Aus 3314 Einzelbildern entsteht ein Sonnenbild: Warum Global Shutter in der Sonnenfotografie entscheidend sein kann

Die Aufnahme hochauflösender Sonnenbilder stellt eine besondere Herausforderung dar. Anders als bei der Deep-Sky-Fotografie steht zwar reichlich Licht zur Verfügung, doch bevor es das Teleskop erreicht, muss es die dynamische Erdatmosphäre durchqueren. Die ständig wechselnden Luftströmungen verzerren feinste Strukturen auf der Sonnenoberfläche und machen gestochen scharfe Aufnahmen überraschend schwierig. Um atmosphärische Turbulenzen zu überwinden, nehmen Astronomen tausende Einzelbilder mit extrem kurzen Belichtungszeiten auf und kombinieren anschließend nur die schärfsten Aufnahmen in einem als Stacking bezeichneten Verfahren. Da hunderte Kurzzeitbelichtungen später exakt ausgerichtet und zu einem einzigen Ergebnis zusammengesetzt werden müssen, ist eine präzise Bildgeometrie während des gesamten Aufnahmeprozesses entscheidend. Genau hier bietet die Global-Shutter-Technologie einen besonderen Vorteil.

Bei der Auswahl einer Kamera für ihr neues H-Alpha-Sonnenfotografie-System betrachtete die Fritz-Weithas-Sternwarte in Neumarkt daher nicht einzelne technische Daten isoliert, sondern stellte die Frage, wie jede Kameraeigenschaft zum finalen Bild beitragen würde.

Warum Global Shutter den Unterschied macht

Das letztlich ausschlaggebende Kriterium war jedoch die Sensorarchitektur. Während Rolling-Shutter-Sensoren ein Bild zeilenweise auslesen und häufig in Kameras für die Deep-Sky-Fotografie eingesetzt werden, belichtet ein Global-Shutter-Sensor sämtliche Pixel gleichzeitig. Dadurch bleibt die Bildgeometrie auch bei den sich ständig verändernden atmosphärischen Bedingungen konsistent. Die einzelnen Aufnahmen lassen sich anschließend deutlich präziser ausrichten und stacken, sodass feinste Sonnenstrukturen detailreicher wiedergegeben werden können.

Die richtige Kamera für die Aufgabe

Neben der Global-Shutter-Technologie musste die Kamera auch hinsichtlich ihres Sensorformats optimal zum optischen Aufbau des neuen Heliostar 76/630 Sonnenteleskops passen. Ziel war es, die vollständige Sonnenscheibe ohne nachträgliches Zusammensetzen mehrerer Einzelbilder erfassen zu können. Ein Sensor im 1,1"-Format bot dafür das erforderliche Sichtfeld und gleichzeitig genügend Auflösung, um feine Strukturen auf der Sonnenoberfläche sichtbar zu machen.

Ebenso wichtig war die Wahl eines Monochrom-Sensors. Da bei einem Monochromsensor keine Bayer-Farbfiltermatrix vorhanden ist, erfasst jedes Pixel das vollständige einfallende Lichtsignal. Dadurch stehen eine höhere Lichtempfindlichkeit sowie die maximale Detailauflösung zur Verfügung - ideale Voraussetzungen für die anschließende astronomische Bildverarbeitung und das Stacking.

Diese Anforderungen führten schließlich zur Wahl der DMK 38UX541 von The Imaging Source mit ihrem 20-MP-Sony-IMX541-Monochromsensor im 1,1"-Format und Global Shutter.

Aus Tausenden Einzelbildern entsteht ein Endergebnis

Eine hochauflösende Sonnenaufnahme entsteht nicht durch ein einzelnes Foto, sondern durch einen durchdachten Aufnahme- und Verarbeitungsprozess. Bei einer der ersten Testaufnahmen zeichnete die DMK 38UX541 innerhalb von nur 85 Sekunden insgesamt 3314 Einzelbilder mit einer Belichtungszeit von lediglich 1/4000 Sekunde auf.

Bereits vor dem Stacking hinterließ das Live-Bild der Kamera einen starken Eindruck. Ein Mitglied des Sternwartenteams beschrieb es so: "Selbst im Live-Bild auf dem Monitor war die Detailfülle so beeindruckend, wie wir es bisher mit keiner Kamera erlebt hatten."

Da sich die atmosphärischen Bedingungen ständig ändern, bewertet eine Stacking-Software sämtliche Aufnahmen und wählt nur diejenigen aus, die in Momenten besonders ruhiger Luft entstanden sind. In diesem Fall wurden nur etwa 5 % der aufgenommenen Bilder (165 Einzelbilder) für den endgültigen Stack verwendet. Das resultierende Bild weist deutlich weniger Rauschen auf und dient als Grundlage für die anschließende Schärfung und Kontrastverstärkung. Erst nach diesen zusätzlichen Bearbeitungsschritten offenbart das endgültige Bild die außergewöhnlich feinen Sonnenstrukturen, die im Endergebnis sichtbar sind. Das Bild unten zeigt die drei wichtigsten Bearbeitungsschritte vom einzelnen Rohbild über das gestapelte Zwischenergebnis bis hin zum vollständig bearbeiteten Bild.

Industrielle Bildverarbeitung trifft wissenschaftliche Beobachtung

Auf den ersten Blick haben die Qualitätskontrolle in einer Fertigungslinie und die Fotografie der Sonnenoberfläche wenig gemeinsam. Tatsächlich verfolgen beide Anwendungen jedoch dasselbe Ziel: Bereits im Moment der Aufnahme möglichst präzise Bilddaten zu erfassen. Kurze Belichtungszeiten, eine stabile Bildgeometrie und hochwertige Rohdaten bilden sowohl in der industriellen Bildverarbeitung als auch in der wissenschaftlichen Beobachtung die Grundlage für aussagekräftige Ergebnisse.

Die Erfahrungen der Fritz-Weithas-Sternwarte zeigen eindrucksvoll, dass Bildgebungstechnologien aus der industriellen Bildverarbeitung auch in anspruchsvollen wissenschaftlichen Anwendungen ihre Stärken ausspielen können. Unterschiedliche Einsatzgebiete, unterschiedliche Fragestellungen - und doch dasselbe Ziel: möglichst viele Informationen aus jedem einzelnen eingefangenen Photon zu gewinnen.