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Nachführung

Inhalt
1. Piggyback-Fotografie 5. Barlow-Linsen
2. Leitfernrohr 6. Autoguider
3. Off-Axis-Guider 7. Einnordung und Ausrichtung der Montierung
4. Fadenkreuz-Okulare 8. Vorgehensweise bei der Nachführung

Empfohlene Vorkenntnisse: Montierungen

Bei der Astrofotografie mit langen Belichtungszeiten muss die Optik der scheinbaren Bewegung der Gestirne nachgeführt werden, um eine Verzerrung der aufzunehmenden Objekte und Sternstrichspuren zu vermeiden. Die Nachführung muss mit Hilfe eines Motors erfolgen, da bei langen Brennweiten die benötigte Präzision kaum mit der Hand erreicht werden kann und die Gafahr, dass die Aufnahmen verwackeln, stark ansteigen würde. Weitwinkel- bis leichte Teleobjektive können mit schwingungsarmen Systemen noch per Hand nachgeführt werden.

Die Montierungen, die zur automatischen Nachführung verwendet werden, arbeiten entweder mit Schrittmotoren oder Servomotoren. Die unterschiedliche Arbeitsweise kann man sich anhand einer Zeigeruhr veranschaulichen: Schrittmotoren führen schrittweise nach, so wie ein Sekundenzeiger, der nach jeder Bewegung für kurze Zeit stillsteht. Servomotoren hingegen führen eine permanente Bewegung aus, wie bei einem Sekundenzeiger, der eine kontinuierliche Bewegung vollführt. Schrittmotoren verschmieren oft feine Strukturen bei Himmelsobjekten, so dass für die Fotografie feiner Details, zum Beispiel bei Mond und Planeten, Servomotoren besser geeignet sind.

In die Montierung integrierte Motoren sind die beste Lösung, da aussen an die Montierung angesetzte Modelle gerade bei Deutschen Montierungen unter Umständen während der Nachführung mit den Achsen der Montierung kollidieren können und die Nachführung dann abgebrochen wird.

Alle Montierungen haben einen periodisch auftreten Fehler, den sog. periodischen Schneckenfehler. Er ist konstruktionsbedingt und kann nicht komplett vermieden werden. Der periodische Schneckenfehler äussert sich in einer regelmässigen Drift des Leitsterns in Rektaszension in Form einer Pendelbewegung: Die meiste Zeit steht der Stern bei hinreichend genauer Einnordung im Fadenkreuz still. Für kurze Zeit driftet er nach West bzw. Ost ab, wandert dann zurück und über den Ruhepunkt hinaus in die gegenüberliegende Himmelsrichtung und kehrt dann zum Ruhepunkt zurück, an dem er für ein paar Minuten verharrt. Dieser periodische Fehler tritt meistens in Zyklen von einigen Minuten auf.

Gute Montierungen haben einen Periodischen Fehler von höchstens einigen Bogensekunden. Verwendet man kurzbrennweitige Optiken, kann dieser Nachführfehler vernachlässigt werden.

Bei Langzeitbelichtungen wird die Optik auf einen Leitstern nachgeführt. Da der Blick durch den Kamerasucher während der Belichtung versperrt ist, muss die Nachführung über einen separaten Strahlengang erfolgen.

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Piggyback-Fotografie

Im Falle der Piggyback-Fotografie, bei der eine Kamera mit Objektiv mittels einer Halterung auf den Tubus oder die Gegengewichtsstange montiert wird, kann direkt durch das Hauptrohr mit einem Fadenkreuz-Okular (siehe unten) nachgeführt werden. Die Orientierung der Aufnahmeoptik muss hierbei exakt parallel zum Hauptrohr erfolgen, da die Sterne ansonsten konzentrische Strichspuren um die Bildmitte bilden.

Foto der Aufnahmegeometrie bei der Piggyback-Fotografie:

Piggyback-Fotografie

Mit der Piggyback-Methode werden typischweise Weitwinkel, Normal- und Teleobjektive mittlerer Brennweiten nachgeführt. Bei schweren Aufnahmeoptiken muss man ggf. an einer vom Teleskop- und Montierungstyp abhängigen geeigneten Stelle Ausgleichsgewichte anbringen, da die Nachführgenauigkeit ansonsten leidet und im Extremfall der Antrieb der Montierung Schaden nehmen kann.

