben. Das sind eigentlich Bearbeitungsschritte aus dem Nachbar-Thread "Deep Sky", das ist dort eine übliche vorgehensweise.
Ich habe noch kein Dark von meinem Nikolausbilder abgezogen, sollte ich vielleicht mal machen, das habe ich bislang verdrängt. Ich denke, daß die Linien durch das Dark verschwinden, ansonsten muß ein Flat mit diesen Strukturen erzeugt werden.

Leider ist es so, daß sich das Rauschen im Bild vergrößert, wenn man das Bild schärft (Entropieerhaltung), das ist der Preis. Da muß man manchmal einen Kompromiss eingehen und vielleicht ein bisschen glätten, das ist aber Geschmacksache.

"Entrauscht" habe ich mit einem "despeckle"-Verfahren, das unschärft das Bild kaum oder gar nicht, nimmt damit auch keine Strukturen heraus. Am besten kontrolliert man das Ergebnis immer durch Subtraktion beider Bilder (Residuen) und schaut, was übrigbleibt.

Vielleicht mache ich demnächst mal ein Beispiel, wie eine Interpolation zwischen den Pixeln funktioniert.

Im Prinzip gibt es aber keinen Unterschied in der Datenverarbeitung zwischen dem Nikolausbild und einem Mondbild. Bild ist Bild.

@Jan: Natürlich sind wir noch nicht fertig. Aussteht auch noch eine Rückrechnung von Haralds Bild auf Deine Auflösung. Das bedeutet aber: "Verschmieren" von Haralds Bild auf 6 Zoll Auflösung und Retabulierung auf Jans Grid. Das kann ich gerne machen, dazu brauch ich aber die FITS Bilder.

Peter


Bearbeitet von peterm (25/01/2009 22:49)
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Jan_Fremerey Offline
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#577749 - 26/01/2009 10:16 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Unigraph]


Hallo Harald und Peter,

Harald: 6 m entsprechen ja bei Dir etwa f/15. Das ermöglicht schon einmal die halbe Belichtungszeit gegenüber den üblichen 8 m, und etwa 1/3 gegenüber 10 m Brennweite.

An Saturn mit seinen im Vergleich zum Mond recht schwachen Kontrasten erwarte ich allerdings noch keine deutlich erkennbare Verbesserung der Detailzeichnung. Immerhin könnte sich aber beim Vergleich mit 10 m schon eine Verminderung des Einflusses der Luftunruhe zeigen. Das hängt natürlich in hohem Maße vom Seeing ab.

Wir sind uns wohl darüber einig, dass die Brennweitenverkürzung bei wirklich perfektem Seeing keinen Vorteil bringt, und dass es im Endeffekt darauf ankommt, die Brennweite bzw. Belichtungszeit dem jeweiligen Seeing optimal anzupassen.

Vielen Dank – jedenfalls – für Deine Experimentierbereitschaft! In Ermangelung eines größeren Teleskops kann ich mich gegenwärtig leider nicht selbst an solchen Versuchen beteiligen, aber ich würde mich freuen, wenn wir gemeinsam zu einer noch konsequenteren Ausnutzung der Möglichkeiten beitragen könnten, die sich aus der modernen Videoastronomie ergeben.

Peter: Habe Dir inzwischen die FIT-Datei gemailt und bin gespannt auf Deine Ergebnisse.

Gruß, Jan

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Luckilucki Offline
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#581577 - 06/02/2009 20:38 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Jan_Fremerey]


Hallo zusammen,

ich darf an dieser Stelle vielleicht anmerken, daß die Möglichkeiten eine gute Auflösung zu erhalten keineswegs mit dem Durchmesser der Optik oder dem Öffnungsverhältnis zu tun haben.

Es ist schlicht eine Betrachtung, mit welchem Sampling ich meine Seeing-Disk optimal auf dem Chip abbilde und das Sampling-Theorem nach Shannon erfüllen kann. Daher hängt der Erfolg ausschließlich vom Durchmesser der Seeing-Disk, der Pixelgröße und folglich, wenn wir das Sampling-Theorem anwenden, ausschließlich von der Brennweite des Teleskops ab.

