Begriffe in der CCD - Astronomie

Als Einsteiger steht man wie so oft vor einem Dschungel neuer Begriffe, die erklärt werden wollen.




Inhalt
Filtertypen
· ABG
· Kühlung
· Arbeitstemperatur
· Dunkelstrom
· Farb - CCD

Übersicht einiger technischer Begriffe in der CCD - Astronomie

ABG

Als Abkürzung von "Anti Blooming Grid" bezeichnet es eine Funktion, die ein Überstrahlen eines überbelichteten Pixels verhindert. Das ist ähnlich wie bei einem Regensammler zu verstehen: wenn er voll ist und es weiter regnet, läuft das Fass über. Ein Pixel gibt dann Ladung weiter an umliegende Pixel, am liebsten aber in vertikaler Richtung. Das passiert sehr leicht bei helleren Sternen. Auf dem Bild sind dann von den hellen Objekten aus hässliche Linien in einer Richtung zu sehen, die nicht einfach so wegretuschiert werden können. Um das Blooming zu verhindern, werden elektrische Barrieren zwischen den Pixelreihen eingebaut. Standard Digitaldetektoren sweisen alle eingebaute horizontale Barrieren auf genannt "Anti Blooming Grid" (ABG).

Nun verringert das ABG aber andererseits die lichtempfindliche Fläche eines Pixel, was einen Empfindlichkeitsverlust bewirkt. Auch die Kapazität des Pixel's wird dadurch also drastisch verringert. Der Empfindlichkeitsverlust im Total kann bis zu 50% betragen, also weist ein Detektor mit ABG etwa die halbe Empfindlichkeit desselben Detektors ohne ABG auf. Dieser Verlust wird manchmal als sehr kritisch angesehen, deshalb bieten einige Kamerahersteller dieselben Sensoren mit oder ohne ABG an. Man muss sich dann aber immer bewusst sein, dass der Effekt des Blooming nicht einfach mit halber Belichtungszeit kompensiert werden kann!

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Kühlung einer CCD-Kamera

Manche sagen, kontrollierte Kühlung einer CCD-Kamera und Dunkelbildabzug sei nicht notwendig. Für "schöne Bilder" mit wenig Auflösung mag das wohl wahr sein. Will man aber mehr herausholen, wird man letztlich um die (kontrollierte) Kühlung nicht herumkommen. Warum aber lohnt sich eine geregelte, kontrollierbare Kühlung?
- Nach dem Abkühlprozess heizen Peltier Element und Lüftermotor das Kameragehäuse langsam um mehrere Grad auf. Ohne Temperaturkontrolle erhöht sich damit auch die Temperatur des Chips wieder. Der Lüfter führt auch Wärme vom Kameragehäuse ab, erst mit der Zeit stellt sich ein Gleichgewicht zwischen produzierter und abgeführter Wärme ein.
- Es braucht lange Zeit bis dieses Gleichgewicht erreicht ist, für eine Bitran's BJ-Serie Kamera sind dies mindestens eine Stunde. Das Temperatur-Gleichgewicht ist auch sehr empfindlich. Wenn man zB. die Kamera kurz in warmen Händen hält, erhöht sich die Kameragehäusetemperatur bereits um mehrere Grad! Ohne kontrollierte Kühlung ändert sich damit direkt auch die Temperatur des gekühlten Sensors, sofern keine kontrollierte Kühlregelung vorhanden ist.
- Wenn eine CCD-Kamera ohne Anpassung an die effektive Aussentemperatur sofort gekühlt wird, herrscht ein grosses Ungleichgewicht zwischen produzierter und abgeführbarer Wärme. Die Erreichung des Gleichgewichts dauert sehr viel länger als bei einem geregelten System.
- Ohne Kontrolle verändert sich die erreichbare Temperatur über eine lange Zeit und um mehrere Grad, was entsprechend für den Dunkelbildabzug nicht unproblematisch ist. Der Dunkelstrom variiert bei typischen Sensortemperaturen bei Gebrauch (von rund + 10° C bis - 30° C) um etwa einen Faktor 2 bei sieben Grad Differenz der Sensortemperatur, ist also sehr temperatursensibel!
Der Dunkelbildabzug für R G B - Aufnahmen und zur Beseitigung von Hot Pixeln funktioniert deshalb nur gut bei konstanter effektiver Kühltemperatur.
Daraus ergibt sich nun weiter, dass zB. eine noch nicht an die Aussentemperatur angepasste Kamera bei sofortigem Einschalten der (ungeregelten) Kühlung sich die Kameratemperatur über sehr lange Zeit auf einem relativ hohen Niveau bewegt, weil die hohe Menge an Abwärme verhindert, dass sich der Kamerasensor wirklich abkühlen kann. Ist das Kameragehäuse zu warm, bleibt auch der (gekühlte) Sensor zu warm und das dauernd mit voller Leistung arbeitende Peltierelement heizt die eigene Kühlzone auf!

