Headerbild
Home > CCD's in QSI-Kameras

Die CCD-Sensoren in den QSI-Kameras

 

Der Preis eines CCD-Chips orientiert sich ganz wesentlich an seiner Fläche. In der 600er Serie kommen mittelgroße und damit noch einigermaßen "bezahlbare" CCD-Chips zum Einsatz. Kein Chip ist letztlich so groß, dass der Einsatz von 2"-Filtern notwendig wäre. Das ist auch dem Umstand geschuldet, dass QSI die Filterräder in den CCD-Kameras sehr dicht über den Chips sitzen hat. QSI verwendet in seiner 600er-Serie CCD-Chips vom namhaften Hersteller Kodak und Sony. Alle CCD-Chips besitzen eine sehr hohe Quantenausbeute und ein Empfindlichkeitsspektrum von 300nm bis 1050nm. Neben einem sehr geringen Dunkelstrom haben diese Chips außerdem eine sehr hohe Dynamik, was nicht zuletzt auch auf die erstklassige Elektronik um dem Chip herum zurückzuführen ist.

Die Bezeichnung jeder einzelnen Kamera gibt Aufschluss über die Anzahl der Pixel des eingebauten CCD-Chips. Die 604er-Serie z.B. beinhaltet einen 0.4 Megapixel-Chip, die 620er einen 2 Megapixel-Chip usw. Insgesamt gibt es 9 verschiedene Chip-Größen:

Sensoren QSI-Modelle: Größen
QSI-Modell Sensor            Pixel      x y               Größe    Chip - Kanten Diagonale Fläche
[MPixel] [µ] [mm] x [mm] [mm] [mm<sup>2</sup>]
604 KAF-0402 0.4 768 x 512 9. 0 6.9 x 4.6 8.3 32
616 KAF-1603 1.6 1536 x 1024 9.0 13.8 x 9.2 16.6 127
620 KAI-2020 2.0 1600 x 1200 7.4 11.8 x 8.9 14.8 105
628 ICX674 2.8 1940 x 1460 4.54 8.8 x 6.6 11.0 58
632 KAF-3200 3.2 2184 x 1472 6.8 14.9 x 10.3 18.0 152
640 KAI-04022 4.0 2048 x 2048 7.4 15.2 x 15.2 21.4 230
660 ICX694 6.6 2758 x 2208 4.54 12.5 x 10.0 16.0 125
683 KAF-8300 8.3 3326 x 2504 5.4 18.0 x 13.5 22.5 243
690 ICX814 9.0 3388 x 2715 3.69 12.5 x 10.0 16.0 125
711 KAF-11002 10.7 4008 x 2672 9.0 37.3 x 25.7 45.3 957
716 KAI-16070 15.7 4864 x 3232 7.4 36.0 x 23.9 43.2 860
729 KAI-29050 28.8 6576 x 4384 5.5 36.2 x 24.1 43.5 872
746 KAF-6303 6.3 3072 x 2048 9.0 27.7 x 18.5 33.3 511
756 KAF-16803 16.8 4096 x 4096 9.0 36.9 x 36.9 52.1 1359

 

Die nachfolgende Tabelle zeigt einihe technische Details der Sensoren der QSI-Kameras:

Sensoren der QSI-Modelle: technische Details
QSI- Sensor&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; CCD-Typ Full Well Rauschen Anti- Dynamik Dunkelstrom QE Max Verweis
Modell&nbsp; [ke-] [e<sup>-</sup>] rms -blooming&nbsp;&nbsp;&nbsp; [db] e<sup>-</sup>/s/Pixel] -10° [%] bei [nm]
604 KAF-0402ME Full frame 100 15 - 76 0,2 77 - 640 <LINK file:286 - "download">Datenblatt</link>
616 KAF-1603ME Full frame 100 15 - 76 0,2 77 - 640 <LINK file:287 - "download">Datenblatt</link>
620 KAI-2020M Interline 45 8 800 74 0,1 55 - 460 <LINK file:288 - "download">Datenblatt</link>
628 ICX-674 Interline ~20 5 800 69 0,002 77 - 560 <LINK file:289 - "download">Datenblatt</link>
632 KAF-3200ME Full frame 55 8 - 77 0,1 85 - 600 <LINK file:290 - "download"> Datenblatt</link>
640 KAI-04022 Interline 45 8 300 74 0,02 55 - 500 <LINK file:291 - "download">Datenblatt</link>
660 ICX-694 Interline ~20 5 800 69 0,002 77 - 560 <LINK file:292 - "download">Datenblatt</link>
683 KAF-8300 Full frame 25 8 1000 70 0,02 56 - 540 <LINK file:293 - "download">Datenblatt</link>
690 ICX-814 Interline ~15 5 800 68 0,002 77 -560 <LINK file:294 - "download">Datenblatt</link>
711 KAF-11002 Full Frame 60 11 1000 66 0,2 50 - 500 <LINK file:295 - "download">Datenblatt</link>
716 KAI-16070 Interline 55 9 1000 73 0,02 52 - 515 <LINK file:296 - "download">Datenblatt</link>
729 KAI-29050 Interline 20 9 300 64 0,05 46 - 500 <LINK file:297 - "download">Datenblatt</link>
746 KAF-6303 Full Frame 100 11 - 76 0,02 68 - 660 <LINK file:298 - "download">Datenblatt</link>
756 KAF-16803 Full Frame 100 9 100 71 0,02 60 - 550 <LINK file:299 - "download">Datenblatt</link>

