CCD Astrokamera


 

Die richtige Auswahl einer Astro-Kamera ist heutzutage wegen der großen Anzahl an Modellen und Herstellern nicht gerade trivial. Idealerweise sollte man sich vorab gut informieren und die Fachbegriffe sowie deren Bedeutung kennen. (Binning, Sampling, Pixelgröße, Full Well Capacity uvm.)

Folgende Überlegungen sollten dabei im Vorfeld getroffen werden:

- maximales Budget (eventuell mit Filterrad und Filtern)
- favorisierte Aufnahmeobjekte (großflächige Nebel oder eher kleine Galaxien / PN's)
- gekühlte Astro-CCD
oder digitale Spiegelreflexkamera
- monochrom oder Farbe
- Größe des Sensors
- freie Öffnung und Stabilität des Okularauszuges
- Größe der Pixel
- Full Well Capacity
- Kühlleistung
- Anti-Tau Konzept
- Kameragewicht
- Geräuschentwicklung im Betrieb (Lüfter)

In erster Linie kommt es darauf an, an welchem(n) Teleskop(en) die zukünftige Kamera letztendlich eingesetzt werden soll. Man muss entscheiden, ob die Kamera passend zum vorhandenen Aufnahmeistrument angeschafft werden soll oder umgekehrt.

In meinem Fall stellte ich bei den den Auswahlkriterien folgende Überlegungen an:

Die neue Kamera sollte auf jeden Fall einen monochromen Chip haben. Die Vorteile einer OSC-Kamera (one-shot-cam, bzw. Farbkamera) sind mir bekannt, aber ich wollte auf alle Fälle das Fotografieren mit Schmalbandfiltern (H-alpha, OIII und SII) öfter praktizieren. Das geht zwar prinzipiell auch mit einer Farbkamera, aber die Auflösung ist dann entsprechend verringert.

Als zweites Kriterum betrachtete ich Folgendes:
Das bereits vorhandene MLT500 kann ein voll korrigiertes Bildfeld von 50mm Durchmesser ausleuchten. Warum sollte ich also einen Chip wählen, der wesentlich kleiner ist? Das wäre reine Verschwendung der vorhandenen Ressourcen. Es musste also mindestens ein CCD-Sensor in HPS-C Größe werden (27 x 18mm;  Diag.= 33mm). Schnell stellte ich fest, dass es in dieser Region gar nicht so viel Auswahl gibt. Sehr verbreitet sind in  Kameras mit dem Kodak KAI 11002 Chip. Dieser Sensor hat jedoch den Nachteil, durch seine Interline-Technologie nicht besonders viel Quanteneffizienz aufzuweisen (gerade mal 25% bei H-alpha). Auch die Full Well Kapazität von 60.000 e- ist nicht überragend.


Schon besser sah dies bei den Front-Illuminated Chips aus. Während bei Interline-Chips jede zweite Zeile fürs Auslesen des Bildes verwendet wird (Geschwindigkeitsvorteil), steht bei Front-Illuminated-Chips die volle Chip-Fläche für das Sammeln von Licht zur Verfügung. Dies geht natürlich zu Lasten der Download-Geschwindigkeit, aber das spielt bei Belichtungszeiten von etlichen Minuten überhaupt keine Rolle.

Hochempfindliche Back-Illuminated-Chips schieden wegen ihrer relativ großen Pixel, dem Preis sowie dem Etaloning-Effekt prinzipiell aus.

Ein weiteres und sehr wichtige Kriterium bei der Auswahl der geeigneten Kamera ist neben der Chip-Größe vor allem die passende Pixelgröße. Hierbei wird das sog. Sampling betrachtet. Dieser "Abbildungsmaßstab" sollte sich grob im Bereich 0.7 - 3 Bogensekunden pro Pixel bewegen. Besonders der untere Wert von ca. 0.7 "/Px sollte bei unseren Seeing-Bedingungen nicht wesentlich unterschritten werden.


Mit folgender Formel kann das Sampling berechnet werden:

Sampling = 3438 x Pixelgröße (in mm) x 60 geteilt durch die Brennweite (in mm)

Heraus kommt ein Samplingwert in der Einheit "Bogensekunde pro Pixel"

Beispiel:
Pixelgröße = 9µm = 0.009mm
Brennweite = 2008mm
   ergibt ein Sampling von 0.92" / Pixel

Also sollten die Pixel meiner geplanten Kamera auf keinen Fall kleiner als 9 µm sein.