Die Öffnung (=Durchmesser) des Teleskops wird zwar immer wieder ins Feld geführt, ist an dieser Stelle jedoch tatsächlich irrelevant.

Leider muss man immer wieder aufs Neue mit diesem alten Mythos der Astrophotografie aufräumen. Denn selbst die Großteleskope werden nach diesem Kriterium auf den Detektor angepasst. Man darf sich nicht darüber hinwegtäuschen lassen, daß diese Teleskope von Natur aus andere Durchmesser besitzen. Die Brennweite wird mittels Fokalreduktor optimal auf die Pixelgröße der Mega CCD Detektoren der Neuzeit angepasst.

So ist es kaum verwunderlich, daß man das 4m KPNO Teleskop mit aktiver Optik so angepasst hat, daß es bei 0,5" mit 3-4 Pixel abbildet, denn dieses Teleskop arbeitet dank aktiver Optik kontinuierlich bei 0,6"-0,5" Seeing in Ausnahmefällen darf man mit besseren Werten rechnen, was man als "Luft nach unten" einkalkulierte. Die Detektoren der Megakameras haben dabei Pixelgrößen um die 15-25mu, was die längeren Brennweiten erklärt. Der Fokalreduktor des Observatorium Hoher List geriet gelegentlich in einen Arbeitsbereich, in dem das CCD, mit dem er in den Neunzigern eingesetzt wurde, punktscharf abbildete. Das damalige Astromed CCD mit 25 mu Pixelgröße war nun für 2" Seeing optimal angepasst. Entgegen der landläufgen Meinung tritt jedoch am Hohen List gelegentlich eine Situation ein, bei der das Seeing durchaus mal bei unter 0.2" liegen kann (Im Einzelfall konnte ich mit Speckle Interferometrie sogar zufällig beugungstheoretische Auflösung auf einigen Aufnahmen nachweisen und einen Doppelstern mit 0.2" klar auf einigen CCD-Aufnahmen trennen). Bei systematischen Sichtungen meiner früheren Aufnahmen, war Undersampling mit 1" fast schon der Regelfall (Großteleskop nutzen also hervorragend die statistische Möglichkeit doch mal ein besseres Seeing zu finden).

Im Falle von Undersampling, wenn also die Seeing-Disk unter der Pixelgröße liegt, kann jedoch keine Auflösung mehr gewonnen werden und selbst die Genauigkeit bei der Ermittlung der Position eines Sterns auf dem CCD durch welche Methode auch immer wird versagen.

Bei Oversampling sinkt der Signal-Rauschabstand unverhältnismäßig, so daß wir mit erheblich längeren Brennweiten tatsächlich auch nichts gewinnen und die Belichtungszeiten ebenso unverhältnismäßig steigen (obwohl mancher Astrometriker der Neuzeit noch feste daran glaubt). An dieser Stelle hat Herr Fremerey Recht.

Für Amateurteleskope und einem angenommen Seeing zwischen 1" und 2" - ich setze jetzt eine überdurchschnittliche, photografisch optimierte Optik, wie beim Vixen VC200L voraus, liegt somit eine magische Brennweite bei 1 Meter mit einer modernen Digitalkamera bei 5mu Pixelgröße. Oversampling bringt genauso wenig, wie Undersampling. Im ersteren Fall steigt die Belichtungszeit, im zweiteren Fall wird irgendwann die verfügbare Subpixel-Information zusammenbrechen und die erhoffte Auflösungssteigerung bleibt aus.

Wie gesagt, es hängt dies nicht mit dem Teleskopdurchmesser zusammen. Es ist nur abhängig von der Teleskopbrennweite und der Pixelgröße bei gegebenem Seeing.