Die Piggyback-Methode ist natürlich nicht auf kurzbrennweitige Aufnahmeoptiken beschränkt. Man kann auch kleine Spiegelteleskope hiermit nachführen, vorausgesetzt, die Montierung kann das Gewicht tragen. Die weitverbreiteten "Russentonnen" haben beispielsweise 1000 Millimeter Brennweite bei 10 Zentimetern Öffnung, liegen also im Bereich der astronomischen Teleskope. Mit zwei Kilogramm Gewicht lassen sie sich auf stabilen Montierungen auf diese Weise nachführen. Die Grenzen dieser Methode liegen also mehr beim Gewicht der verwendeten Optik als bei den Brennweiten.

Die Piggyback-Fotografie eignet sich sehr gut für den Einstieg in die Astrofotografie mit langen Belichtungszeiten. Man benötigt keine speziellen Adapter, um die Kamera am Okularauszug zu befestigen, und das Teleskop dient gleich als Leitfernrohr. Es empfiehlt sich, zunächst mit Weitwinkel- und Normalobjektiven zu beginnen und sich dann zu den Telebrennweiten hochzuarbeiten.

Typische Anwendungsgebiete der Piggyback-Fotografie sind Panoramafotos der Milchstraße und des Sternenhimmels sowie die Meteorfotografie mit Nachführung. Mit Teleobjektiven lassen sich ausgedehnte Sternhaufen, Nebel und Galaxien formatfüllend fotografieren. Solche großflächigen Objekte sind mit der Piggyback-Methode sogar eindrucksvoller erfassbar als mit langbrennweitigen Teleskopen.

Kometenfotos mit langen Schweifen und Mondfinsternisse mit Hintergrundsternen sind ebenfalls Objekte, für die sich die Piggyback-Methode hervorragend eignet.

Soll die Kamera anstelle des Okulars direkt an das Teleskop angeschlossen werden, gibt es zwei Methoden zur Nachführung:

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Das Leitfernrohr

Das Leitfernrohr ist ein kleines Fernrohr, meistens ein Linsenteleskop mit 60 bis 80mm Öffnung oder ein kleiner Maksutov, das parallel zum Hauptfernrohr ausgerichtet wird. Die Anordnung ist wie bei einem Sucherfernrohr: Das Leitrohr wird meistens in zwei Rohrschellen mit je drei Schrauben parallel zum Teleskop befestigt.

Das Leitfernrohr hat eine hohe Lichtstärke zum Vorteil, so dass bei hoher Vergrößerung, die zur genauen Nachführung benötigt wird, auch lichtschwächere Sterne verwendet werden können. Es steht auch ein relativ großes Gesichtsfeld zur Verfügung, so dass sich praktisch immer ein Leitstern mit ausreichender Helligkeit in der Nähe des Aufnahmeobjektes befindet. Somit ist die Zentrierung des Motivs auf dem Film bzw. Bildsensor unproblematisch.

Ein Leitrohr hat allerdings auch Nachteile: Da es sich um ein eigenständiges Teleskop handelt, ist es relativ teuer. Durch das zusätzliche hohe Gewicht bedarf es einer sehr stabilen und somit meist schwereren Montierung für das Aufnahmegerät, was sich wiederum in einem höheren Preis und Transportaufwand niederschlägt.

Das Leitfernrohr ist eine nicht zu unterschätzende Angriffsfläche für Wind. Die Gefahr, dass Aufnahmen durch Wind verwackeln, erhöht sich auch bei stabilen Montierungen beträchtlich.

Ist ein Leitrohr nicht exakt parallel zum Hauptrohr ausgerichtet, kommt es zur Bildfelddrehung. Diese hat zur Folge, dass die Sterne zu Kreisbögen verzerrt werden, in deren Zentrum der Leitstern steht.

Ein Leitrohr muss ebenfalls über eine sehr gute Optik verfügen. Wenn man präzise nachführen will, muss man hohe Vergrösserungen, ggf. unter Verwendung einer Barlow-Linse (siehe unten), anwenden. Damit ein Teleskop auch bei solch hohen Vergrösserungen an der Grenze der maximal sinnvollen Vergrösserung eine perfekte Sternabbildung erzeugt, ist eine sehr gute Optik vonnöten.

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Der Off-Axis-Guider

Der Off-Axis-Guider wird zwischen Kamera und Fernrohr montiert. Er besitzt zwei Anschlüsse: Einer führt in direkter Verlängerung des Strahlenganges des Teleskops zur Kamera, der zweite Strahlengang führt im rechten Winkel zu einem Anschluss für Fadenkreuzokulare oder Autoguider (siehe unten). Innerhalb des Off-Axis-Guiders befindet sich ein kleines Prisma, das einen kleinen Teil des Lichtbündels, das vom Fernrohr kommt, im rechten Winkel zur Nachführkontrolle ablenkt (siehe Zeichnung).

