Ein zuverlässiger Autofokus gehört für mich zu den wichtigsten Funktionen eines modernen Astrofotografie-Setups. Gerade bei längeren Aufnahmeserien möchte man sich nicht darauf verlassen, den Fokus irgendwann manuell kontrollieren zu müssen. Temperaturänderungen, Filterwechsel oder mechanische Veränderungen können den optimalen Fokuspunkt verändern.

N.I.N.A. bietet mit Hocus Focus ein leistungsfähiges Autofokus-Modul, mit dem sich der Fokus weitgehend automatisieren lässt. Allerdings gibt es eine ganze Reihe von Einstellungen, die auf den ersten Blick nicht unbedingt selbsterklärend sind.

In diesem Artikel erkläre ich die wichtigsten Parameter und zeige, worauf es bei der praktischen Einstellung ankommt.

Warum überhaupt automatisch fokussieren?

Ein einmal manuell eingestellter Fokus bleibt bei einer Astrofotografie-Nacht nicht zwangsläufig konstant.

Dafür gibt es mehrere Gründe:

Temperaturänderungen verändern die Länge der Optik.
Filter können unterschiedliche Fokuslagen besitzen.
Mechanische Komponenten können sich geringfügig bewegen.
Bei langen Aufnahmeserien verändert sich die Umgebungstemperatur teilweise erheblich.
Besonders bei schnellen Optiken ist die Schärfentiefe relativ klein.

Ein automatischer Fokusvorgang kann deshalb beispielsweise nach einer bestimmten Temperaturänderung oder nach einem Filterwechsel ausgelöst werden.

Der große Vorteil liegt darin, dass N.I.N.A. den Fokus nicht nur einmal am Anfang der Nacht einstellt, sondern ihn während einer kompletten Aufnahmesession automatisch kontrollieren und bei Bedarf korrigieren kann.

Hocus Focus in N.I.N.A.

Hocus Focus ist ein Autofokus-Plugin für N.I.N.A., das die Sterne eines aufgenommenen Fokusbildes analysiert.

Dabei wird nicht einfach nach dem hellsten Stern gesucht. Entscheidend ist vielmehr die Größe bzw. Schärfe der Sterne.

Als Messgrößen kommen unter anderem FWHM und HFR zum Einsatz.

FWHM

FWHM steht für Full Width at Half Maximum.

Vereinfacht gesagt beschreibt der Wert, wie groß ein Sternabbild ist. Je kleiner der Wert, desto schärfer ist der Stern – zumindest innerhalb derselben Aufnahmebedingungen.

Ein kleiner FWHM-Wert bedeutet daher normalerweise einen besseren Fokus.

HFR

HFR steht für Half Flux Radius.

Auch hier wird die Größe der Sternabbildung bestimmt. HFR ist in N.I.N.A. beziehungsweise Hocus Focus eine häufig verwendete Messgröße.

Für die praktische Autofokussierung ist weniger wichtig, ob man nun FWHM oder HFR verwendet, als vielmehr, dass die Messung reproduzierbar ist und die Fokuskurve sauber aufgebaut werden kann.

Die wichtigste Einstellung: Step Size

Eine der wichtigsten Einstellungen ist die Step Size.

Sie bestimmt, wie weit sich der Fokusmotor zwischen den einzelnen Messungen bewegt.

Angenommen, der Autofokus macht sieben Messungen:

1000 → 1050 → 1100 → 1150 → 1200 → 1250 → 1300

Dann beträgt die Step Size in diesem Beispiel 50 Schritte.

Die richtige Schrittweite hängt vom verwendeten Fokusser und von der Mechanik des Teleskops ab.

Eine zu kleine Step Size ist problematisch, weil sich die Messwerte möglicherweise kaum voneinander unterscheiden.

Die Fokuskurve sieht dann beispielsweise so aus:

2,31 → 2,27 → 2,25 → 2,24 → 2,23 → 2,24

Die Unterschiede sind so gering, dass Seeing und Messfehler einen erheblichen Einfluss bekommen können.

Eine zu große Step Size ist ebenfalls nicht ideal. Dann kann der optimale Fokuspunkt zwischen zwei Messpositionen liegen und die Kurve wird unnötig grob.

Mein Grundsatz

Die Step Size sollte so gewählt werden, dass die Fokusänderung zwischen den Messpunkten deutlich erkennbar ist, ohne dass der gesamte Fokusbereich unnötig groß wird.

Das muss man für jedes Teleskop und jeden Fokusser einmal praktisch ermitteln.

Number of Steps

Die Einstellung Number of Steps legt fest, wie viele Messpunkte die Fokuskurve enthält.

Eine typische Fokuskurve besteht beispielsweise aus:

7, 9 oder 11 Messpunkten.

