Astrofotografie: Darks, Flats und Bias – wann und wie nimmt man Kalibrationsframes richtig auf?

Wer sich intensiver mit der Deep-Sky-Astrofotografie beschäftigt, kommt an ihnen nicht vorbei: Darks, Flats und Bias. Diese sogenannten Kalibrationsframes sind ein wichtiger Bestandteil der Bildbearbeitung und helfen dabei, technische Fehler und Unregelmäßigkeiten aus den eigentlichen Astroaufnahmen zu entfernen.

Doch welche Aufgabe erfüllen die einzelnen Aufnahmen? Wann müssen sie erstellt werden? Kann man sie über mehrere Nächte hinweg wiederverwenden? Und benötigt man bei modernen CMOS-Kameras überhaupt noch klassische Bias-Frames?

In diesem Artikel schauen wir uns die verschiedenen Kalibrationsframes im Detail an und erklären Schritt für Schritt, wie man sie richtig aufnimmt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf modernen gekühlten CMOS-Astrokameras, wie beispielsweise der ZWO ASI2600MM Pro.

1. Warum benötigt man Kalibrationsframes?

Bei einer astronomischen Aufnahme (Light-Frame) zeichnet die Kamera nicht ausschließlich das Licht des gewünschten Himmelsobjekts auf. Zusätzlich entstehen verschiedene technische und optische Einflüsse, die das Rohbild beeinträchtigen.

Dazu gehören unter anderem:

• Dunkelstrom (Dark Current): Elektrische Ladungen, die durch thermische Prozesse im Sensor entstehen.
• Hotpixel und Coldpixel: Einzelne Pixel, die ungewöhnlich hohe oder niedrige Signalwerte liefern.
• Ausleserauschen (Read Noise): Elektronisches Rauschen, das beim Auslesen des Sensors entsteht.
• Vignettierung: Eine ungleichmäßige Ausleuchtung des Bildfeldes, insbesondere mit dunkleren Bildecken.
• Staubschatten: Kleine Verschmutzungen auf Sensorfenster, Filtern oder anderen optischen Komponenten.

Kalibrationsframes erfassen diese Fehlerquellen gezielt, damit sie bei der späteren Bildbearbeitung rechnerisch korrigiert werden können.

Dabei erfüllt jeder Typ eine eigene Aufgabe:

Aufnahme	Aufgabe
Dark	Korrektur von Dunkelstrom und sensorbedingten Mustern
Flat	Korrektur von Vignettierung und Staubschatten
Bias	Erfassung des elektronischen Grundsignals und Auslese-Offsets
Dark-Flat	Korrektur von Dunkelstrom und Offset in den Flat-Aufnahmen

Die einzelnen Aufnahmen werden später zu sogenannten Master-Frames kombiniert und bei der Kalibrierung der Light-Frames in Programmen wie PixInsight verwendet.

2. Dark-Frames – Dunkelstrom und Hotpixel korrigieren

Was sind Darks?

Dark-Frames sind Dunkelaufnahmen, die ohne einfallendes Licht erstellt werden. Sie erfassen das thermisch bedingte Signal des Kamerasensors sowie charakteristische Muster und Hotpixel.

Da der Dunkelstrom mit der Belichtungszeit und der Sensortemperatur zunimmt, müssen Darks unter möglichst identischen Bedingungen wie die zugehörigen Light-Aufnahmen erstellt werden.

Wann muss ich Darks aufnehmen?

Für die Aufnahme von Darks gelten folgende Bedingungen:

• Gleiche Belichtungszeit wie die Light-Frames.
• Gleiche Sensortemperatur.
• Gleicher Gain-Wert.
• Gleicher Offset-Wert.
• Gleicher Binning-Modus und möglichst identische Ausleseeinstellungen.

Beispiel:

Du fotografierst ein Objekt mit deiner ASI2600MM Pro bei einer Sensortemperatur von -10 °C, Gain 100 und einer Belichtungszeit von 300 Sekunden.

Deine Darks müssen ebenfalls mit diesen Einstellungen aufgenommen werden.