Übrigens darf man davon ausgehen, daß bei gutem SNR Pixelpositionen der Sterne seit mindestens 13 Jahren mit Genauigkeiten um 1/100 Pixel bestimmt werden können. Vorausgesetzt, das Sampling ist annähernd erfüllt (beim Hubble wird leider undersampled und es gibt einige Arbeiten, die damit verbundene Schwierigkeiten zeigen). Neuerdings darf man davon ausgehen, daß die 1/1000 Pixelmarke geknackt werden kann (die Vorarbeit entstand mit einem Amateurteleskop). Diese Arbeit ist Gegenstand aktueller Forschung und wird von mir eben auf einer Tagung eingereicht. Ich gehe neuerdings davon aus, daß man zeigen wird, daß man auch im Subpixelbereich noch Auflösung erhalten kann - vorausgesetzt, man hält obigen Grenzwerte bei der Adaption der Optik auf den CCD- oder CMOS-Chip ein.

Das Whittaker-Shannon Sampling-Theorem liefert jedem Astrofotografen das Optimum, sein Teleskop auf die Kamera abzustimmen. Es ist nicht abhängig vom Durchmesser der Optik.

Gruß

Thilo Bauer


Bearbeitet von Luckilucki (06/02/2009 21:11)

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leo Offline
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#581658 - 07/02/2009 00:49 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Luckilucki]


Hallo Thilo,

Willkommen hier im Forum!

sehr interessant, habe Deine Beiträge schon im Jülich Forum mit grossem Interesse verfolgt.

Antwort auf:
liegt somit eine magische Brennweite bei 1 Meter mit einer modernen Digitalkamera bei 5mu Pixelgröße


Du meinst bestimmt keine moderne Digitalkamera mit Bayer Matrix, sondern eine S/W CCD mit 5µm Pixelgrösse, richtig?

Viele Grüsse Leo
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Luckilucki Offline
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#581706 - 07/02/2009 10:30 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: leo]


Im Prinzip trifft das bis auf den Faktor zwei auf beide Varianten zu, monochromer Sensor bzw. Farb-Sensor. Gleich ob CCD, CMOS, die Technologie ist dabei gleichgültig, denn es hängt von der Geometrie des Bildsensors ab (für Foveon-Sensoren müsste man theoretisch andere Optiken benutzen).

Die optimale Anpassung wäre die, bei der die beugungstheoretische Figur (Airy-Disk) auf 2 Pixel gesampled wird. Dann ergibt sich tatsächlich eine Abhängigkeit vom Öffnungsverhältnis der Optik, also dem Verhältnis zwischen Durchmesser und Brennweite. Für 9mu eines Kodak KAF-400 CCDs liegt das beispielsweise bei etwa f/30. Für einen 5mu Sensor entsprechend bei f/15. Soweit die Theorie beugungsbegrenzter Abbildung und des Sampling.

Wir sehen jedoch die Beugungsfigur im Idealfall auch mit Teleskopen größeren Durchmessers nicht wirklich. Finden stattdessen die Bildbewegung des statistischen Seeing-Effekts bei Langbelichtungen (Image-Motion) und eine zerstörte Beugungsfigur. Bereits mit Belichtungszeiten im Sekundenbereich verschwindet dann die Speckle-Feinstruktur und wir haben nur noch einen verwaschenen Klecks vor uns - der Langzeitbelichtungsfall. Selbst mit kürzeren Videobelichtungszeiten in der Planetenphotografie sehen wir aber auch schon ein aufgeweitetes Bild.

Der Verbesserungsansatz der Planetenphotografie besteht nun eigentlich darin, die Bildbewegung auszugleichen durch Stacken von vielen Kurzbelichtungen. Anschließend wird ein Hochpassfilter oder eine Bildentfaltung durchgeführt (was aber einerlei ist). Im Prinzip ein moderater Ansatz von Superresolution, der lange noch nicht ausgereizt ist.

