CCD Astrokamera

Die Wahl der Astrokamera
Die Auswahl einer geeigneten Astrokamera ist weit mehr als die Entscheidung für einen bestimmten Hersteller oder einen möglichst großen Sensor. Erst das Zusammenspiel aus Teleskop, Korrektor, Sensorgröße und Pixelgröße bestimmt letztlich die Leistungsfähigkeit eines Aufnahmesystems. Begriffe wie Sampling, Bildfeld, Pixelgröße, Quanteneffizienz (QE), Full-Well-Kapazität, Ausleserauschen und Dynamikumfang spielen dabei eine wesentlich größere Rolle als die reine Auflösung des Sensors.

Vor der Anschaffung einer Kamera sollten daher unter anderem folgende Kriterien berücksichtigt werden:

Budget (einschließlich Filterrad und Filter)
Monochrom- oder Farbkamera (OSC)
Sensorgröße und Ausnutzung des korrigierten Bildfeldes
Pixelgröße und daraus resultierendes Sampling
Quanteneffizienz und Full-Well-Kapazität
Ausleserauschen und Dynamikumfang
Kühlleistung und Anti-Tau-Konzept
Mechanische Stabilität, Gewicht und Backfocus
Software- und Treiberunterstützung

Warum eine Monochromkamera?
Für mein Einsatzgebiet fiel die Wahl bewusst auf eine monochrome Kamera. Während Farbsensoren (OSC) durch ihre Bayer-Matrix nur einen Teil des einfallenden Lichtes pro Pixel erfassen, nutzt ein Monochromsensor jedes Pixel vollständig. Dadurch ergeben sich eine höhere effektive Auflösung, eine bessere Lichtausbeute sowie maximale Flexibilität bei LRGB- und insbesondere Schmalbandaufnahmen (Hα, O III und S II). Gerade für Emissionsnebel bietet ein Monochromsensor deutliche Vorteile hinsichtlich Detailreichtum und Signal-Rausch-Verhältnis.

Sensorgröße passend zum Teleskop
Mein 500-mm-f/4-Newton arbeitet mit einem ASA 3"-Wynne 0,95× Korrektor, der ein vollständig korrigiertes Bildfeld von rund 50 mm Durchmesser ausleuchtet. Es wäre daher wenig sinnvoll, lediglich einen kleinen APS-C-Sensor einzusetzen und den größten Teil des korrigierten Bildfeldes ungenutzt zu lassen.
Die Wahl fiel deshalb auf einen Sensor im Kleinbildformat bzw. darüber hinaus. Der verwendete Kodak KAF-16803 besitzt eine Sensorgröße von 36,8 × 36,8 mm (52 mm Diagonale) und nutzt das vom Wynne-Korrektor bereitgestellte Bildfeld nahezu vollständig aus.

Die Bedeutung des Samplings
Ebenso wichtig wie die Sensorgröße ist die Pixelgröße. Sie bestimmt zusammen mit der Brennweite den Abbildungsmaßstab (Sampling):

Sampling ["/Pixel] = 206,265 × Pixelgröße [µm] / Brennweite [mm]

Mit einer effektiven Brennweite von 1900 mm (ASA 0,95×) und einer Pixelgröße von 9 µm ergibt sich für dieses System ein Sampling von 0,98"/Pixel.
Dieser Wert liegt nahezu ideal für typische Seeing-Bedingungen in Mitteleuropa. Kleinere Pixel würden das System deutlich oversamplen, ohne zusätzliche Bilddetails aufzuzeichnen, während wesentlich größere Pixel zu Undersampling und damit zu einem Verlust feiner Strukturen führen würden.

Warum der KAF-16803?
Zum Zeitpunkt der Anschaffung stellte der Kodak KAF-16803 einen der leistungsfähigsten großformatigen CCD-Sensoren dar. Gegenüber den damals weit verbreiteten Interline-Sensoren bot der Full-Frame-CCD eine deutlich höhere Quanteneffizienz, eine Full-Well-Kapazität von rund 100.000 Elektronen sowie eine sehr gute Linearität. Die 9-µm-Pixel harmonieren zudem hervorragend mit der Brennweite meines Teleskops.
Die Entscheidung fiel schließlich auf die Moravian G4-16000, da sie eine hochwertige Mechanik, eine leistungsfähige Kühlung, einen zuverlässigen europäischen Support sowie ein integriertes 7-Positionen-Filterrad miteinander verbindet.

