Fokussierung

Ein gut fokussiertes Teleskop ist eine grundlegende Voraussetzung für jede erfolgreiche Beobachtung, insbesondere wenn Deep-Sky-Aufnahmen angefertigt werden sollen. Mit etwas Übung lässt sich der optimale Fokus in der Regel innerhalb weniger Minuten finden. Der folgende Leitfaden soll dabei helfen.

Die Fokussierung des Teleskops erfolgt über einen Okularauszug, der in die Electronic Focuser Assembly (EFA) integriert ist. Diese kann entweder über ein Handterminal oder über das Observatory Management System (OMS) gesteuert werden. Da der EFA nur einen begrenzten Verstellbereich von 33mm besitzt, können verschiedene Adapter (M68) montiert werden, um mit unterschiedlichen Instrumenten den Fokus zu erreichen.

Berechnung des idealen Adapters

 D = 147 − 25 − 33/2 − C,

Erfahrungswerte für die Fokusposition:

Für die manuelle Steuerung des EFA steht ein Handterminal (Abbildung 1) zur Verfügung. Das Handterminal befindet sich im beweglichen Aufbewahrungscontainer in der Kuppel. Es muss an die schwarze Steuerbox mit der Beschriftung Electronic Focusing Accessory auf der Rückseite des Teleskops angeschlossen werden.

Das Kabel des Handterminals wird in den Anschluss H/C gesteckt (siehe Abbildung 2). Das Handterminal selbst kann an dem silbernen Bolzen in unmittelbarer Nähe der Steuerbox eingehängt werden. Ist das Handterminal angeschlossen, ist eine Steuerung über das OMS nicht möglich. Daher ist das Handterminal normalerweise nicht dauerhaft am Teleskop montiert.

Mit den Tasten In und Out kann der EFA nach innen bzw. außen bewegt werden. Die übrigen Tasten sind für einen Derotator vorgesehen, der bei unserem Teleskop nicht verwendet wird. Diese tasten haben daher keine Funktion.

Die Fokussierung über das OMS erfolgt mit dem Programm PWI4. Neben der Steuerung des Fokus regelt dieses Programm auch die im Teleskop installierten Lüfter und Heizungen. Diese beiden Aspekte werden im Artikel Temperaturregelung ausführlicher beschrieben.

Die Bedienung des EFA ist weitgehend selbsterklärend. Die aktuelle Position wird im Feld Position angezeigt, während der EFA mit den Tasten IN und OUT bewegt werden kann. Die Geschwindigkeit des Fokusmotors kann unter Jog eingestellt werden, indem ein entsprechender Wert eingegeben wird. Wir empfehlen die Standardeinstellung von 200 µm/s.

Über das Menü GOTO kann der EFA zu einer bestimmten Position gefahren werden. Eine laufende Bewegung kann jederzeit mit der Taste STOP gestoppt werden. Der zeitliche Verlauf der Temperaturen des Hauptspiegels, der Hauptspiegelhalterung, des Sekundärspiegels sowie der Umgebungstemperatur kann mit den Tasten SHOW bzw. HIDE ein- oder ausgeblendet werden.

Die manuelle Fokussierung kann mühsam sein, selbst wenn ein geeigneter Fokuspunkt bereits aus früheren Beobachtungen bekannt ist. Aus diesem Grund bieten verschiedene Programme automatische Fokussiermethoden an. Im Folgenden beschreiben wir Autofokus mit PWI4, Maxim DL und NINA. Welches Programm verwendet wird, hängt von den Präferenzen der Beobachtenden sowie vom jeweiligen Beobachtungsziel ab.

In NINA kann der Autofokus gestartet werden, indem im Menü Imaging auf der rechten Seite Autofocus ausgewählt wird. Nach der Auswahl startet NINA den Prozess automatisch.

Dabei ist zu beachten, dass der Fokusmotor zuvor über PWI4 gestartet und im Equipment-Tab verbunden sein muss. Außerdem verwendet NINA immer den aktuell ausgewählten Filter.

Ein erfolgreicher Autofokus-Durchlauf ist auf der linken Seite der Oberfläche erkennbar, wo eine klare hyperbolische Beziehung sichtbar wird. In dem gezeigten Beispiel dauerte der Lauf etwa 6:30 min und bestimmte 6612 als optimale Fokusposition für den Clear-Filter.

Unter Options > Autofocus können die Parameter zur Feinabstimmung des Autofokus eingestellt werden:

• Use filter offsets erlaubt es, vordefinierte Offsets pro Filter zu verwenden, statt jedes Mal neu zu fokussieren. (Derzeit noch nicht verfügbar; Testbeobachtungen erforderlich). Standard: OFF
• Autofocus initial offset steps bestimmt, wie weit der Fokusmotor zu Beginn nach außen fährt. Standard: 10
• Autofocus method: Methode zur Bestimmung der Fokusqualität. Standard: Star HFR (Half-Flux Radius)
• Curve fitting strategy: Funktion zur Anpassung der gemessenen Datenpunkte. Standard: Hyperbolisch
• Number of attempts: Anzahl der Wiederholungsversuche bei fehlgeschlagenem Autofokus. Standard: 1
• Use brightest n stars: Wenn >0, werden nur die n hellsten Sterne verwendet (gut für schlechte Sternfelder/verrauschte Bilder). Standard: 0
• Outer crop ratio: Wenn 1, wird der Overscan-Bereich abgeschnitten. Wenn -1, wird der Overscan-Bereich mit berücksichtigt. Standard: 1
• Binning: Pixel-Binning während des Autofokus. Standard: 2×2
• R² threshold: Minimale Fit-Qualität, bevor ein neuer Versuch gestartet wird. Standard: 0.8
• Autofocus step size: Schrittweite des Fokusmotors zwischen den Messungen. Standard: 150
• Default autofocus exposure time: Belichtungszeit pro Bild in Sekunden. Muss für jeden Filter angepasst werden. Standard: 6 s
• Disable guiding during AF: Deaktiviert das Guiding während des Autofokus. Standard: aus
• Focuser settle time: Wartezeit nach einer Fokusbewegung, damit Schwingungen im System Zeit haben abgebaut zu werden. Standard: 1 s
• Number of exposures per point: Anzahl der Bilder die pro Fokusposition erstellt und gemittelt werden. Standard: 1
• Inner crop ratio: Anteil des Bildes, der zur Sternsuche verwendet wird. Kann im Bereich von 0.2 bis 1 gesetzt werden. Standard: 0.5 = 50% der Aufnahme
• Backlash compensation method: Methode zur Kompensation des mechanischen Spiels. Zur Auswahl stehen Overshoot und Disable. Standard: Overshoot
• Backlash IN/OUT: Schrittzahl, die zur Korrektur des Backlash beim Ein- und Ausfahren verwendet wird. Standard: 20,0

PWI4 bietet ebenfalls die Möglichkeit der automatischen Fokussierung. Zu diesem Zweck kann PWI4 eine Verbindung zu ASCOM-Kameratreibern herstellen. Die entsprechende Einstellung kann im Camera-Reiter des Einstellungsdialogs vorgenommen werden.

Setzen Sie Selected device auf ASCOM camera und wählen Sie im Dropdown-Menü ASCOM driver den entsprechenden Kameratreiber aus.

Anschließend können die Autofokus-Einstellungen im Bereich Auto Focus des Focus-Tabs im Hauptfenster von PWI4 angepasst werden. Der Parameter Images bestimmt die Anzahl der Fokuspositionen. Spacing definiert die Schrittweite in Mikrometern, um die der EFA zwischen den einzelnen Positionen bewegt wird. Belichtungszeit und Binning werden unter Exp length und Binning eingestellt.

Folgende Einstellungen haben sich in der Praxis bewährt:

  Images     = 17
  Spacing    = 150
  Exp length = abhängig von Objekt/Filter (6 s sind ein guter Startwert)
  Binning    = 2

Nach dem Start des Autofokus führt PWI4 die einzelnen Fokuspositionen aus, bewegt den EFA jeweils um den Wert Spacing und nimmt ein Bild auf. Anschließend startet PWI4 das Programm PlateSolve, welches jedes Bild analysiert, nach Sternen sucht, deren Durchmesser bestimmt und daraus die Fokusqualität abschätzt. Die Ergebnisse werden in einer Tabelle dargestellt.

Im Folgenden zeigen wir ein Beispiel für einen erfolgreichen sowie einen fehlgeschlagenen Autofokus-Durchlauf:

Tabelle mit den Ergebnissen

Diagramm zur Darstellung der Fokusqualität (V-Kurve)

Ergebnis: schlecht fokussierter Stern

Es gibt verschiedene Gründe, warum ein Autofokus-Durchlauf fehlschlagen kann. Einer davon ist, dass sich der optimale Fokuspunkt außerhalb des Bereichs befindet, der durch den Autofokus abgedeckt wird. Es wird daher empfohlen, das Teleskop zuvor grob manuell zu fokussieren. Außerdem kann es vorkommen, dass kein Stern gefunden wird und daher die Fokusqualität nicht bestimmt werden kann.

Die traditionelle Methode der Fokussierung besteht darin, ein Himmelsfeld mit vielen dicht beieinander stehenden Sternen zu beobachten, beispielsweise einen Kugelsternhaufen. Unter solchen Bedingungen lässt sich die Fokusqualität besonders gut beurteilen, da umso mehr dicht stehende Sterne getrennt aufgelöst werden können, je besser der Fokus ist.

Für diese Methode ist Maxim DL die benutzerfreundlichste Software, da sie standardmäßig die meisten Diagnosewerkzeuge bietet. Die wichtigsten Parameter können jedoch auch im Bereich Statistics im Imaging-Tab von N.I.N.A gefunden werden. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf Maxim DL.

Im Exposure Tab des Camera Control-Fensters (siehe unten) wird im Dropdown-Menü Exposure Preset die Option Focus ausgewählt. In dieser Voreinstellung sind viele für die Fokussierung wichtige Parameter bereits sinnvoll gesetzt.

In den unten gezeigten Beispielen ist die Belichtungszeit (Seconds) auf eine Sekunde eingestellt; dieser Wert muss je nach verwendetem Objekt angepasst werden.