5mu Pixelgröße entsprechen fast genau einem Winkel 1" (eine Bogensekunde) bei 1m Brennweite. Daher ist das Sampling-Theorem bei 2" Seeing gut erfüllt. Wir haben also bei Brennweiten zwischen 1m und 2m Ideale Bedingungen für CCDs mit solch kleinen Pixeln.

Eine RGB CMOS Kamera hat jedoch effektiv nur die halbe angegebene Auflösung, daher muss ihr Detektor in jeder Farbe wie ein 10mu Sensor mit einem irgendwie gearteten Gap zwischen den Pixeln angenommen werden. Sie benötigt daher eigentlich die doppelte Brennweite. Hier ist 1m Brennweite also schon grenzwertig. Doch das ist reine Theorie. Da optische Restfehler meist vorhanden sind, zudem die Chips mit einem optischen Tiefpass selbst für eine Aufweitung durch Streuung vor dem Sensor sorgen, würde ich mir bei einem Teleskop im Bereich 8-12 Zoll keine Gedanken machen und 1,5-2m Brennweite wählen, selbst im Falle hoher astrometrischer Genauigkeit. Zudem konnte man inzwischen Nachweisen, daß offenbar sogar elektronische Effekte im Chip (Diffusion der Photoelektronen) das Bild verschmieren. Das alles kommt mir also entgegen, wenn ich über ein optimales Signal-zu-Rauschverhältnis nachdenke. Auf der statistisch sichereren Seite wäre man bei 10mu mit Brennweiten um 3m. Dann aber sind die Belichtungszeiten schon deutlich erhöht.

Übertrieben große Brennweiten schaden bei Anwendung von digitalen Bildsensoren jedoch mehr, als sie nutzen. Das gleiche erreiche ich mit Verfahren, wie dem bekannten Drizzle bei reduzierten Brennweiten und nutze dabei ein besseren Signal-Rauschabstand, erzeuge eine höhere Bildauflösung künstlich. Das Verfahren selbst verschiebt übrigens die Rauschstatistik auch ein wenig zu meinen Gunsten. Das sollte man genauer jedoch in der Originalarbeit von Fruchter und Hook nachlesen.

Einfach mal bei scholar.google.de nach "Drizzle", "Fruchter" und "Hook" suchen.

Gruß

Thilo Bauer

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leo Offline
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#581717 - 07/02/2009 11:05 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Luckilucki]


Hallo Thilo,

Danke für Deine ausführliche Antwort super

Grüsse Leo
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Luckilucki Offline
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#581772 - 07/02/2009 13:48 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: leo]


Die Grenzen der erzielbaren Auflösung und künftige Auflösungssteigerung in der Planetenfotografie werden nicht in der Physik der Teleskopoptik zu suchen sein, und auch nicht in der Größe des nächsten Space Teleskops. Es wird in den Softwareverfahren liegen. Das will ich mal prophezeihen.

Praktisch haben die Amateure das bereits im Ansatz aufgezeigt.

Ich würde mein Augenmerk darauf richten, verschiedene Resultate unabhängiger Beobachter dahingehend zu vergleichen, wie plausibel die dargestellten Details auf ultra-hochaufgelösten Bildern sind. Dabei darf ruhig darüber nachdenken, die beugungstheoretische Auflösung der Teleskopoptik zu unterschreiten.

Dafür sprechen einige gute Gründe, die inzwischen auch theoretisch durchschimmern.

Viel Erfolg weiterhin!