Die Darks müssen nicht unmittelbar nach jeder Astrofotografie-Session erstellt werden. Du kannst sie auch zu einem späteren Zeitpunkt aufnehmen oder eine Dark-Bibliothek für unterschiedliche Belichtungszeiten und Temperaturen anlegen.

Wie nehme ich Darks auf?

1. Kamera auf die gewünschte Sensortemperatur herunterkühlen.
2. Teleskopöffnung beziehungsweise Kamera lichtdicht verschließen.
3. Gleiche Belichtungszeit wie bei den Light-Frames einstellen.
4. Gain und Offset entsprechend den Light-Aufnahmen einstellen.
5. Gewünschte Anzahl an Aufnahmen erstellen.

Meine Empfehlung:

Ich würde mindestens 20 bis 30 Darks aufnehmen. Bei längeren Belichtungsserien sind 50 oder mehr Aufnahmen sinnvoll, um ein möglichst rauscharmes Master-Dark zu erhalten.

Kann ich Darks wiederverwenden?

Ja! Darks lassen sich bei gekühlten CMOS-Kameras sehr gut wiederverwenden, solange die Aufnahmeparameter übereinstimmen.

Das ist einer der großen Vorteile gekühlter Astrokameras. Die Sensortemperatur lässt sich unabhängig von der Außentemperatur konstant halten.

Du kannst dir beispielsweise eine Dark-Bibliothek mit folgenden Kombinationen erstellen:

Temperatur	Belichtungszeit	Gain
-10 °C	120 Sekunden	100
-10 °C	180 Sekunden	100
-10 °C	300 Sekunden	100
-15 °C	300 Sekunden	100
-20 °C	300 Sekunden	100

Damit hast du für viele zukünftige Aufnahmeserien bereits passende Darks zur Verfügung.

Wichtig: Die Dark-Bibliothek sollte gelegentlich auf ihre Aktualität und Übereinstimmung mit den aktuellen Light-Aufnahmen überprüft werden.

3. Flat-Frames – Vignettierung und Staub entfernen

Was sind Flats?

Flat-Frames sind gleichmäßig ausgeleuchtete Aufnahmen des gesamten Bildfeldes. Sie erfassen die tatsächliche Ausleuchtung des optischen Systems und machen dadurch Vignettierung, Staubschatten und andere ortsfeste Helligkeitsunterschiede sichtbar.

Anders als Darks werden Flats nicht in völliger Dunkelheit aufgenommen. Stattdessen benötigt man eine möglichst homogene Lichtquelle.

Ein Flat zeigt beispielsweise, ob die Bildecken dunkler ausgeleuchtet sind als die Bildmitte oder ob sich Staubpartikel auf dem Kameraschutzglas oder einem Filter befinden.

Wann muss ich Flats aufnehmen?

Hier gilt eine wichtige Regel:

Flats sollten möglichst unmittelbar nach der eigentlichen Imaging-Session aufgenommen werden, solange das optische Setup unverändert geblieben ist.

Folgende Bedingungen müssen möglichst identisch bleiben:

• Kamera und Teleskop bleiben miteinander verbunden.
• Kamerarotation wird nicht verändert.
• Fokusposition bleibt unverändert.
• Filterrad und Filter bleiben an ihrer Position.
• Optische Komponenten werden nicht demontiert.
• Staubpartikel und Verschmutzungen dürfen sich nicht verändern.

Warum ist das so wichtig?

Ein Flat enthält die spezifischen Staubschatten und die Vignettierung deines optischen Systems. Wenn sich beispielsweise ein Staubpartikel auf dem Kameraschutzglas verschiebt, stimmt dessen Position im alten Flat nicht mehr mit der Light-Aufnahme überein.

Das Ergebnis können dunkle oder helle Ringe und andere Kalibrationsfehler sein.

Allerdings bedeutet das nicht, dass nach jeder einzelnen Nacht zwingend neue Flats benötigt werden. Wenn das gesamte Imaging-Setup unverändert geblieben ist, können vorhandene Flats durchaus über mehrere Sessions hinweg verwendet werden.

Wie nehme ich Flats auf?

Für die Aufnahme gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Methode 1: Flatfield-Panel

Eine besonders komfortable Lösung ist ein spezielles Flatfield-Panel, das gleichmäßiges Licht über die gesamte Teleskopöffnung verteilt.