Die minimalen Kühltemperaturen von Bitran Kameras werden in jedem Fall erreicht. Lässt man das Kameragehäuse vor dem Einsatz auf die Umgebungstemperatur abkühlen, erreicht man sogar noch etwas bessere Werte.

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Ein oft diskutiertes Thema ist auch, wieviel Abkühlung überhaupt notwendig und sinnvoll ist. Je nach Sensor kann dies sehr unterschiedlich sein. Auch muss dabei Aufwand und Ertrag im Auge behalten werden. Je weiter man einen Sensor kühlt, je geringer wird der Dunkelstrom, Stimmt im Prinzig natürlich. Je tiefer man aber kühlt, je geringer fällt aber der Gewinn pro Grad tieferer Temperatur aus. Ein Aufnahmesensor erreicht ab einem bestimmten Temperaturbereich einen so niedrigen Dunkelstrom (Rauschen), dass dieser nur noch gering höher als die Biaswerten ist. Kühlung bis zu diesem Bereich bringt also sehr viel und mit jedem Grad ist real auch ein Gewinn merkbar. Kühlung darunter bringt dann nicht mehr so viel Gewinn aber einen stark steigenden Aufwand.

Obwohl Sensoren von Kodak viel mehr Dunkelstrom produzieren als die von Sony, erreicht man auch mit Sensoren von Kodak dieses gewünschte Temperaturniveau, wenn die Sensortemperatur zwischen - 15° und -30° Celsius liegt. Eine optimale Kühlung ist deshalb mit der BJ 42 immer möglich wenn die Kameragehäusetemperatur nicht höher als + 10° C liegt. Die Sensoren von Sony erreichen bereits bei 0° und + 10° C den optimal tiefen Dunkelstrom. Mit den Modellen (BJ 40 und BJ 41) kann man also bereits ab + 30° C Kameragehäusetemperatur eine optimale Chiptemperatur erreichen!

Daraus sieht man auch, dass es sehr wichtig sein kann, die Kamera vor dem Inbetriebnehmen an die Umgebungstemperaur anpassen lässt, den so lassen sich zuden noch bessere Kühlwerte als minimal angegeben erreichen, dh. man erreicht auch bei höheren Umgebungstemperaturen die ideale Kühltemperatur des Sensores.

In der Praxis sind aber auch Belichtungswerte von Hotpixel eines Sensors von Bedeutung. Für Hotpixel mit sehr hohen oder gar ausbelichteten Belichtungswerten ergibt der Dunkelbildabzug wie auch für Röntgenhits "Null-" oder zu tiefe Werte gegenüber den umliegenden Pixel. Das kann eigentlich im resultierenden Bild eigentlich nur manuell "korrigiert" werden. Wir haben mit Sony Detektoren nun beobachtet, dass die Eigenbelichtungswerte von Hotpixel mit zunehmender Kühlzeit abnehmen (auf gleicher Arbeitstemperatur gehalten). Es ist also von Vorteil, die Kamera nicht nur gut an die Aussentemperatur anzupassen, sondern auch erst einige Zeit nach Erreichen der Arbeitsltemperatur Langzeitaufnahmen zu machen.

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Dunkelbildabzug und Flatfieldprozess

Detektoren und Kameraelektronik leiden unter diversen Effekten, die korrigiert werden sollten:
- Die zB. von Bitran Corporation verwendete Detektorqualität garantiert, dass nur wenige defekte Pixel vorkommen. Deren Lage ist in den Kamerakopfdaten implementiert und Software führt während der Bildübertragung auf den PC eine Korrektur durch. Wegen den defekten Pixel können jedoch Linien von leicht unterschiedlicher Empfindlichkeit auftreten. Meist ist es notwendig, dass dafür ebenfalls eine automatische Korrektur ausgeführt werden kann/muss.
- Eine optimale Korrektur von Dunkelstrom sowie Bias- und Auslesewerten kann für Langzeitaufnahmen mit sogenannten "Master Darkframes" erreicht werden. Ein "Darkframe wizard" hilft bei der Erstellung von Master Darkframes, sie werden aus mehreren einzelnen Dunkelbildern gemittelt mit Ignorierung überhöhter Pixelwerte zB. von Röntgenhits. Master Darkframes werden automatisch gespeichert und können jederzeit für die gleiche Kühltemperatur und Belichtungszeit wieder verwendet werden.
- Das Signal/Rausch-Verhältnis einer Langzeitaufnahme wird ebenfalls maximiert durch den Abzug eines Master Darkframes.
- Der Flatfieldprozess korrigiert Empfindlichkeitsvariationen eines Detektors und irreguläre Beleuchtungseffekte durch Staub, Vignettierung usw. der optischen Komponenten.

