astro_alex80
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Hallo zusammen,
immer wieder kommt der Hinweis doch mal einen (fotografischen) Sterntest zu machen, um mögliche Defizite bei der Justage oder in der Abbildungsqualität zu erkennen.
Ich möchte hier auf die praktische Durchführung eines fotografischen Sterntests und dessen Auswertung unter Nutzung des Scripts „Wavefront Estimator“ unter Script > Instrumentation in PixInsight eingehen.
Das Script bringt eine sehr gute eigene Dokumentation auf Englisch mit. Da diese jedoch sehr umfangreich und insbesondere für Einsteiger eine gewisse Hürde darstellen kann, habe ich versucht, ein praxistaugliches Tutorial zusammenzustellen.
Ein umfassendes Standardwerk zu Sterntests, das nicht unerwähnt bleiben darf, ist zweifellos Harold Richard Suiters "Star Testing Astronomical Telescopes", das ich jedem sehr empfehle, der tiefer in die Materie einsteigen möchte – auch wenn die Verfügbarkeit dieses Buches mehr und mehr einem Lotteriegewinn gleicht.
Das Prinzip des hier vorgestellten Verfahrens basiert im Kern auf „Wave-front reconstruction from defocused images and the testing of ground-based optical telescopes“ von Claude Roddier und François Roddier:
Abstract
A new method has been developed for testing the optical quality of ground-based telescopes. Aberrations are estimated from wideband long-exposure defocused stellar images recorded with current astronomical CCD cameras. An iterative algorithm is used that simulates closed-loop wave-front compensation in adaptive optics. Compared with the conventional Hartmann test, the new method is easier to implement, has similar accuracy, and provides a higher spatial resolution on the reconstructed wave front.
Auch in Suiters Buch (2nd Edition, 3rd print) wird im Anhang „Appendix A – Other Tests“ auf den Roddier-Test eingegangen – allerdings aus der entsprechenden damaligen Perspektive. Heutzutage mit modernen Astro-Kameras sieht das Ganze natürlich deutlich anders aus.
Alle hier gezeigten Aufnahmen/Auswertungen entstanden remote mit meinem Takahashi TOA 130 mit TOA645 Flattner (0,99x) und einer Player One Zeus 455M PRO (IMX455) Kamera, installiert in Nordspanien (Trevinca).
Praktische Vorgehensweise
Es kann sowohl eine Farb- als auch eine Monokamera (inkl. DSLR) verwendet werden. Bei Monokameras können RGB-Filter eingesetzt werden, vorausgesetzt, der Stern ist hell genug, um die Belichtungszeiten nicht ausufern zu lassen. Ich nutze den in meinem Filterrad vorhandenen Astronomik L2-Filter, um möglichst schnell viel Signal aufzunehmen.
Das Teleskop muss ausreichend ausgekühlt sein. Der Test funktioniert auch bei Mondlicht und das Seeing sollte nicht zu unruhig sein.
Einen hellen Stern möglichst im Zenit anfahren. Ich habe dazu in den letzten Nächten Merak (β Uma) gegen Mitternacht verwendet (2,3 mag, >70° Höhe). Dicht zusammenstehende Sterne sollten vermieden werden. Den Stern mit einem Fadenkreuz im Aufnahmeprogramm im Zentrum positionieren.
Als Aufnahmeprogramm nutze ich SharpCap und definiere einen Bildausschnitt (ROI) von 500x500 Pixeln.
In SharpCap unter Tools > Pixel Value aktivieren und das Fadenkreuz mit der Anzeige der Helligkeitswerte an verschiedenen Stellen im defokussierten Sternscheibchen platzieren. Zielwert: >10.000 ADU (DN) bezogen auf 16 Bit (laut Script-Dokumentation: min. 5 %, max. 80 % der Dynamikrange).
Belichtungszeit im Script abschätzen
Man kann die nötige Sternhelligkeit und Belichtungszeit beim Öffnen des Scripts Wavefront Estimator in PixInsight auch abschätzen. Dazu im Tab Parameters die Optik- und Kamera-Daten eintragen. Ist der Gain (e-/DN) unbekannt, auf 1.0 belassen.
Im Tab Exposure > Exposure Estimation auf estimate klicken. Beispiel zur Überprüfung: Bei 4,9 mm Defokus, 10 Sekunden Belichtungszeit und 12.000 ADU stimmt die berechnete Magnitude sehr gut mit dem aufgenommenen Stern β Uma überein.
Testaufnahme und Messung
Passen die Aufnahme-Parameter in SharpCap, kann eine Testaufnahme gemacht und in PixInsight geöffnet werden. Das Script Wavefront Estimator starten und im Tab Exposure > Exposure Measurements die Testaufnahme auswählen und auf Measure klicken.