Quanteneffizienz

In der Astronomie und in vielen anderen wissenschaftlichen Bereichen wird verständlicherweise die Quantenausbeute oder Quanteneffizienz (QE) als ein wichtiges Kriterium eines Sensors genannt. Dass die Hersteller seit einiger Zeit die QE freizügiger bekannt geben, ist nicht selbstverständlich. Lange Zeit wurde die Angaben wie "verbotene Ware" unter dem Ladentisch gehandelt. Viel häufiger fand man früher die sogenannte relative spektrale Empfindlichkeit dokumentiert, also eine Angabe die die Empfindlichkeit eines CCD-Chip über die verschiedenen Wellenlängen normiert auf "1" angab.

Bei Truesense und Sony gibt es inzwischen Datenblätter (siehe Tabelle oben) mit Angaben zur Quanteneffizienz. Neben dem Maximum der Quanteneffizienz ist aber genauso deren spektraler Verlauf interessant und aussagekräftig. Eine hohe QE im Roten würde nichts bringen, wenn man RGB-Aufnahmen machen möchte und gleichzeitig eine sehr niedrige Empfindlichkeit des Chips im Blauen hätte.

Die Sensoren von Truesense und Sony haben unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten. Grob kann man zwei Arten von Sensoren unterscheiden, die mit "normalem" Empfindlichkeitsverlauf (Maximum QE bei ~500 nm) und die mit erweiterter Rotempfindlichkeit (Maximum QE jenseits 600 nm). Manch ein Hersteller von Filtern hat die Durchlasskurven seiner Filter sogar auf diese beiden Typen von Sensoren angepasst.

Prinzipbedingt läuft die QE jenseits von 1000nm gegen Null. Bei diesen Wellenlängen wird das Silizium der CCD-Chip durchsichtig. Kürzere Wellenlängen als ca. 350nm werden von den meisten Gläsern absorbiert. Da der Astrofotograf mit seinem Chip praktisch immer hinter irgendeiner Linse sitzt und sei es nur der Koma-Korrektor für den Newton, spielen kürzere Wellenlängen als 350nm in der Praxis keine Rolle. Auch das Schutzglas vor dem Chip darf nicht ganz vernachlässigt werden, aber das reicht immerhin herunter bis ~300nm.

Ideal wäre eine QE von nahe 100%, das ist momentan aber nur mit sehr aufwändiger Fertigungstechnik zu erzielen. Die maximale QE von über 80% beim KAF-3200ME ist enorm. In diesen Bereich der QE stoßen die die Interline-Chips normalerweise nicht vor, zumal hier Teile des Sensors abgedeckt sind. Dass die Sony-Sensoren ICX814, ICX694 und ICX674 trotzdem auf 77% QE kommen, ist der Mikrolinsenarchitektur zu verdanken.

Trotzdem sollte klar sein, dass eine gute QE allein nicht ausreicht. Wenn wir von einem qualitativ guten Bild sprechen, meinen wir eigentlich das sogenannte Signal-Rauschverhältnis SNR), also den Abstand zischem dem Signal und dem darunterliegenden Rauschpegel. Es würde nichts nützen, wenn man einen hohen Signalpegel hat, aber das Rauschen ebenso hoch ist. Rauschquellen gibt es viele und einige davon sollen noch besprochen werden. Zumindest sei hier noch erwähnt, dass jeder CCD-Chip ein intrinsisches Elektronenrauschen besitzt, das man auch durch eine noch so perfekte Elektronik um den Chip herum nicht beeinflussen kann.