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Digitale Farbfotografie

Farbfototgrafie mit Digitaldetektoren
Es gibt heute diverse Detektoren für direkte Farbfotografie. Für gewöhnliche Digitalkameras (zB. die Canon® EOS Kameras) verwendet man CMOS oder CCD Sensoren, die alle nach demselben Prinzip funktionieren: Auf den Pixel wird jeweils eine Filterschicht für Rot, Grün oder Blau aufgedampft, so ist jedes Pixel für genau eine Farbe empfindlich. Daraus resultiert also vorerst ein reines Graustufenbild, das dann zu einem Farbbild umgerechnet werden muss. Die einfachste Anordnung von zwei grünen Pixel und je eins für Rot und Blau nennt man das Bayer-Muster

Die Zerlegung des Bayer-Musters in die einzelnen Farbkanäle zeigt Unterschiede in der Berechnung der fehlenden Farbinformation auf: Während für Grün nur 'Löcher' zwischen zwei benachbarten, im grünen Lichtbereich belichteten Pixeln aufgefüllt werden müssen, bilden jedoch die Rot- und Blaukanäle offenere Gitter mit mehr "leeren" Pixeln, die aufgefüllt werden müssen. Deshalb spricht man berechtigtermassen von einem gewissen Auflösungsverlust gegenüber einem reinen S/W-Sensor. Man kann auch nicht einfach einen R G B - Sensor mit entsprechend feineren Pixeln machen um den Auflössungsverlust zu kompensieren. Denn dies bringt ganz einfach einen entsprechenden Empfindlichkeitsverlust mit sich und damit längere Belichtungszeiten mit allen damit zusammenhängenden Nachteilen.

Zwecks Verbesserung dieser Probleme hat man diverse Anordnungen der R G B - Pixel entwickelt. Es wurden sogar achteckige Pixel und eine komplexe Anordnung der R G B - Pixel zur flexibleren Berechnung der Farbkanäle und verschiedene Auflösungen erfunden! Keine Anordnung produziert unter kritischen Bedingungen jedoch wirklich genau zutreffende Farbbilder ohne Fehler. Es bleibt immer ein wenn bei guten Kameras auch geringes"Farbrauschen" bestehen. Bei starker Vergrösserung des Bildes sind immer einzelne Pixen mit abweichender Farbe zu finden, die da eigenltich nicht hingehören.

Das eigentliche Geheimniss eines guten Farbbildes mit einem R G B - Sensor liegt also in erster Linie der Software, die nach der eigentlichen Belichtung und Auslesung das Bild errechnet. Hier gibt es sehr grosse Unterschiede zwischen den einzelenen Kamerahersteller und vor allem auch der einzelenen Kameras. Bei der Umrechnung zu einem Farbbild entstehen zB. gerne blaue und/oder rote Farbsäume an hochkontrastigen Details während der Umrechnung von den einzelnen Farbkanälen. Neue Softwareroutinen erbringen heute erstaunliches in der Umrechnung zu einem guten Farbbild um sie kann das Farbrauschen in weiten Flächen mit ausreichender Belichtung deutlich senken. Im Bereich schwächster Belichtung aber sieht man noch immer deulich dieses Farbrasuchen, verursacht dadurch das jedes Pixel eigentlich nur jeweils eine Farbe aufzeichnen kann.

Eine wirkliche Lösung dieses Problemes geht nur mit einer Kamera mit drei parallelen Sensoren für jeden Farbbereich. Drei parallele Sensoren deshalb, damit alle Teilbilder den gleichen Bewegungsmoment festhalten können. Ist ein Objekt allerdings genügend statisch, kann man auch mit einem Sensor und wechselnder Filter nacheinander die aufgenommen werden. Das erspart natürlich Kosten, bringt aber auch mehr Lichtstärke, denn das Licht des Objektives muss nicht mit einem Strahlenteiler gedrittelt werden. Umstände, die der astronomischen Bildaufzeichung voll entgegenkommen. Deshalb machen bei Deep Sky Objekten S/W-Sensoren wegen der dadurch höheren Detail- und Tonwertauflösung absolut Sinn.

Ein weiteres Problem ist die eigentliche Farbwiedergabe. Wie sollen die Farben abgebildet werden? Was ist überhaupt eine korrekte Farbabmischung und Wiedergabe? Wie soll und muss ein astronomisches Objekt wiedergeben werden. Dies ist eine interessante Frage, auf die es keine wirklich schlüssige und abschliessende Antwort gibt.

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