Testaufnahme:
Auswertung Testaufnahme
Das ist sehr hilfreich, um unbrauchbare Aufnahmen zu vermeiden und um den Defokus von intra- und extrafokalen Aufnahmen vor Start der Aufnahmeserie zu vergleichen.
Wird das Bild vom Script ohne Fehlermeldungen gemessen und stimmen Defokus und Helligkeit (DN), kann in SharpCap eine Belichtungsreihe gestartet werden:
Nun das gleiche Prozedere auf der anderen Fokus-Seite (extrafokal) wiederholen. Wichtig: auf die Benennung der Dateien achten (z. B. „intra“ / „extra“), um sie später auseinanderhalten zu können. Das Tool Exposure Measurements im Script hilft dabei, einen möglichst gleichmäßigen Defokuswert zu erreichen. Laut Script-Dokumentation beträgt die Toleranz 5 %, ich versuche jedoch immer, eine Übereinstimmung im Bereich von 2-3 Pixeln zu erreichen – was dank Motorfokus und ein paar Kontrollaufnahmen gut und schnell machbar ist.
Auswertung in PixInsight
Die aufgenommenen Frames im Script unter Frames laden (jeweils die intra- und extrafokale Serie) und einen Pfad zur Ablage der Auswertungsdaten eingeben (optional).
Im Vorfeld nochmal prüfen, ob im Tab Parameters alle Angaben zur Optik, Kamera und der genutzte Filterbereich korrekt sind. Als Observation Wavelength den Mittelpunkt des Filterdurchlassbereichs eintragen. Eine Auswertung mit Schmalbandfiltern ist im Script nicht vorgesehen/implementiert.
Die Einzelaufnahmen werden analysiert, zentriert und miteinander gemittelt. Auf dieser Basis werden die Wellenfront-Abweichungen berechnet.
verrechnetes intra- und extrafokales Sternscheibchen
Ergebnisdarstellung
Die verrechneten intra- und extrafokalen Sternscheibchen dienen als Grundlage zur Berechnung. Als Ergebnis erhält man:
PSF-Ansicht
Wavefront Plot
Ich habe das Script über längere Zeit (faktisch Jahre) mit verschiedenen Setups, auch mit zuvor vermessenen Optiken und unter unterschiedlichen Bedingungen und Sternen getestet. Ich habe es in der Vergangenheit auch – wenn auch mit hohem Aufwand – zur Feinjustage eines Newtons eingesetzt. Die Strehl-Werte unterschiedlicher Messungen lagen dabei im Bereich von 2–3% Strehl (max 5%), wenn ausreichend Signal vorhanden.
Die Dokumentation nennt eine relative Fehlertoleranz von 5-6% bezogen auf die RMS-Werte in Nanometern.
Zusätzlich zeigt die Dokumentation sehr anschaulich den Einfluss des Seeings abhängig von der Gesamtbelichtungszeit. Bei den angestrebten >100 Sekunden Gesamtbelichtungszeit und entsprechender Mittelung (mit Rejection zur Ausreißerunterdrückung) kann der Seeing-Effekt praktisch herausgerechnet werden.
Fazit
Die Auswertung der gewonnenen defokussierten Aufnahmen ist meiner Meinung nach eine großartige Weiterentwicklung und Ergänzung zum visuellen Sterntest. Der visuelle Sterntest setzt zum Erkennen feiner Abweichungen viel Erfahrung und ruhiges Seeing voraus. Grobe optische Fehler (verspannte Optik, starker Astigmatismus) erkennt man visuell recht schnell und zuverlässig, aber für fundierte und reproduzierbare Ergebnisse ist das hier vorgestellte Pixinsight-Script eine echte Bereicherung.
Ich kann die Nutzung dieses auf den ersten Blick etwas komplex wirkenden Scripts aus eigener Erfahrung nur empfehlen und den Aufwand nicht zu scheuen, wenn man mehr über sein Teleskop erfahren möchte. Ich hoffe, mit diesem Tutorial, einen praktischen Beitrag zur Reduzierung des „Mysterium Sterntest“ zu leisten.
Ich freue mich auf einen regen Austausch, Anregungen oder Fragen zu dem Thema!
Viele Grüße,
Alexander
immer wieder kommt der Hinweis doch mal einen (fotografischen) Sterntest zu machen, um mögliche Defizite bei der Justage oder in der Abbildungsqualität zu erkennen.
Ich möchte hier auf die praktische Durchführung eines fotografischen Sterntests und dessen Auswertung unter Nutzung des Scripts „Wavefront Estimator“ unter Script > Instrumentation in PixInsight eingehen.
Das Script bringt eine sehr gute eigene Dokumentation auf Englisch mit. Da diese jedoch sehr umfangreich und insbesondere für Einsteiger eine gewisse Hürde darstellen kann, habe ich versucht, ein praxistaugliches Tutorial zusammenzustellen.