Skizze eines Off-Axis-Guiders (der Lichteinfall ist von links nach rechts, siehe Pfeile):

Off - Axis - Guider

Ein Off-Axis-Guider hat gegenüber einem Leitfernrohr einige Vorteile: Es handelt sich um ein sehr kleines Bauteil. Dies bringt eine enorme Gewichtsersparnis mit sich, was die Stabilität des Aufnahmegerätes bei einer gegebenen Montierung gegenüber der Verwendung eines Leitrohres erhöht. Der Off-Axis-Guider ist nicht annähernd so windanfällig wie ein Leitrohr. Er ist auch viel preiswerter als ein Leitfernrohr.

Diesen Vorteilen stehen auch Nachteile gegenüber: Durch das Umlenkprisma können Abschattungen entstehen, die denen ähneln, die ein Fangspiegel von einem Spiegelteleskop erzeugt. Aufgrund der Tatsache, dass nur ein sehr kleiner Bereich des Strahlenganges zur Nachführung zur Verfügung steht, ist es nicht immer einfach, einen Leitstern in unmittelbarer Umgebung des zu fotografierenden Objektes zu finden. Dies hat zur Folge, dass das Motiv, nachdem ein Leitstern gefunden wurde, mitunter nur am Rand des Bildfeldes steht. Hier erhöht sich auch das Risiko, dass sich Randunschärfen, die nahezu alle Teleskope aufweisen, störend auf das Objekt auswirken.

Off-Axis-Systeme liefern auch ein lichtschwächeres Bild als ein Leitrohr, da im Gegensatz zum Leitfernrohr nur ein keiner Teil des gesammelten Strahlenbündels zur Nachführung zur Verfügung steht (siehe Skizze oben).

Lediglich sehr lichtempfindliche Autoguider (siehe unen) finden bei einem Off-Axis-Guider nahezu immer einen geeigneten Leitstern zur Nachführung.

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Fadenkreuz-Okulare

Fadenkreuz-Okulare sind Okulare mit mittleren Brennweiten, in die ein oder mehrere Fadenkreuze eingeätzt sind, in deren Zentrum der Leitstern bei der Astrofotografie gehalten werden muss.

Foto eines Fadenkreuzokulars:

Fadenkreuzokular

Es gibt folgende Grundtypen:

  • Das einfache Fadenkreuz: Hier ist ein einfaches Fadenkreuz in die Okularlinsen eingeätzt, dessen Linien sich in der Mitte des Gesichtsfeldes schneiden.

  • Doppelte Fadenkreuze: Bei dieser Version stenen je zwei eingeätzte, gerade Linien im rechten Winkel zueinander, so dass sich in der Mitte des Gesichtsfeldes ein kleines Viereck befindet, in dessen Mitte der Leitstern zu halten ist. Diese Version hat den großen Vorteil, dass der Leitstern nicht vom Fadenkreuz abgedeckt wird, das erleichtert die Arbeit erheblich.

    Foto eines doppelten Fadenkreuzes. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Arnold Barmettler; www.calsky.com)

    Doppeltes Fadenkreuz

  • Copyright der Aufnahme: Arnold Barmettler

  • Verschiebbare Fadenkreuze: Bei diesen Modellen kann das Fadenkreuz innerhalb des Gesichtsfeldes verschoben werden. Diese Modelle erlauben die Wahl eines Leitsterns, ohne die Optik schwenken zu müssen. Das Objekt bleibt also zentriert.

Eine Beleuchtung des Fadenkreuzes mit einer roten (wegen der Dunkeladaption der Augen) Leuchtdiode erleichtert die Nachführung. Die Helligkeit sollte regulierbar sein, damit schwache Leitsterne nicht überstrahlt werden.

Bei einigen Fadenkreuz-Okularen lässt sich das Fadenkreuz mit Hilfe eines Dioptrienausgleichs fokussieren. Das ist vor allem für Brillenträger praktisch, die am Teleskop ohne Brille arbeiten.

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Barlow-Linsen

Eine Barlow-Linse ist ein negatives Linsenelement. Sie verlängert die Brennweite des Teleskops um einen festen Betrag, meistens um den Faktor zwei, drei oder vier. Durch die Verlängerung der Brennweite erhöht sich bei einem gegebenen Okular die Vergrößerung um den Faktor, der dem Verlängerungsfaktor der Barlow-Linse entspricht.

Beispiel: Ein Teleskop mit 1000mm Brennweite liefert mit einem 10mm-Okular eine 100-fache Vergrößerung. Mit einer Zweifach-Barlowlinse verdoppelt sich die Brennweite, die Vergrößerung beträgt jetzt 200-fach mit 10mm Okularbrennweite.