Ladungskapazität, Blooming

Jeder Pixel kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen aufnehmen, bevor der Potentialtopf sprichwörtlich überfließt. Im Fachjargon nennt sich das Maximum der Aufnahmefähigkeit die "Full Well Capacity" (FWC) und das Überfließen ist das "Blooming". Letzteres lässt sich durch ein geeignetes Chip-Design durch die sogenannten Anti-Blooming Gates zum großen Teil verhindern. Leider kosten diese Strukturen etwas lichtsammelnde Fläche auf dem Chip und die Empfindlichkeit des Chips wird kleiner. Außerdem bewirken die Anti-Blooming Gates, dass der Signal- und Photostrom nahe der Sättigung nicht mehr linear sind. Im wissenschaftlichen Umfeld verzichtet man deshalb meist auf Anti-Blooming, im Consumer-Bereich ist es unerlässlich. Auch in der Astrofotografie verwendet man gerne Chips mit Anti-Blooming und verzichtet lieber auf den letzten Tick Empfindlichkeit. "Bloomende" Sterne ruinieren die Gesamtästhetik und nur durch erhöhten Nachbearbeitungsaufwand ist der Effekt einigermaßen zu korrigieren. Bei modernen Chips wird ohnehin ein Teil der durch die Anti-Blooming Gates verursachten Verluste durch eine Mikrolinsenarchitektur wettgemacht.

Grundsätzlich wäre auch bei der FWC "mehr = besser", aber wie immer hat auch das seine Grenzen. Die Fähigkeit Elektronen zu sammeln, ist im wesentlichen eine Frage der Größe. Kleine Potentialtöpfe können nur wenig Elektronen halten und umgekehrt. Je mehr Elektronen so ein Pixel verträgt, umso größere Helligkeitsunterschiede könnte die Elektronik verarbeiten. In den meisten Fällen ist es den Astronomen jedoch wichtiger zu fragen, welche schwachen Signale noch registiert werden und nicht welche Helligkeitunterschiede ohne Überlauf verarbeitet werden können. Der technische Begriff hierfür ist das Signal-Rausch-Verhältnis oder kurz SNR.

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)

Bildgebende Sensoren unterliegen naturgemäß Beschränkungen in ihrer Leistung. Um das zu verstehen und auch um solche Sensoren miteinander vergleichen zu können muss man die physikalischen Begriffe Signal und Rauschen heranziehen. Als Signal kann man bei einem CCD-Chip einfach den Photonenstrom der Lichtquelle bezeichnen und als Rauschen physikalisch und technisch bedingte, statistisch verteilte Störungen des Signals. Interessante Aussagen über die Qualität eines Bildes oder auch der CCD-Kamera liefert nun der Vergleich zwischen dem Signal und dem Rauschen, das sogenannte Signal-Rausch-Verhältnis (SNR im Englischen). Damit man überhaupt von einem Signal sprechen kann und nicht einer statistischen Schwankung zum Narren fällt, sollte das SNR mindestens 3 betragen. Das wären im unserem Fall die schwächsten Sterne, die gerade noch nachweisbar in einem Bild wären. Bei einem SNR von 10 sieht ein Bild schon halbwegs vernünftig aus und bei einem SNR von 100 wird es glatt.

Es gibt drei wesentliche Quellen des Rauschens in einem CCD-Chip:

  • Photonenrauschen
  • Thermisches Rauschen / Dunkelstrom
  • Ausleserauschen

Das Photonenrauschen liegt in der Natur der Sache und ist unabänderlich. Es bleibt also noch das thermische Rauschen und das Ausleserauschen an dem die Hersteller wesentlichen Einfluss nehmen können. Durch eine geeignete und präzise Kühlung lässt sich das thermische Rauschen vergleichsweise einfach in den Griff bekommen. Beim Ausleserauschen wird es etwas komplizierter. Das setzt sich aus dem Rauschen des eigentlichen CCD-Chips zusammen und vielen anderen Rauschquellen interner, elektronischer Natur (z.B. AD-Wandler). Am CCD-Chip selbst kann nur der Produzent (bei QSI ist das Kodak) etwas ändern und für die interne Elektronik ist QSI verantwortlich. Neben der Problematik, die Rauschanteile der Elektronik möglichst gering zu halten, sollte dieser Anteil möglichst statistisch verteilt sein. Denn nur ein statistisch verteiltes Rauschen mittelt sich bei der Addition von Aufnahmen. Andernfalls gibt es Strukturen im Bild, die schwache Details überdecken können. Das Ausleserauschen ist also wohl der wichtigste Unterscheidungspunkt zwischen verschiedenen Herstellern, wenn es um die Detektierung schwacher Signale geht.