Ein umfassendes Standardwerk zu Sterntests, das nicht unerwähnt bleiben darf, ist zweifellos Harold Richard Suiters "Star Testing Astronomical Telescopes", das ich jedem sehr empfehle, der tiefer in die Materie einsteigen möchte – auch wenn die Verfügbarkeit dieses Buches mehr und mehr einem Lotteriegewinn gleicht.
Das Prinzip des hier vorgestellten Verfahrens basiert im Kern auf „Wave-front reconstruction from defocused images and the testing of ground-based optical telescopes“ von Claude Roddier und François Roddier:
Abstract
A new method has been developed for testing the optical quality of ground-based telescopes. Aberrations are estimated from wideband long-exposure defocused stellar images recorded with current astronomical CCD cameras. An iterative algorithm is used that simulates closed-loop wave-front compensation in adaptive optics. Compared with the conventional Hartmann test, the new method is easier to implement, has similar accuracy, and provides a higher spatial resolution on the reconstructed wave front.
Auch in Suiters Buch (2nd Edition, 3rd print) wird im Anhang „Appendix A – Other Tests“ auf den Roddier-Test eingegangen – allerdings aus der entsprechenden damaligen Perspektive. Heutzutage mit modernen Astro-Kameras sieht das Ganze natürlich deutlich anders aus.
Alle hier gezeigten Aufnahmen/Auswertungen entstanden remote mit meinem Takahashi TOA 130 mit TOA645 Flattner (0,99x) und einer Player One Zeus 455M PRO (IMX455) Kamera, installiert in Nordspanien (Trevinca).
Praktische Vorgehensweise
Es kann sowohl eine Farb- als auch eine Monokamera (inkl. DSLR) verwendet werden. Bei Monokameras können RGB-Filter eingesetzt werden, vorausgesetzt, der Stern ist hell genug, um die Belichtungszeiten nicht ausufern zu lassen. Ich nutze den in meinem Filterrad vorhandenen Astronomik L2-Filter, um möglichst schnell viel Signal aufzunehmen.
Das Teleskop muss ausreichend ausgekühlt sein. Der Test funktioniert auch bei Mondlicht und das Seeing sollte nicht zu unruhig sein.
Einen hellen Stern möglichst im Zenit anfahren. Ich habe dazu in den letzten Nächten Merak (β Uma) gegen Mitternacht verwendet (2,3 mag, >70° Höhe). Dicht zusammenstehende Sterne sollten vermieden werden. Den Stern mit einem Fadenkreuz im Aufnahmeprogramm im Zentrum positionieren.
Als Aufnahmeprogramm nutze ich SharpCap und definiere einen Bildausschnitt (ROI) von 500x500 Pixeln.
- Belichtungszeit: 3–5 Sekunden
- Gain: zum Einstellen des Defokus ggf. erhöhen (nicht vergessen, für die Aufnahmen auf Unity Gain zu wechseln, um den vollen Dynamikumfang zu nutzen)
- Kamera-Auslesemodus: 16 Bit
- Eventuell aktivierte automatische Histogramm-Streckung (Screen Stretch) deaktivieren
In SharpCap unter Tools > Pixel Value aktivieren und das Fadenkreuz mit der Anzeige der Helligkeitswerte an verschiedenen Stellen im defokussierten Sternscheibchen platzieren. Zielwert: >10.000 ADU (DN) bezogen auf 16 Bit (laut Script-Dokumentation: min. 5 %, max. 80 % der Dynamikrange).
Belichtungszeit im Script abschätzen
Man kann die nötige Sternhelligkeit und Belichtungszeit beim Öffnen des Scripts Wavefront Estimator in PixInsight auch abschätzen. Dazu im Tab Parameters die Optik- und Kamera-Daten eintragen. Ist der Gain (e-/DN) unbekannt, auf 1.0 belassen.
Im Tab Exposure > Exposure Estimation auf estimate klicken. Beispiel zur Überprüfung: Bei 4,9 mm Defokus, 10 Sekunden Belichtungszeit und 12.000 ADU stimmt die berechnete Magnitude sehr gut mit dem aufgenommenen Stern β Uma überein.
Testaufnahme und Messung
Passen die Aufnahme-Parameter in SharpCap, kann eine Testaufnahme gemacht und in PixInsight geöffnet werden. Das Script Wavefront Estimator starten und im Tab Exposure > Exposure Measurements die Testaufnahme auswählen und auf Measure klicken.
Testaufnahme:
Auswertung Testaufnahme
Das ist sehr hilfreich, um unbrauchbare Aufnahmen zu vermeiden und um den Defokus von intra- und extrafokalen Aufnahmen vor Start der Aufnahmeserie zu vergleichen.