In die engere Wahl kamen dann die großen Front-Illuminated-Chips von Kodak, nämlich der
KAF 6303
und KAF 16803 mit 9µm Pixeln.  Die Chipdiagonale ergibt sich zu 33mm bzw. 52mm. Letztendlich habe ich mich wegen der hohen QW sowie der aufgedampften Microlinsen für den 16803er Chip entschieden. Seine Full Well Kapazität liegt bei 100k e-, und die Quanteneffizienz bei ca. 60%.

So, aber welcher Kamerahersteller sollte es nun werden?
Hierbei ist die Auswahl an Herstellern auch übersichtlich, wie sich alsbald herausstellte.

Die amerikanischen Hersteller SBIG, Apogee und FLI (Fingerlakes Instrumentation) sowie der Czechischer Hersteller Moravian Instruments haben Kameras mit den o.g. großen Chips im Programm. Preislich gibt es keinen signifikanten Unterschied zwischen den vergleichbaren Kameras. Wie überall, werden die Feinheiten in der qualitativen Verarbeitung der Mechanik / Kühlung, der Abstimmung der Elektronikbauteile im A/D Wandler-Bereich sowie in Funktion der Software, derer Weiterentwicklung und dem Support des Herstellers festzustellen sein. Geräuschentwicklung im Betrieb, maximale Kühlleistung und die Dauer des CCD herunterkühlens sind die wesentlichen Unterschiedsaspekte. Moravian Kameras beispielweise erreichen die geforderte Temperatur nach ca. 10-20 Min  (2-3°C / Min.), und sind Wahlweise mit Lüfter- oder Wasserkühlung erhältlich. Weiterer für mich wichtiger Aspekt ist, dass der Hersteller und Entwickler innerhalb Europa ansässig ist, und keine umgelabelten China-Produkte vertreibt. Bei dem Hersteller Moravian Instruments habe ich alle für mich wichtigen Kriterien vereinen können, zudem ist die Kamera gegenüber den anderen Herstellern preislich geringfügig günstiger.
Die Entscheidung ist somit auf die Moravian G4-16000 mit ext. 7 Pos. Filterrad gefallen. Als Koma-Korrektor kommt der ASA 3" Wynne 0.95x mit 50mm voll korrigiertem Bildfeld zum Einsatz. Somit ist das MLT500 sowie die daran angeschlossene Hardware für Fotografische Zwecke "fast" optimal genutzt.

Lieferung erfolgte am 03.02.2012, unterhalb der erste Eindruck:
CCD
  Moravian G4-16000 s/w mit 7 Pos. Filterrad,  3" ASA Wynne Korrektor,  Starligt Xpress Lodestar s/w,  Astronomik Filterset


 Kameraelektronik:

Ein 16-bit A/D Wandler mit "correlated double sampling" sichert hohe Dynamik und ein Ausleserauschen, das nur durch den Sensor selbst begrenzt wird. Bei der Methode des „correlated double sampling“ (CDS), bei der Doppel- und Mehrfachabtastungen zur Verbesserung des Ergebnisses eingesetzt werden, sind weitere Steigerungen der Abtast-Präzision möglich. Darüber hinaus wird damit die Möglichkeit zur automatischen Kompensation des bei Bild-Sensoren prinzipiell vorhandenen und variablen Dunkel-Offsets verfügbar. Insbesondere lässt sich damit die Dynamik des Ausgangssignals steigern. Es kommt zu einer Aufweitung des Abtastvermögens, die sich nur bedingt als binäre Größe in Form der Anzahl der Bits ausdrücken lässt, eher lässt sich diese mit dem Konzept von Mantisse und Exponent vergleichen. Mit diesem Verfahren wird höhere Prezision beim Auslesen des CCD-Readout erreicht, minimiert das Ausleserauschen. Überwiegend findet diese Methode ihren Einsatz in sehr rauscharmen Kameras ihren Einsatz, wie z.B. bei der G4-16000.

Die wesentlichen Aspekte und Entscheidungsgrundlagen sind hier dargestellt.