Thilo Bauer

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#582044 - 08/02/2009 13:27 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Luckilucki]


Hallo Thilo,

danke für den interessanten Beitrag. Da ich mich noch nicht theoretisch mit der Materie befasst habe, kann ich die Praxisrelevanz für uns Amateure allerdings nicht einschätzen. Was ich aber aufjedenfall kann, ist der Vergleich von mir angefertigten Mondbildern mit 150, 225mm, und 408mm Öffnung. Wenn ich selbige EBV unterstelle ist der 16 Zoll Newton mit rund 8m Brennweite dem 6 oder 9ZZöller mit 4 oder 5m Brennweite weit überlegen. Insbesondere der von mir angestrebte Abbildungsmaßstab auf dem Bildschirm und das geringere Rauschen des Rohbildes machen den Vorteil größerer Teleskope deutlich. Aufjedenfall besteht für mich dieses Jahr noch amateurmäßiger Forschungsbedarf am Mond (was ich vielleicht schon heute Abend wieder weiter vorantreiben kann) mit welchen Parametern der 16Zöller betrieben werden muss, um maximale Ergebnisse im Sinne von Ästhetik und Auflösung zu erreichen.

cs Harald
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peterm Offline
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#582078 - 08/02/2009 15:01 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Unigraph]


Hallo Harald,

Thilo hat ja von seinem ersten bis zum seinem letzen Posting die Software-Weiterentwicklung der letzten 10 Jahre rasant nachvollzogen. Der Vergleich des Claviusbilds von Jan (150mm Öffnung) und Deinem (400mm Öffnung) zeigt doch deutlich den Auflösungsgewinn bei größerem Teleskopdurchmesser. Mittlerweile bekommt man auch in Deep Sky Bildern Auflösungen , die an die theoretische heranreichen. Siehe hier.

Wenn die Bedingungen stimmen, erhält man auch in der Planeten- und Mondfotografie Auflösungen, die an die theoretische Auflösung heranreicht. Darüberhinaus wird es meines Erachtens nicht gehen. Das würde der Quantenphysik widersprechen.

Es geht aber um die Bedingungen, das ist wichtig. Eine wichtige Bedingung ist, das Seeing einzufrieren. Und zwar so, daß das Einzelbild durch die Seeingbewegung NICHT verschmiert wird. Das ist nur mit Belichtungszeiten zu erreichen, die so kurz wie möchlich gewählt werden können. Je länger die Belichtungszeit wird, umso seltener werden die ruhigen Seeingphasen pro Einzelbild.

Jan und ich haben versucht klar zu machen, daß das am besten mit einem Öffungsverhältnis = 3*pixelsize[µm] erzielt wird. Ohne Auslösungsverluste. Wenn man dann noch eine hochempfindliche Kamera hat, kann man die Belichtungszeit nochmal herunterdrehen.

Nur wenn das Seeing eingeforen ist, kann man Adaptive Optik-Software a la AVIstack benutzen und anschließen das Bild (fast) bis zur optischen Auflösungsgrenze schärfen.

Natürlich kann man auch mit langer Brennweite (z.B 6*pixel) belichten, daß man damit auch zu ordentlichen Ergebnissen kommt, haben viele Bilder hier im Forum gezeigt. Uns geht es aber darum, die Aufgabe zu optimieren und vielleicht auch bei nicht so gutem Seeing gute Ergebnisse zu erzielen.

Deshalb noch mal die Aufgabenstellung, zwei Aufnahmeserien mit einem Öffungsverhältnis von 3*pixel mit einem > 3*pixel (z.b. 6*pixel) zum Vergleich des Auflösungsvermögens und der Qualität der Bilder zu erstellen.

Peter
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Luckilucki Offline
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#582248 - 08/02/2009 23:59 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: peterm]


Rechnen Sie doch Ihre Abschätzungen zur Belichtungszeit bitte einmal nach, in dem Sie in die Abschätzung des Signal-Rauschabstandes auch die konstanten Rauschgrößen, etwa das Ausleserauschen Ihrer Kameras in die Berechnung einfließen lassen. Sie werden feststellen, daß Sie mit einer Verkürzung der Belichtungszeit Signal verlieren. Liegt Ihr Photonen-Rauschen bereits in der Nähe des Ausleserauschens, wird das sogar bedeuten, daß Sie erheblich mehr Bilder benötigen, als sie meinen, durch die Verkürzung der Belichtungszeit verloren zu haben.