Nach einem Klick auf Start werden kontinuierlich Bilder aufgenommen und angezeigt. Nun kann das Teleskop mithilfe von PWI4 oder dem Handterminal des EFA fokussiert werden. Für die grobe Fokussierung empfiehlt es sich, zunächst einen hellen Stern anzusteuern und den Fokus so einzustellen, dass der Beugungsring verschwindet.

Um den Fokus weiter zu optimieren, kann anschließend ein Kugelsternhaufen beobachtet werden. Die geringe Winkelentfernung zwischen den Sternen erleichtert eine sehr präzise Fokussierung, da sich die Airy-Scheiben einzelner Sterne nur bei sehr guter Fokussierung voneinander trennen lassen.

Ein optimal fokussiertes Teleskop arbeitet mit einer seeing-limitierten Auflösung, die an unserem Standort häufig größer als 2″ ist. Dies ist deutlich schlechter als die beugungsbegrenzte Auflösung unseres Teleskops von etwa 0,3″. Das Rayleigh-Kriterium beschreibt die theoretische Grenze, bei der zwei Airy-Scheiben noch als getrennte Lichtquellen erkannt werden können.

Die unteren drei Panels des Camera Control-Fensters können verschiedene Informationen über die angeschlossenen Kameras sowie statistische Informationen über die Bilder anzeigen. Zwischen den verschiedenen Anzeigearten kann durch einen Rechtsklick in eines der Panels gewechselt werden.

Wenn keine Guiding-Kamera verwendet wird, empfehlen sich folgende Einstellungen:

• links: 3D Profile oder FWHM/time
• Mitte: Camera 1 Info
• rechts: Camera 1 Stats

Die Informationen im linken und rechten Panel beziehen sich auf den hellsten Stern im Bildfeld.

Der 3D Profile zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Sternbildes, wobei die Intensität die dritte Achse darstellt. FWHM/time zeigt die Halbwertsbreite (FWHM) des Sterns als Funktion der Zeit.

Das rechte Panel zeigt:

• Position des hellsten Pixels (X/Y)
• Pixelwert
• FWHM
• Half Flux Diameter (HFD)
• Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR)

Für eine gute Fokussierung gilt:

• möglichst hoher Pixelwert
• möglichst gutes SNR
• möglichst kleine FWHM
• möglichst kleine HFD

Diese Werte sollten während des Fokussierens optimiert werden.

Subframes ermöglichen es, den Fokussierungsprozess deutlich zu beschleunigen. Dabei wird nur ein kleiner Teilbereich des CCD ausgelesen, den der Benutzer auswählen kann. Dadurch verkürzen sich sowohl Auslese- als auch Downloadzeiten erheblich.

Der Subframe-Modus wird aktiviert, indem im Bereich Subframe auf On geklickt wird.

Der auszulesende Bereich kann entweder direkt eingegeben oder mit der Maus ausgewählt werden.

Scheiner-Blende, wie sie im Praktikum verwendet wird

Aperturmasken haben sich in der Astrofotografie als hilfreiche Werkzeuge zur Fokussierung und zur Prüfung der Abbildungsqualität von Teleskopen bewährt. Sie nutzen das physikalische Prinzip der Beugung, um die exakte Fokusposition eines Teleskops bestimmen zu können.

Masken mit zwei Öffnungen werden meist als Scheiner-Blenden bezeichnet, während Masken mit mehr als zwei Öffnungen Hartmann-Blenden genannt werden. Die Masken werden vor der Öffnung des Teleskops angebracht.

Zur Bestimmung des Fokus wird das Teleskop auf eine helle Lichtquelle (z. B. einen hellen Stern) ausgerichtet. Da das Licht durch verschiedene Öffnungen fällt, entstehen bei Defokus mehrere Bilder der Lichtquelle. Durch Anpassung des Fokus überlagern sich diese Bilder schließlich zu einem einzigen Punkt.

Für einige unserer Teleskope stehen Scheiner-Blenden mit rechteckigen Öffnungen zur Verfügung, die um 45° gegeneinander gedreht sind. Dadurch entstehen Beugungsspikes, die ebenfalls um 45° gegeneinander versetzt sind. Diese Spikes sind eine gute Hilfe beim Fokussieren, da sie nur bei optimalem Fokus ein symmetrisches Muster bilden.

Eine Vorlage der beschriebenen Scheiner-Blende (Format A2) für das C14 von Celestron findet sich hier}.

Testaufnahme eines hellen Sterns mit Scheiner-Blende (Fokus verbessert sich von links nach rechts)

Eine Bahtinov-Maske enthält drei Gruppen von Schlitzen mit unterschiedlichen Orientierungen. Diese erzeugen beim Beobachten eines Sterns ein charakteristisches Beugungsmuster mit drei Spikes.

Zwei Spikes bleiben relativ fest, während sich der mittlere Spike abhängig von der Fokusposition verschiebt. Wird der Fokus so eingestellt, dass dieser Spike genau zwischen den beiden anderen liegt, ist der optimale Fokus erreicht.