Dabei sollte nicht das Motto „je mehr, desto besser“ gelten.

Zu wenige Punkte können dazu führen, dass die Kurve den tatsächlichen Verlauf nicht zuverlässig erfasst.

Zu viele Punkte verlängern dagegen den Autofokusvorgang und erhöhen die Gefahr, dass sich während der Messung Seeing oder Bedingungen verändern.

Für viele Setups ist ein Bereich von ungefähr 7 bis 9 Punkten ein guter Ausgangspunkt.

Die Fokuskurve – das Herzstück des Autofokus

Während des Autofokusvorgangs bewegt Hocus Focus den Fokusser absichtlich aus der optimalen Fokusposition heraus.

Dabei wird an jeder Position die Sternschärfe gemessen.

Typischerweise entsteht eine Kurve in Form eines „V“ beziehungsweise einer leicht gekrümmten V-Form.

Beispiel:

Der tiefste Punkt entspricht ungefähr der optimalen Fokusposition.

In der Praxis ist die Kurve allerdings selten perfekt symmetrisch. Seeing, Sternanzahl, Luftunruhe und Messfehler beeinflussen die Messwerte.

Eine leicht unregelmäßige Kurve ist deshalb nicht automatisch ein Problem.

Autofocus Exposure Time

Die Autofocus Exposure Time legt fest, wie lange die einzelnen Fokusaufnahmen belichtet werden.

Hier sollte man einen Kompromiss finden.

Eine zu kurze Belichtungszeit liefert möglicherweise zu wenige Sterne für eine zuverlässige Analyse.

Eine zu lange Belichtungszeit verlängert dagegen den Autofokusvorgang unnötig.

Bei lichtstarken Teleskopen können wenige Sekunden bereits ausreichend sein. Bei einem schmalbandigen 3-nm-Filter kann dagegen eine deutlich längere Belichtung notwendig sein.

Gerade bei Hα, OIII oder SII sollte man deshalb nicht dieselbe Autofokus-Belichtungszeit wie bei einem LRGB-Filter voraussetzen.

Warum Schmalbandfilter beim Autofokus schwieriger sein können

Ein 3-nm-Schmalbandfilter lässt nur einen sehr kleinen Teil des Spektrums passieren.

Dadurch stehen Hocus Focus deutlich weniger Photonen zur Verfügung.

Das hat mehrere Konsequenzen:

weniger Sterne im Fokusbild
schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis
längere notwendige Belichtungszeiten
unruhigere Fokuskurven

Bei einer Mono-Kamera mit Hα-, OIII- und SII-Filtern sollte man daher die Autofokus-Einstellungen nicht zwangsläufig für alle Filter identisch wählen.

Besonders OIII und SII können deutlich mehr Belichtungszeit benötigen als Hα.

Overshoot

Ein weiterer wichtiger Parameter ist Overshoot.

Beim Fokussieren spielt die mechanische Richtung des Fokusmotors eine Rolle.

Ein Fokusser beziehungsweise die angeschlossene Mechanik kann beispielsweise ein kleines mechanisches Spiel besitzen. Wird die Bewegungsrichtung gewechselt, kann es passieren, dass sich der Motor zwar bewegt, die eigentliche Fokusmechanik aber zunächst noch nicht exakt entsprechend reagiert.

Dieses Spiel wird häufig als Backlash bezeichnet.

Overshoot kann helfen, die Mechanik reproduzierbar aus derselben Richtung an die endgültige Fokusposition heranzuführen.

Das Prinzip ist einfach:

Der Fokusser fährt etwas über die gewünschte Position hinaus und anschließend aus einer definierten Richtung zurück.

Dadurch soll sichergestellt werden, dass das mechanische Spiel nicht zu unterschiedlichen Fokuspositionen führt.

Backlash Compensation

Backlash Compensation verfolgt ein ähnliches Ziel.

Bei einem mechanischen Fokusser kann es einen Unterschied machen, ob die gewünschte Position beispielsweise von außen nach innen oder von innen nach außen angefahren wird.

Das Problem ist besonders relevant bei:

Zahnradgetrieben
älteren Fokusmechaniken
bestimmten Crayford-Auszügen
mechanisch nicht vollständig spielfreien Systemen

Bei einem hochwertigen Motorfokusser mit sehr wenig Spiel ist Backlash dagegen möglicherweise kaum relevant.

Wichtig:

Backlash sollte nicht einfach möglichst hoch eingestellt werden.

Zu große Werte führen lediglich zu unnötigen Bewegungen und verlängern den Autofokus.

Am besten testet man das mechanische Verhalten des eigenen Fokusssystems einmal systematisch.