Original geschrieben von: peterm
Wenn die Bedingungen stimmen, erhält man auch in der Planeten- und Mondfotografie Auflösungen, die an die theoretische Auflösung heranreicht. Darüberhinaus wird es meines Erachtens nicht gehen. Das würde der Quantenphysik widersprechen.


Zur Quantenstatistik sollten Sie obige Rechnung anstellen.

Die optische Beugungsgrenze gibt Ihnen nur an, welchen Durchmesser der Beugungsfigur sie vorfinden werden. Das optische Auflösungsvermögen in der Optik hingegen ist eine willkürliche Festlegung und sagt ihnen nicht, daß sie zwei Sterne nicht trennen können, die noch enger zusammen stehen.

Daß man die Beugungsgrenze unterschreiten kann, wurde experimentell bereits nachgewiesen. Wenn Sie es nicht glauben, sehen Sie sich die vielen Ergebnisse einiger Venus oder Jupiteraufnahmen hier im Forum genauer an. Theoretische Abschätzungen zur erforderlichen Datenmenge aufgrund des Signal-Rauschabstands wurde bereits 1993 veröffentlicht. Lesen Sie einfach mal, was die Profis dazu inzwischen schreiben.

Sementilli, P. J. et al., 1993. Analysis of the limit to superresolution in incoherent imaging. J. Opt. Soc. Am. A: Optics, Image Science, and Vision, Vol. 10, Issue 11, November 1993, pp.2265-2276

Willett, R. et al., 2004. Wavelet-Based Superresolution in Astronomy. Astronomical Data Analysis Software and Systems (ADASS) XIII, Proceedings of the conference held 12-15 October, 2003 in Strasbourg, France. Edited by Francois Ochsenbein, Mark G. Allen and Daniel Egret. ASP Conference Proceedings, Vol. 314. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific, p. 107

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peterm Offline
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#582296 - 09/02/2009 11:48 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Luckilucki]


Lieber Thilo Bauer,

ich habe doch gar keine Abschätzung zur Belichtungszeit gemacht. Ich bin aber stillschweigend davon ausgegangen, daß man bei einer Einzelbilddynamik von 8bit (Intensitätsbereich 0-255) die Helligkeit der Kamera so regelt, daß die hellsten Stellen des Objektes zwischen 150-200 liegen. Das macht wahrscheinlich jeder versierte Planetenfotograf so. Also kann man mit dem Ausleserauschen gar nicht argumentieren. Wir befinden uns ja nicht bei Deep Sky Beobachtungen, wo das aufgenommene Licht sehr schwach ist, da mag das Argument ziehen.

Natürlich ist die Definition des optischen Auflösungsvermögen willkürlich. Da gibt es ja auch unterschiedliche Definitionen, die sich in der Hauptsache auf die visuelle Wahrnehmung beziehen. Nichtsdestotrotz läßt sich das auf die Fotografie mit einer 8bit Kamera übertragen. Insbesondere dann, wenn, anders als bei gleich hellen Doppelsternen, für die die Definition angesetzt ist, die kleinsten Strukturen unterschiedlich hell sind und die hellste dieser beiden Strukturen nicht die hellste Stelle im Bild selbst ist. Da spielt die Bilddynamik eben auch eine Rolle.

Ich habe im übrigen noch kein Bild hier im Forum gesehen, das diese "Superresolution" hat. Ich bitte aber darum, mir eines zu zeigen, wo nachweislich die Auflösungsgrenze von d = 115/D oder d = 138/D (je nach Definition) unterschritten ist.

Zudem würde ich auch gerne einen Vergleichstest mit unterschiedlich langen Brennweiten aufgenommen mit dem selben Teleskop sehen. An diesem Test lassen sich alle aufgestellten Behauptungen überprüfen.

Gruß,
Peter
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Luckilucki Offline
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#582518 - 09/02/2009 23:13 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: peterm]


Hallo Peter,

Herr Fremerey fragte nach kürzeren Belichtungszeiten oder dem Einfluß des Öffnungsverhältnisses. Das eine habe ich Ihnen nun beantwortet, die Antwort zur Verkürzung der Belichtungszeit bin ich Ihnen auch noch schuldig.