Vorgehensweise:

1. Teleskop auf die gewünschte Position bringen.
2. Flatfield-Panel vor der Teleskopöffnung positionieren.
3. Panel einschalten.
4. Belichtungszeit so einstellen, dass keine Pixel überbelichtet werden.
5. Mehrere Flats aufnehmen.

Methode 2: Dämmerungshimmel

Alternativ kann man den gleichmäßig ausgeleuchteten Himmel während der Dämmerung verwenden.

Dabei sollte man darauf achten, dass keine Wolken, Sterne oder deutlichen Helligkeitsgradienten das Bild beeinflussen.

Methode 3: Selbstleuchtende Diffusorfläche

Eine weitere Möglichkeit ist eine gleichmäßig beleuchtete Diffusorfläche vor dem Teleskop. Hierfür eignen sich beispielsweise spezielle Diffusorfolien in Kombination mit einer Lichtquelle.

Welche Belichtungszeit ist für Flats richtig?

Die Belichtungszeit hängt von der Helligkeit der verwendeten Lichtquelle, dem Filter und der Empfindlichkeit des Sensors ab.

Entscheidend ist nicht eine bestimmte Belichtungszeit, sondern eine geeignete Signalhöhe ohne Übersteuerung.

Als Orientierung sollte das Histogramm im mittleren Bereich liegen. Ein Wert von ungefähr 30 bis 50 Prozent der nutzbaren Signalspanne ist ein guter Ausgangspunkt.

Bei einer Monokamera mit Schmalbandfiltern können sich die Belichtungszeiten erheblich unterscheiden.

Ein Hα-Filter mit 3 nm Bandbreite benötigt beispielsweise häufig eine längere Belichtungszeit als ein Luminanzfilter.

Wichtig bei CMOS-Kameras: Achte darauf, dass deine Lichtquelle keine störenden Helligkeitsschwankungen oder PWM-Flackern verursacht. Andernfalls können Streifen oder andere Muster in den Flats entstehen.

Wie viele Flats sollte ich aufnehmen?

Ich empfehle 20 bis 30 Flats pro Filter.

Bei einer Monokamera bedeutet das beispielsweise:

• 30 × Luminanz
• 30 × Rot
• 30 × Grün
• 30 × Blau
• 30 × Hα
• 30 × OIII
• 30 × SII

Das klingt zunächst nach viel Arbeit, ist aber gerade bei einer umfangreichen Schmalbandaufnahme sinnvoll.

Kann ich Flats wiederverwenden?

Grundsätzlich ja, aber hier sollte man vorsichtiger sein als bei Darks.

Flats können über mehrere Sessions hinweg verwendet werden, wenn sich die optischen Bedingungen nicht verändert haben.

Neue Flats sind insbesondere erforderlich, wenn:

• Die Kamera demontiert wurde.
• Das Filterrad entfernt wurde.
• Die Kamera gedreht wurde.
• Der Fokus deutlich verändert wurde.
• Optische Komponenten gewechselt wurden.
• Neue Staubpartikel aufgetreten sind.

Bei einer fest installierten Astrofotografie-Ausrüstung kann man durchaus mehrere Nächte mit einem einzigen Satz Flats arbeiten.

4. Bias-Frames – das elektronische Grundsignal erfassen

Was sind Bias-Frames?

Bias-Frames sind extrem kurz belichtete Dunkelaufnahmen. Sie erfassen das elektronische Grundsignal des Sensors, das beim Auslesen entsteht.

Jeder Sensor besitzt einen bestimmten elektronischen Offset. Dieser wird benötigt, damit auch sehr schwache Signale korrekt verarbeitet werden können.

Bias-Frames helfen dabei, diesen Offset und weitere systematische elektronische Signalanteile zu erfassen.

Wie nehme ich Bias auf?

Die Aufnahme ist vergleichsweise einfach:

1. Kamera lichtdicht verschließen.
2. Kürzeste mögliche Belichtungszeit einstellen.
3. Gain und Offset entsprechend den Light-Aufnahmen einstellen.
4. Mehrere Aufnahmen erstellen.