Ein einfaches Beispiel: Wir haben zwei CCD-Kameras mit dem exakt gleichen Chip. Die eine Kamera produziert ein Ausleserauschen von 8e¯, die andere ein Ausleserauschen von 12e¯. Um das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis zu produzieren, muss man mit der zweiten Kamera 1.5mal so lange belichten wie bei ersterer. Neben der längeren Belichtungszeit gibt es aber noch andere Nachteile, die damit zusammenhängen. Zunächst indirekt über die Zunahme von Fehlerquellen (Montierung, Seeing ...), sodann aber auch direkt in einer Abnahme der Dynamik im Bild.

In einem ausführlichen Artikel in der Zeitschrift "Astronomy, Technology Today" von Februar 2008 hat Richard Berry, ein bekannter CCD-Guru, eine QSI 532ws in dieser Hinsicht ausführlich unter die Lupe genommen. Die Analyse zeigte, dass die QSI-Elektronik keinen nachweisbaren Rausch-Term zum eigentlichen Chip-Rauschen hinzufügt. Die Kameraelektronik rauscht also wesentlich geringer als der Chip selbst. Mindestens genauso wichtig ist die Erkenntniss, dass das Rauschen einer QSI-Kamera statistisch erfolgt (Gauss-Verteilung). Die Möglichkeit das Signal-Rausch-Verhältnis durch Bildaddition zu verbessern ist also nicht durch die Kameraelektronik begrenzt.

Dunkelstrom

Der Dunkelstrom ist ein Effekt, der prinzipbedingt in jedem lichtempfindlichen Halbleiter auftritt. Dabei werden im Halbleitermaterial hauptsächlich durch Wärmebewegung freie Elektronen erzeugt, die in den Potentialtöpfen der Pixel eingefangen werden. Es ist nicht möglich, zwischen den Elektronen zu unterscheiden, die durch Photonen erzeugt wurden und Elektronen, die aus dem Material in den Potentialtopf gewandert sind. Durch geeignete Dotierung kann man den Dunkelstrom in einem Chip reduzieren, aber nicht komplett beseitigen. Da die Wärmebewegung eine wesentliche Quelle für die Dunkelstromelektronen ist, kann man durch Kühlung den Dunkelstrom stark begrenzen.

Eine wesentliche Eigenschaft des Dunkelstroms ist, dass dessen Größe exponentiell von der Temperatur anhängt. Im Schnitt verdoppelt sich der Dunkelstrom alle 6 bis 7 Grad. Umgekehrt argumentiert kann man den Dunkelstrom durch Kühlung sehr effektiv begrenzen. Typische 2-stufige Peltierelemente wie man sie in vielen CCD-Kameras findet, schaffen eine Temperaturdifferenz von etwa 30 Grad. Wenn man weiterhin annimmt, dass pro 6 Grad sich der Dunkelstrom halbiert hat man bei 30 Grad Temperaturdifferenz nur noch rund 1/30 des normal anfallenden Dunkelstroms. QSI-Kameras schaffen mit zwei Stufen 35 Grad Temperaturdifferenz und mit drei Stufen, sogar 55 Grad. Damit sinkt der Dunkelstrom erheblich und ist in einigen Fällen sogar vernachlässigbar. Bei Bedarf kann man QSI-Kameras sogar flüssigkeitsunterstützt kühlen, was die Kühlleistung um weitere 5 Grad verbessert und somit den Dunkelstrom nochmal halbiert.

Moderne Fertigungsmethoden reduzieren den Dunkelstrom in einem Sensor ganz beträchlich. Hier zeichnen sich die Sensoren von Sony aus, die bei -10° nur noch einen Dunkelstrom von 0.002e- pro Sekunde je Pixel haben.

Grundsätzlich lässt sich der Dunkelstrom als Konstante für jedes Pixel betrachten, solange die Temperatur während der Belichtungszeit ebenfalls konstant bleibt. Die Temperaturregelung der Kamera muss also exakt funktionieren, damit die Ergebnisse reproduzierbar bleiben. In den QSI-Kameras finden wir deshalb wir eine äußert exakte Temperatursteuerung, mit Regelschwankungen kleiner als +/- 0.1°.