Bildfeld
Die Kombination aus 1900 mm Brennweite und dem KAF-16803 ergibt ein Gesichtsfeld von etwa 1,11° × 1,11° (67 × 67 Bogenminuten).
Zum Vergleich: Die Andromedagalaxie (M31) besitzt eine scheinbare Ausdehnung von etwa 3,2° × 1°. Das System bildet daher vor allem den zentralen Bereich mit den ausgeprägten Staubbändern sowie den Begleitgalaxien M32 und M110 in hoher Detailauflösung ab. Kleinere Galaxien, planetarische Nebel und kompakte Emissionsnebel profitieren besonders von diesem Bildmaßstab.

Einordnung aus heutiger Sicht
Auch wenn moderne wissenschaftliche CMOS-Sensoren die klassische CCD-Technologie inzwischen nahezu vollständig verdrängt haben, war die Entscheidung für die Moravian G4-16000 zum Zeitpunkt ihrer Anschaffung im Jahr 2012 technisch konsequent. Der großformatige Kodak KAF-16803 gehörte damals zu den leistungsfähigsten CCD-Sensoren seiner Klasse und überzeugte insbesondere durch seine hohe Linearität, große Full-Well-Kapazität von rund 100.000 Elektronen, 9-µm-Pixel sowie die für wissenschaftliche Anwendungen typische, sehr saubere Signalcharakteristik.

Mit der Moravian C4-16000 steht heute eine moderne CMOS-Nachfolgerin zur Verfügung, die den gleichen Sensorformfaktor (36,8 × 36,8 mm) sowie ebenfalls 9-µm-Pixel verwendet. Dadurch bleiben sowohl das Bildfeld als auch das Sampling an meinem 500-mm-f/4-Newton mit ASA 3"-Wynne-Korrektor praktisch unverändert. Die optische Auslegung des Systems muss daher nicht verändert werden.
Die eigentlichen Fortschritte liegen in der Sensortechnologie. Während der KAF-16803 als klassischer Front-Illuminated-CCD arbeitet, basiert die C4-16000 auf einem modernen GSENSE4040-CMOS-Sensor mit Dual-Gain-Auslesung. Dadurch werden Ausleserauschen und Downloadzeiten erheblich reduziert, gleichzeitig steigt der Dynamikumfang. Dank der parallelen Auslesekanäle lassen sich selbst großformatige Bilder innerhalb weniger Zehntelsekunden übertragen, während ein CCD-Sensor hierfür mehrere Sekunden benötigt.
Auch die Quanteneffizienz wurde deutlich gesteigert. Der KAF-16803 erreicht abhängig von der Wellenlänge etwa 60 % QE, während der GSENSE4040 bereits Werte um 74 % erzielt. Die aktuelle Back-Illuminated-Version (BSI) steigert die Quanteneffizienz sogar auf über 90 % und reduziert gleichzeitig das Ausleserauschen nochmals deutlich. Besonders bei Schmalbandaufnahmen führt dies zu einer spürbar höheren Signalausbeute und einer effizienteren Nutzung der Belichtungszeit.

Aus heutiger Sicht würde ich bei einer Neuanschaffung zweifellos zur Moravian C4-16000 beziehungsweise zur C4-16000 BSI greifen. Sie bietet bei identischem Bildfeld und identischer Pixelgröße die deutlich modernere Sensortechnologie und überzeugt durch höhere Quanteneffizienz, geringeres Ausleserauschen, schnellere Datenübertragung und einen größeren effektiven Dynamikumfang.
Dennoch bleibt festzuhalten, dass die ursprüngliche Systemauslegung des Newtons bereits 2012 sehr zukunftssicher gewählt wurde. Da Sensorgröße und Pixelgröße der heutigen C4 unverändert geblieben sind, profitiert das Gesamtsystem unmittelbar von den technologischen Fortschritten der CMOS-Generation, ohne dass Änderungen an der Optik oder der mechanischen Konfiguration erforderlich wären. Genau diese langfristige Abstimmung von Teleskop, Korrektor und Sensor war das eigentliche Ziel der damaligen Planung.



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.