Die Sensortemperatur und die optische Ausrüstung spielen bei klassischen Bias-Aufnahmen normalerweise keine entscheidende Rolle.

Ich empfehle 50 bis 100 Bias-Aufnahmen für ein möglichst rauscharmes Master-Bias.

Benötigt man bei modernen CMOS-Kameras noch Bias?

Hier wird es interessant!

Bei älteren CCD-Kameras und klassischen DSLR-Kameras gehören Bias-Frames häufig zum Standardworkflow.

Bei modernen CMOS-Astrokameras ist die Situation etwas anders.

Insbesondere bei gekühlten CMOS-Kameras können die sehr kurzen Bias-Aufnahmen nicht immer das gleiche elektronische Verhalten zeigen wie längere Belichtungen.

Außerdem kann bei längeren Flat-Belichtungen bereits ein messbarer Dunkelstrom entstehen. Dieser wird durch ein klassisches Bias-Frame nicht vollständig erfasst.

Deshalb verwendet man bei modernen gekühlten CMOS-Kameras häufig sogenannte Dark-Flat-Frames anstelle von Bias-Frames.

Für eine Kamera wie die ZWO ASI2600MM Pro würde ich deshalb grundsätzlich einen Workflow mit Dark-Frames und Dark-Flat-Frames bevorzugen.

5. Dark-Flat-Frames – die Alternative zu Bias

Was sind Dark-Flats?

Dark-Flat-Frames sind im Prinzip ganz normale Dark-Aufnahmen, allerdings mit exakt der gleichen Belichtungszeit wie die zugehörigen Flats.

Sie erfassen das elektronische Grundsignal sowie den Dunkelstrom, der während der Flat-Belichtung entsteht.

Damit werden die Flats vor der eigentlichen Verwendung kalibriert.

Wann benötigt man Dark-Flats?

Dark-Flats sind insbesondere bei modernen CMOS-Kameras empfehlenswert.

Sie werden benötigt, wenn man den Dunkelstrom und den elektronischen Offset der Flat-Aufnahmen korrekt berücksichtigen möchte.

Dabei müssen folgende Einstellungen übereinstimmen:

• Gleiche Belichtungszeit wie die Flats.
• Gleicher Gain.
• Gleicher Offset.
• Gleiche Sensortemperatur.
• Gleicher Binning-Modus und möglichst identische Ausleseeinstellungen.

Wie nehme ich Dark-Flats auf?

Die Aufnahme ist sehr einfach:

1. Kamera auf die gleiche Sensortemperatur wie bei den Flats einstellen.
2. Kamera beziehungsweise Teleskop lichtdicht verschließen.
3. Belichtungszeit exakt auf die Flat-Belichtungszeit einstellen.
4. Gain und Offset übernehmen.
5. Entsprechend viele Dark-Flats aufnehmen.

Wenn du beispielsweise deine Hα-Flats mit 3 Sekunden belichtest, müssen auch deine Hα-Dark-Flats mit 3 Sekunden aufgenommen werden.

Für jeden unterschiedlichen Flat-Belichtungszeitwert benötigst du einen passenden Satz Dark-Flats.

Meine Empfehlung: Nimm genauso viele Dark-Flats wie Flats auf, also beispielsweise 30 Stück pro Filter.

6. Welche Kalibrationsframes benötige ich wirklich?

Gerade bei modernen gekühlten CMOS-Kameras kann man den Workflow deutlich vereinfachen.

Für eine Kamera wie die ASI2600MM Pro würde ich folgende Kombination empfehlen:

Kalibrationsframe	Empfehlung	Wiederverwendbar?
Darks	Ja	Ja, bei identischen Einstellungen
Flats	Ja	Ja, solange das optische Setup unverändert bleibt
Bias	Normalerweise nicht erforderlich	Ja, aber abhängig vom Workflow
Dark-Flats	Ja	Ja, bei identischen Flat-Einstellungen

Damit ergibt sich ein einfacher und zuverlässiger Workflow:

• Darks einmalig für die verwendeten Belichtungszeiten und Sensortemperaturen erstellen.
• Flats nach jeder Session oder bei Veränderungen des optischen Systems aufnehmen.
• Dark-Flats passend zu den jeweiligen Flats erstellen.
• Auf klassische Bias-Frames verzichten, wenn der verwendete CMOS-Kalibrationsworkflow Dark-Flats vorsieht.