Bei einer Kamera mit Gain-Regelung kann man besonders schön zeigen, daß das Photonen-Rauschen im Verhältnis zum Ausleserauschen der Kamera steigen wird, wenn man die Belichtungszeit reduziert (oder das Licht auf welchem Weg auch immer schwindet). Das Bild wird zwar kontrastreicher, rauscht aber zunehmend. Sie verlieren Signal. Sie gewinnen nichts.

Original geschrieben von: peterm
Ich habe im übrigen noch kein Bild hier im Forum gesehen, das diese "Superresolution" hat. Ich bitte aber darum, mir eines zu zeigen, wo nachweislich die Auflösungsgrenze von d = 115/D oder d = 138/D (je nach Definition) unterschritten ist.


Stellen Sie doch die Frage einfach einmal anders herum:

Haben Sie es überprüft? Wie haben Sie es überprüft?
Wenn Sie tatsächlich zu diesem Ergebnis kommen, was mag der Grund sein?

Gruß

Thilo Bauer

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peterm Offline
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#582539 - 10/02/2009 00:20 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: Luckilucki]


Hallo Thilo Bauer,

ich glaube, wir reden aneinander vorbei. Ich drehe nicht am Gain, sondern verändere die Belichtungszeit, bis sie passt, also bis die Intensität um 200 liegt. Das ist ein Unterschied. Dabei verändert sich das Rauschen in keinster Weise.

Haben Sie Ihre Behauptung überprüft, es gäbe Bilder mit "Superesolution"? Wohl kaum, sonst hätten Sie die Venus nicht angeführt, die nun gar keine Strukturen in der Größenordnung der Auflösungsgrenze zeigt. Die Beweislast an mich zurück zu weisen, zeugt auch nicht von Argumentationssicherheit.

Ich habe es überprüft an Mondbildern.

Gruß,
Peter
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Luckilucki Offline
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#582739 - 10/02/2009 19:49 Re: Kürzere Belichtungszeiten ! [Re: peterm]


Hallo Peter,

Original geschrieben von: peterm
ich glaube, wir reden aneinander vorbei. Ich drehe nicht am Gain, sondern verändere die Belichtungszeit, bis sie passt, also bis die Intensität um 200 liegt.


Na dann ist doch alles prima, denn sie sind bei 8 Bit Dynamik statistisch fast auf der sicheren Seite und beugen einer Sättigung vor. Evtl. bliebe noch zu klären, wo die Sättigung der Kamera tatsächlich beginnt.

Original geschrieben von: peterm
Das ist ein Unterschied. Dabei verändert sich das Rauschen in keinster Weise.


Pardon, an der Stelle muss ich Ihnen natürlich als Physiker begründetermaßen widersprechen.

Doch rechnen wir das einmal gemeinsam durch:

Die Rauschstatistik der gemessenen Intensität einer photonen-verrauschten Lichtquelle wird bei hellen Objekten einer Gaußverteilung folgend in etwa einen rauschbedingten Fehler zeigen, der der Quadratwurzel der Anzahl der eingehenden Lichtquanten pro gemessener Zeiteinheit entspricht. Das ist so, selbst wenn unsere Kamera gar nicht rauschen würde (was natürlich eine Utopie ist). Zudem müssen wir noch einen Quanten-Konversionsfaktor berücksichtigen, der sich wenigstens aus der spektralen Empfindlichkeitskurve des CCDs und der Umsetzung der analogen Werte in digitalen Einheiten ergibt.

Mit anderen Worten: 10.000 gemessene Counts entsprechen einem idealisierten Rauschen von etwa 100 Counts, die halbe Intensität entspricht einem Rauschen von 70 Counts, eine reduzierte Helligkeit von 100 Counts ergäbe ein gaußisches Rauschen von 10 Counts.