Wie findet man den optimalen Backlash-Wert?

Eine einfache praktische Methode ist:

Fokusser auf eine definierte Position fahren.
Mehrfach dieselbe Position aus derselben Richtung anfahren.
Anschließend dieselbe Position aus der Gegenrichtung anfahren.
Die tatsächlich erkennbare Fokusänderung vergleichen.

Wenn sich die Fokusposition erst nach beispielsweise 80 Motorsteps zuverlässig verändert, liegt das mechanische Spiel ungefähr in dieser Größenordnung.

Der konkrete Wert hängt natürlich vom verwendeten Fokusser und der Mechanik ab.

Filterwechsel und Autofokus

Bei einer Mono-Kamera ist ein weiterer Punkt besonders wichtig:

Nicht jeder Filter fokussiert an derselben Position.

Das betrifft insbesondere:

L
R
G
B
Hα
OIII
SII

Selbst wenn die Filter optisch sehr ähnlich sind, können sich unterschiedliche Fokuslagen ergeben.

Deshalb sollte ein automatisierter Workflow nach einem Filterwechsel gegebenenfalls einen neuen Autofokus durchführen.

Noch besser ist es, wenn N.I.N.A. beziehungsweise das verwendete Setup die unterschiedlichen Fokuspositionen der Filter berücksichtigt.

Filter Offset

Mit Filter Offset kann man die unterschiedliche Fokusposition verschiedener Filter berücksichtigen.

Angenommen, der Luminanzfilter liegt bei Fokusposition:

10.000

und Hα benötigt:

10.350

Dann beträgt der Offset:

+350 Steps

N.I.N.A. kann dadurch beim Filterwechsel direkt in die Nähe der erwarteten Fokusposition fahren.

Der Autofokus muss anschließend nur noch die Feinjustierung durchführen.

Das spart Zeit und ist besonders bei vielen Filterwechseln interessant.

Wann sollte N.I.N.A. neu fokussieren?

Ein Autofokus nach jeder Aufnahme wäre natürlich möglich – aber vollkommen unnötig.

Sinnvoller ist eine Kombination verschiedener Bedingungen.

Zum Beispiel:

Nach einem Filterwechsel

Besonders bei einer Mono-Kamera mit unterschiedlichen Filtern.

Nach einer Temperaturänderung

Die Optik kann sich durch Temperaturänderungen verändern.

Je nach Teleskop kann bereits eine relativ kleine Temperaturänderung eine sichtbare Fokusverschiebung verursachen.

Nach einer bestimmten Zeit

Bei einer langen Aufnahmenacht kann ein regelmäßiger Autofokus sinnvoll sein.

Bei schlechter werdender Fokussituation

N.I.N.A. kann auch anhand verschiedener Kriterien feststellen, dass eine erneute Fokussierung sinnvoll ist.

Autofokus und Temperatur

Die Temperaturabhängigkeit ist bei vielen Teleskopen nicht zu unterschätzen.

Nehmen wir beispielsweise eine Aufnahmenacht:

20:00 Uhr: 18 °C
23:00 Uhr: 13 °C
02:00 Uhr: 9 °C
05:00 Uhr: 6 °C

Der Fokuspunkt kann sich während dieser Zeit deutlich verändern.

Deshalb sollte man nicht davon ausgehen:

„Einmal fokussiert – die ganze Nacht scharf.“

Gerade bei langen Nächten ist eine temperaturabhängige Autofokusstrategie sinnvoll.

Wie sieht eine gute Fokuskurve aus?

Eine gute Fokuskurve sollte einen klaren Bereich mit zunehmender Schärfe und anschließend wieder zunehmender Unschärfe zeigen.

Wichtig ist dabei nicht, dass die Kurve mathematisch perfekt aussieht.

Entscheidend ist:

genügend Messpunkte
ausreichend große Unterschiede zwischen den Punkten
ausreichend Sterne
möglichst wenig Messrauschen
ein klar erkennbarer Fokusbereich

Eine leicht asymmetrische Kurve kann völlig normal sein.

Problematisch wäre beispielsweise:

2,31
2,30
2,29
2,30
2,28
2,31
2,29
2,30

Hier ist kein eindeutiger Verlauf erkennbar.

Dann sollte man zunächst die Ursache suchen, bevor man einfach weitere Parameter verändert.

Typische Fehler bei Hocus Focus

1. Step Size zu klein

Die Fokuspositionen unterscheiden sich kaum.

Folge: Die Kurve wird sehr flach und unruhig.

Lösung: Step Size erhöhen.

2. Step Size zu groß

Die Fokusposition wird mit wenigen großen Schritten durchfahren.

Folge: Der optimale Fokusbereich wird möglicherweise nur unzureichend erfasst.