Allerdings verringert sich hierbei auch die Lichtstärke. Mit einer zweifach-Barlowlinse vervierfacht sich die Belichtungszeit gegenüber einer Aufnahme ohne Barlow-Linse bei gleicher Teleskopöffnung und ISO-Empfindlichkeit. Hier muss man ja nach gewünschtem Motiv abwägen.

Ihre Stärken können Barlow-Linsen bei der Nachführung ausspielen: Durch die Verdoppelung der Vergrößerung erkennt man kleine Nachführfehler viel deutlicher. So kann man die Optik präziser nachführen, zumal Leitfernrohre "pur" in der Regel zu kurzbrennweitig sind, um die maximal sinnvolle Vergrößerung eines Gerätes mit einem Fadenkreuzokular zu erreichen.

Foto einer Barlow-Linse:

Barlow-Linse

Natürlich kann man mit einer Barlow-Linse auch bei der Fotografie die Brennweite und somit die Abbildungsgrösse des Objektes auf dem Film bzw. Sensor beeinflussen. Dies eignet sich insbesondere für kleine Sternhaufen und Nebel (zum Beispiel planetarische Nebel) sowie Mond und Planeten. Hierbei wird die Belichtungszeit bei Verwendung einer Zweifach-Barlowlinse bei gleicher Öffnung und ISO-Empfindlichkeit vervierfacht. Für die fotografische Anwendung sind Barlow-Linsen, die die Brennweite um mehr als den Faktor zwei verlängern, wegen des immensen Verlustes an Lichtstärke nicht empfehlenswert. Eine Ausnahme stellt die Mond- und Planetenfotografie mit Webcams dar, hierauf wird im Artikel Webcams eingegangen.

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Autoguider

Der Autoguider (to guide engl. = nachführen) ist ein Gerät, dass die Nachführfehler einer Montierung registriert und ausgleicht. Ein Autoguider beinhaltet als Herzstück einen CCD-Sensor, wie er auch in CCD-Kameras und einigen Digitalkameras verwendet wird. Dieser besteht aus zahlreichen einzelnen Bildpunkten (Pixeln), die wie die Karos auf Millimeterpapier angeordnet sind.

Zunächst sucht der Autoguider selbstständig einen Leitstern. Während der Belichtung registriert der Sensor die Position des Leitsterns und speichert sie. Tritt ein Nachführfehler auf, werden andere Pixel belichtet, als die anfängliche Sollposition vorgibt. Diese Änderung registriert der Autoguider dadurch, dass in anderen Pixeln durch die Lichtteilchen (Photonen) Elektronen und somit Ladungen freigesetzt werden.

Jetzt muss der Autoguider die Montierung ansteuern: Zum Ausgleich des Nachführfehlers muss der Autoguider die Motoren so ansteuern, dass die Montierung genau entgegengesetzt der Richtung des Nachführfehlers läuft, bis sich der Stern wieder in der Sollposition befindet.

Ein Autoguider funktioniert ohne externen Computer.

Dank der extremen Lichtempfindlichkeit moderner CCD-Sensoren können schwächere Sterne als Leitstern herangezogen werden, als man sie mit einem Fadenkreuzokular nachführen könnte.

Wenn man einen Autoguider einsetzen möchte, muss man darauf achten, dass sich die Montierung von einem solchen Gerät ansteuern lässt.

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Einnordung und Ausrichtung der Montierung

Unter Einnorden versteht man die Ausrichtung einer parallaktischen Montierung auf den Himmelspol. Bevor dies erfolgen kann, muss die Montierung parallel zur Schwerkraft ausgerichtet werden. Das geschieht, indem die Höhen der Stativbeine einzeln verstellt werden, bis eine parallele Ausrichtung erreicht ist.

Die parallele Ausrichtung kann mittels einer in die Montierung eingelassenen Dosenlibelle überprüft werden: Das ist eine kleine, runde Kapsel, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und eine kleine Luftblase aufweist. Auf der Oberseite ist ein Ring eingezeichnet. Befindet sich die Luftblase genau im Zentrum des Ringes, ist die Ausrichtung parallel.

Foto einer Dosenlibelle:

Dosenlibelle

Hat man keine Dosenlibelle zur Verfügung, kann man sich mit einer Wasserwaage behelfen: Diese wird an geeigneter Stelle in Nord-Süd und Ost-West-Richtung angesetzt. Befindet sich bei beiden Orientierungen die Luftblase in der Mitte der Wasserwaage, ist die parallele Ausrichtung exakt.