Wie Sie sehen, haben Sie im ersten Fall einen Signal-Rauschabstand von 1:100, bei halber Belichtungszeit nur noch 1:70 im letzten Fall nur noch 1:10. Das ist ein gewaltiger Unterschied und entspricht einer kontinuierlichen Abnahme der Signalqualität zu kürzeren Belichtungszeiten.

Auf der anderen Seite sind selbst für die Speckle-Interferometrie Belichtungszeiten von nur 1/16s gefordert. Ist das Seeing schneller, wird man bemerken, daß die Speckles hin zu einer Seite länglich verwischen, was an der Vorzugsrichtung der Luftströmung liegen wird, die diesen Effekt auslöst. Haben wir also faktisch zu lang belichtet, würden wir keine beugungstheoretische Auflösung mehr erhalten, stattdessen ein verwischtes Bild. Genau das haben wir in den Neunzigern mit einer CCD Speckle Kamera, die ich selbst entwarf, am Hohen List beobachtet. Interessanterweise läßt sich aus der Langzeitinformation offenbar auch beugungstheoretische Auflösung erhalten, selbst wenn die Belichtungszeit erheblich größer ist und bereits jede Speckle-Feinstruktur verwischen läßt. Dies muss gefolgert werden, da die üblicherweise in der Planetenphotografie engewandten verfahren lediglich die Bildbewegung korrigieren und keine ultrakomplizierten Verarbeitungen mit vierdimensionalen Fourier-Spektren oder dergleichen anstellen. Ferner haben wir 1994 ähnliche Versuche mit recht langen Belichtungszeiten unternommen und sind mit nur 10 jeweils 30 Sekunden lang belichteten Aufnahmen eines Sternhaufens in der Großen Magellanschen Wolke bereits unter das gekommen, was Herr Winterer mit seiner Saturnaufnahme erreichte. Mit ca. 0,3" Endauflösung konnten wir den Sternhaufen in seine hellsten Einzelsterne zerlegen, Photometrie machen und beweisen, daß das Ergebnis real war. Eine konkurrierende Arbeitsgruppe, mit der ich bis 1991 arbeitete, zeigte mit der Speckle-Interferometrie wenige Monate vor uns, wo die Sterne waren, konnte jedoch keine Photometrie präsentieren, da Speckle-Methoden hier am Limit der Reichweite fahren. Damals entsprach dies einer Auflösungssteigerung von etwa einem Faktor fünf mit einfachen Mitteln.

Das man dennoch in der Lage ist, überaufgelöste Bilder mit beugungstheoretisch angenommener Bildschärfe zu erhalten, wie die letzte Saturnaufnahme von Herrn Winterer eindrucksvoll beweist, ist mithin ein Zeichen, daß für die in der Planetenfotografie angewandten Verfahren der Superresolution andere Faktoren ausschlaggebend sind, als die Beugungstheorie und optische Physik.

Seine erzielte Auflösung ist übrigens nur durch das verwendete Verfahren und die Signal-Qualität begrenzt. Die Bildschärfe seiner Saturnaufnahme läßt sich in jedem Falle selbst mit einem einfachen Hochpass noch weiter steigern. Womit allerdings lediglich bewiesen wäre, daß solche Verfahren gegen jede bisherige Theorie funktionieren. Dies scheint offenbar nur in geometrischen Eigenschaften des Detektors begründet zu sein. Dazu muss man als Physiker seine Physik aber aufgeben. Ich habe das erst nach 13 Jahren und bislang zwar theoretisch, doch auch nur im Ansatz verstanden. Weswegen mich Ihre phantastischen Erfolge ganz besonders interessieren.

Viele Grüße

Thilo Bauer

PS: Herr Fremerey hatte mich freundlicherweise eingeladen, hier meinen Beitrag zu leisten. Was ich gerne getan habe.


Bearbeitet von Luckilucki (10/02/2009 20:26)

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