Lösung: Step Size reduzieren.

3. Belichtungszeit zu kurz

Zu wenige Sterne werden erkannt.

Folge: Die Messwerte schwanken stark.

Lösung: Belichtungszeit erhöhen.

4. Seeing zu schlecht

Bei schlechtem Seeing verändern sich die Sternabbildungen von Aufnahme zu Aufnahme.

Folge: Eine eigentlich gute Fokuskurve kann unruhig aussehen.

Hier kann man mit längeren Einzelbelichtungen und einer größeren Zahl geeigneter Sterne teilweise gegensteuern.

5. Zu wenig Sterne

Das ist insbesondere bei Schmalbandaufnahmen ein Problem.

Wenn Hocus Focus nur sehr wenige geeignete Sterne findet, wird die Fokusmessung entsprechend unsicher.

Ein wichtiger Punkt: Fokusser und mechanische Stabilität

Nicht jede Autofokus-Problematik ist ein Softwareproblem.

Wenn die Mechanik Spiel hat oder der Fokusser unter Last nachgibt, kann Hocus Focus noch so gut eingestellt sein – der Fokus wird trotzdem nicht zuverlässig sein.

Das gilt insbesondere bei:

schweren Kameras
Filterrädern
langen Teleskoptuben
vertikal belasteten Fokusmechaniken

Vor dem Optimieren der NINA-Einstellungen sollte deshalb die Mechanik überprüft werden.

Der Fokusser sollte reproduzierbar dieselbe Position erreichen.

Meine Vorgehensweise beim Einrichten

Ich würde Hocus Focus nicht sofort mit allen möglichen Parametern optimieren.

Stattdessen gehe ich schrittweise vor.

Schritt 1 – manuell fokussieren

Zunächst wird das Teleskop möglichst genau manuell fokussiert.

Schritt 2 – Autofokus starten

Eine Fokuskurve aufnehmen und beobachten.

Schritt 3 – Step Size anpassen

Die Messpunkte müssen einen deutlichen Unterschied in der Sternschärfe zeigen.

Schritt 4 – Number of Steps festlegen

Mit etwa 7–9 Punkten beginnen und anschließend beurteilen, ob die Kurve ausreichend gut erfasst wird.

Schritt 5 – Belichtungszeit optimieren

So lange belichten, bis genügend Sterne zuverlässig erkannt werden.

Schritt 6 – Backlash prüfen

Wenn der Fokusser unterschiedliche Ergebnisse abhängig von der Bewegungsrichtung liefert, sollte das mechanische Spiel untersucht werden.

Schritt 7 – Filter testen

Bei einer Mono-Kamera jeden Filter einzeln überprüfen.

Schritt 8 – Autofokus automatisieren

Erst wenn der manuelle Autofokus zuverlässig funktioniert, würde ich die automatischen Trigger für Temperatur, Filterwechsel oder Zeit aktivieren.

Mein Fazit

Hocus Focus ist ein sehr leistungsfähiges Werkzeug, aber die Qualität des Autofokus hängt nicht von einem einzelnen Parameter ab.

Die wichtigsten Einstellungen sind aus meiner Sicht:

Step Size
Sie bestimmt, wie groß die Fokusbewegung zwischen den Messpunkten ist.

Number of Steps
Sie bestimmt, wie detailliert die Fokuskurve aufgenommen wird.

Exposure Time
Sie muss ausreichend Signal für eine zuverlässige Sternanalyse liefern.

Overshoot / Backlash
Diese Einstellungen sind wichtig, wenn die Mechanik Spiel beziehungsweise eine Richtungsabhängigkeit besitzt.

Filter Offset
Bei einer Mono-Kamera mit mehreren Filtern kann dadurch die unterschiedliche Fokuslage berücksichtigt werden.

Der wichtigste Grundsatz lautet für mich:

Nicht versuchen, die Einstellungen theoretisch perfekt zu bestimmen. Entscheidend ist, ob Hocus Focus mit dem eigenen Teleskop, Fokusser und Kamera reproduzierbar eine saubere Fokuskurve erzeugt.

Eine gute Autofokus-Konfiguration ist deshalb immer eine Kombination aus Softwareeinstellungen, Optik, Mechanik, Kamera und den tatsächlichen Aufnahmebedingungen.

Hat man diese Kombination einmal sauber eingerichtet, nimmt N.I.N.A. einen großen Teil der Routinearbeit ab. Gerade bei langen Aufnahmenächten ist das ein erheblicher Vorteil: Man kann eine Aufnahmeserie starten und muss sich nicht mehr darum kümmern, ob das Teleskop drei Stunden später durch einen Temperaturabfall langsam aus dem Fokus läuft.