Jetzt kann die Montierung eingenordet werden:

Mit einem Polsucherfernrohr ist diese Arbeit binnen weniger Minuten erledigt: Der Polsucher verläuft innerhalb der Polachse. Es ist ein kleines Fernrohr mit internen Markierungen für die Poljustage. Die genaue Vorgehensweise ist modellspezifisch und der jeweiligen Bedienungsanleitung zu entnehmen.

Ohne Polsucher ist die Einnordung ungleich komplizierter. Hier bedarf es der Scheiner-Methode:

Zunächst wird die Montierung grob in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet und die Polhöhe grob mit Hilfe der Skala auf der Montierung eingestellt.

Mit Hilfe eines Kompasses kann die Nord-Süd-Richtung sehr genau ermittelt werden. Hierbei ist unbedingt die magnetische Missweisung einzurechnen: Sie kommt dadurch zustande, dass der geographische und magnetische Nordpol nicht übereinstimmen. Der Kompass zeigt zum magnetischen Nordpol, die Ausrichtung muss auf den geographischen Nordpol erfolgen. Ist die magnetische Missweisung bekannt, muss man diesen Betrag in Grad gegenüber der vom Kompass angezeigten Nordrichtung hinzuzählen bzw. abziehen.

Nach der groben Ausrichtung beginnt die eigentliche Arbeit:

Die folgenden Angaben beziehen sich auf den Anblick im Okular mit Zenitprisma. Ohne Zenitprisma sind die Driftrichtungen bei den jeweiligen Fehlern in der Ausrichtung bei Nord und Süd entgegengesetzt.

  • Zentrieren Sie in einem beleuchteten Fadenkreuzokular einen Stern in der Nähe des Punktes, an dem sich Himmelsäquator und der Meridian (die Verbindungslinie zwischen Nord- und Südpunkt) schneiden.

  • Driftet der Stern nach Süden (unten), zeigt die Polachse zu weit nach Osten (rechts vom Polarstern), driftet er nach Norden (oben), liegt die Polachse zu weit westlich.

  • Verstellen Sie die Azimuteinstellung (horizontal) entsprechend, bis keine Drift des Sterns im Okular in Deklination auftritt.

  • Richten Sie das Fernrohr auf einen Stern in der Nähe des Osthorizontes (etwa 20 Grad Horizionthöhe), aber in der Nähe des Himmelsäquators.

  • Driftet der Stern nach Süden (unten), zeigt die Polachse zu weit nach unten. Bei einer Drift nach Norden (oben) zeigt sie zu weit nach oben. Mit einem Leitstern Am Westhorizont sind die Driftrichtungen bei den jeweiligen Ausrichtungsfehlern umgekert.

  • Verstellen Sie die Polhöhe entsprechend, bis keine Drift des Sterns in Deklination mehr auftritt.

Diese umständliche Prozedur ist nur bei Langzeitbelichtungen mit einer Dauer von mehr als fünf Minuten erforderlich.

Bei ungenauer Einnordung macht sich die sog. Bildfeldrotation störend bemerkbar. Es handelt sich hierbei um eine Drehung des Bildfeldes um den Leitstern, wobei die Sterne zu konzentrischen Strichspuren verzerrt werden. Um das zu vermeiden, sollte die Abweichung von der exakten Einnordung nicht mehr als ein Viertel Grad betragen. Zum Vergleich: Der Polarstern ist etwa 0,8 Grad vom exakten Himmelspol entfernt.

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Vorgehensweise bei der Nachführung

Bei der Nachführung muss der Leitstern im Zentrum des Fadenkreuzes des Fadenkreuzokulares gehalten werden. Dies geschieht über die Tasten der Kontrollbox. Bei langen Brennweiten ist von der Korrektur per Hand wegen der Verwackelungsgefahr abzuraten.

Erfolgt die Nachführung NICHT durch den gleichen Strahlengang wie die Aufnahme, also nicht mit Hilfe eines Off-Axis-Guiders, kann man sich bei doppelten Fadenkreuzen eines Tricks bedienen: Der Stern wird leicht unscharf gestellt, so dass der entstehende Zerstreuungskreis das zentrale Viereck exakt ausfüllt. Auf diese Weise kann man kleine Abweichungen des Leitsterns von der Sollposition und somit Nachführfehler deutlicher erkennen.

Bei Verwendung eines Off-Axis-Guiders kann man auch defokussieren, indem man das Fadenkreuzokular ein wenig aus dem Stutzen herauszieht und dann festklemmt. Dies erfordert allerdings Fingerspitzengefühl, da es nicht so feingängig geht wie eine extra dafür konstruierte Fokussiereinrichtung.

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