Wird das Bild vom Script ohne Fehlermeldungen gemessen und stimmen Defokus und Helligkeit (DN), kann in SharpCap eine Belichtungsreihe gestartet werden:
- Ziel: >100 Sekunden Gesamtbelichtungszeit und >100.000 ADU (DN) um ausreichend Signal sammeln und den Seeingeinfluss zu verringern. Im konkreten Fall habe ich 15 x 10 Sekunden aufgenommen.
- Kürzere Reihen gehen ebenfalls, z. B. zur Justage/Überprüfung. Für belastbarere Ergebnisse sollten jedoch die genannten Werte angestrebt werden.
Nun das gleiche Prozedere auf der anderen Fokus-Seite (extrafokal) wiederholen. Wichtig: auf die Benennung der Dateien achten (z. B. „intra“ / „extra“), um sie später auseinanderhalten zu können. Das Tool Exposure Measurements im Script hilft dabei, einen möglichst gleichmäßigen Defokuswert zu erreichen. Laut Script-Dokumentation beträgt die Toleranz 5 %, ich versuche jedoch immer, eine Übereinstimmung im Bereich von 2-3 Pixeln zu erreichen – was dank Motorfokus und ein paar Kontrollaufnahmen gut und schnell machbar ist.
Auswertung in PixInsight
Die aufgenommenen Frames im Script unter Frames laden (jeweils die intra- und extrafokale Serie) und einen Pfad zur Ablage der Auswertungsdaten eingeben (optional).
Im Vorfeld nochmal prüfen, ob im Tab Parameters alle Angaben zur Optik, Kamera und der genutzte Filterbereich korrekt sind. Als Observation Wavelength den Mittelpunkt des Filterdurchlassbereichs eintragen. Eine Auswertung mit Schmalbandfiltern ist im Script nicht vorgesehen/implementiert.
- unter Frame Combination > Rejection Method aktivieren, Rejection Scale Standardwert 2.0 beibehalten
Die Einzelaufnahmen werden analysiert, zentriert und miteinander gemittelt. Auf dieser Basis werden die Wellenfront-Abweichungen berechnet.
verrechnetes intra- und extrafokales Sternscheibchen
Ergebnisdarstellung
Die verrechneten intra- und extrafokalen Sternscheibchen dienen als Grundlage zur Berechnung. Als Ergebnis erhält man:
- eine Übersicht der Wellenfront-Abweichungen,
- den Strehl-Wert,
- sowie bei aktivierter Option „Generate Views“ diverse grafische Auswertungen wie z. B. Wavefront-Plot, PSF usw.
PSF-Ansicht
Wavefront Plot
Ich habe das Script über längere Zeit (faktisch Jahre) mit verschiedenen Setups, auch mit zuvor vermessenen Optiken und unter unterschiedlichen Bedingungen und Sternen getestet. Ich habe es in der Vergangenheit auch – wenn auch mit hohem Aufwand – zur Feinjustage eines Newtons eingesetzt. Die Strehl-Werte unterschiedlicher Messungen lagen dabei im Bereich von 2–3% Strehl (max 5%), wenn ausreichend Signal vorhanden.
Die Dokumentation nennt eine relative Fehlertoleranz von 5-6% bezogen auf die RMS-Werte in Nanometern.
Zusätzlich zeigt die Dokumentation sehr anschaulich den Einfluss des Seeings abhängig von der Gesamtbelichtungszeit. Bei den angestrebten >100 Sekunden Gesamtbelichtungszeit und entsprechender Mittelung (mit Rejection zur Ausreißerunterdrückung) kann der Seeing-Effekt praktisch herausgerechnet werden.
Fazit
Die Auswertung der gewonnenen defokussierten Aufnahmen ist meiner Meinung nach eine großartige Weiterentwicklung und Ergänzung zum visuellen Sterntest. Der visuelle Sterntest setzt zum Erkennen feiner Abweichungen viel Erfahrung und ruhiges Seeing voraus. Grobe optische Fehler (verspannte Optik, starker Astigmatismus) erkennt man visuell recht schnell und zuverlässig, aber für fundierte und reproduzierbare Ergebnisse ist das hier vorgestellte Pixinsight-Script eine echte Bereicherung.
Ich kann die Nutzung dieses auf den ersten Blick etwas komplex wirkenden Scripts aus eigener Erfahrung nur empfehlen und den Aufwand nicht zu scheuen, wenn man mehr über sein Teleskop erfahren möchte. Ich hoffe, mit diesem Tutorial, einen praktischen Beitrag zur Reduzierung des „Mysterium Sterntest“ zu leisten.
Ich freue mich auf einen regen Austausch, Anregungen oder Fragen zu dem Thema!
Viele Grüße,
Alexander
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