Wichtig: Bias und Dark-Flats sollten nicht einfach zusätzlich und unüberlegt miteinander kombiniert werden. Entscheidend ist, dass der Kalibrationsworkflow und die verwendeten Master-Frames zueinander passen.

7. Wie werden die Kalibrationsframes in PixInsight verwendet?

Nach der Aufnahme werden die einzelnen Frames zunächst zu Master-Frames zusammengefasst.

Das geschieht in PixInsight über den Prozess ImageIntegration.

Anschließend übernimmt der Prozess ImageCalibration die eigentliche Kalibrierung der Light-Frames.

Vereinfacht sieht die Verarbeitung folgendermaßen aus:

Schritt 1: Master-Dark erstellen

Die einzelnen Dark-Aufnahmen werden integriert und ergeben ein Master-Dark.

Schritt 2: Master-Flat erstellen

Die Flat-Aufnahmen werden zunächst mit passenden Dark-Flats kalibriert. Anschließend werden die kalibrierten Flats zu einem Master-Flat integriert.

Schritt 3: Light-Frames kalibrieren

Die Light-Aufnahmen werden mit dem Master-Dark und dem passenden Master-Flat kalibriert.

Die grundsätzliche mathematische Verarbeitung lautet:

Dabei ist das Master-Flat zuvor korrekt kalibriert und normalisiert worden.

In PixInsight kann man diesen Ablauf weitgehend automatisieren. Wichtig ist, dass die richtigen Master-Frames den jeweiligen Light-Aufnahmen zugeordnet werden.

8. Meine praktische Empfehlung für die Astrofotografie

Wenn du regelmäßig mit einer gekühlten CMOS-Monokamera und verschiedenen Filtern fotografierst, würde ich mir einen möglichst effizienten Workflow aufbauen.

So würde ich vorgehen:

Einmalig beziehungsweise bei Bedarf:

• Dark-Bibliothek für die verwendeten Temperaturen und Belichtungszeiten erstellen.
• Gain- und Offset-Kombinationen dokumentieren.
• Passende Dark-Flats für die verwendeten Flat-Belichtungszeiten erstellen.

Nach einer Imaging-Session:

• Kamera und Filterrad möglichst nicht demontieren.
• Fokus und Kamerarotation nicht verändern.
• Flats für die verwendeten Filter aufnehmen.
• Passende Dark-Flats erstellen.

Vor der Bildbearbeitung:

• Prüfen, ob die vorhandenen Master-Darks noch zu den Light-Aufnahmen passen.
• Prüfen, ob die Flats den aktuellen optischen Zustand widerspiegeln.
• Master-Frames in PixInsight korrekt zuordnen.

Damit lässt sich der Aufwand für die Kalibration erheblich reduzieren, ohne bei der Bildqualität Kompromisse eingehen zu müssen.

Fazit

Darks, Flats und Bias beziehungsweise Dark-Flats gehören zu den wichtigsten Grundlagen der Deep-Sky-Astrofotografie.

Während Darks die sensorbedingten Signalanteile korrigieren, beseitigen Flats optische Unregelmäßigkeiten wie Vignettierung und Staubschatten. Bias-Frames erfassen das elektronische Grundsignal, werden bei modernen gekühlten CMOS-Kameras jedoch häufig durch Dark-Flat-Frames ersetzt.

Besonders wichtig ist die Erkenntnis, dass nicht alle Kalibrationsframes nach jeder Imaging-Session neu aufgenommen werden müssen.

Darks lassen sich bei identischen Aufnahmeparametern sehr gut wiederverwenden. Flats sind dagegen unmittelbar an den optischen Zustand des Imaging-Setups gebunden und sollten bei Veränderungen neu erstellt werden.

Wer diese Zusammenhänge versteht und seine Kalibrationsframes systematisch organisiert, spart Zeit bei der Aufnahme und erhält eine deutlich zuverlässigere Grundlage für die spätere Bildbearbeitung in PixInsight.