CMOS- und CCD Sensoren - Technik und technische Daten mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen im Vergleich

Einführung

CMOS ist heutzutage die dominierende Technologie von Bildsensoren, sie haben CCD Sensoren - bis auf Spezialanwendungen - weitgehend auch bei den amateurastronomischen Kameras ersetzt, obwohl CCD Sensoren in vielen Bereichen der Fotografie mit langen Belichtungszeiten gegenüber CMOS Sensoren noch Vorteile bieten. Kameras mit CCD Sensoren werden auch weiterhin ihre Bestimmung behalten, allerdings wohl mehr in der wissenschaftlichen, professionellen Astronomie, wo es auf hohe Messgenauigkeit, langer Belichtungszeit unter dunklem Himmel und eine Digitalisierung mit hoher Datentiefe ankommt. Ein großer Vorteil von CCD Kameras ist der, dass die Bilder mit einer Datentiefe von 16 Bit digitalisiert werden, wogegen die meisten der CMOS Kameras nur 12- oder 14 Bit Datentiefe liefern.

Noch bis vor wenigen Jahren hatte die CCD Technologie "die Nase vorn" und viele von den Fachbegriffen - die heute auch in der CMOS Technologie eine Rolle spielen - stammen aus der CCD Sensor Technologie. Lesen Sie dazu bitte auch den Beitrag "Technische Begriffsdefinitionen von digitalen Bildsensoren" und "Auswahlkriterien zum Kauf einer CMOS/CCD Kamera für die Astrofotografie".

CMOS Bildsensoren bieten heute eine Abbildungsleistung in einem breiten Spektrum von technischer Parameter wiehoher Quanteneffizienz, absoluter Empfindlichkeit, Dynamik und der geringen Höhe des Dunkelstroms, die durchaus mit Parametern der CCD Technologie mithalten können.

Zudem können CMOS Bildsensoren das Pixelarry wesentlich schneller auslesen als CCD Sensoren bei vergleichbarer Größe des Pixelarrays. Erst die hohen Bildraten von bis zu einigen hundert Bilder pro Sekunde, machen die hervorragenden amateurastronomischen Ergebnisse in der "Lucky Imaging" Aufnahmetechnik von Objekten des Sonnensystems möglich.

QHYCCD

Woher kommt die rasante technologische Entwicklung von CMOS Sensoren? Sie ist wohl hauptsächlich darin begründet, dass CMOS Sensoren in jeder digitalen Kamera - ob DSLR oder Bridge - eingebaut werden. Sie werden millionenfach - im Gegenteil zu den doch exotischeren CCD Sensoren für Spezialanwendungen - produziert und so sind die Herstellungskosten deutlich geringer als die von CCD Sensoren. So stecken viele der in den verschiedenen QHY Kameras eingesetzten Sensoren auch in den Consumer Kameras von Canon, Nikon, Fuji und anderen Kamera Herstellern, in Smartphones, in tablet Computern, in Video- und dash cams und vielen, vielen anderen Produkten.

Heute haben sich CMOS Sensoren aufgrund ihrer niedrigen Kosten und der schnellen Auslesegeschwindigkeit gegenüber CCD Sensoren auch in der Amateurastronomie etabliert. Sie verfügen über sehr gute Leistungsmerkmale und sind somit in vieler Hinsicht mit CCD Kameras - bei häufig geringeren Preisen - vergleichbar.

Zur Funktionsweise von digitalen Bildsensoren

Die Abkürzung CMOS steht für "Complementary Metal Oxide Semiconductor", CCD für "Charge-Coupled device".

Die Funktionsweise von CMOS- und CCD Sensoren sind auf den ersten Blick sehr ähnlich, beide Sensortypen bestehen - einfach ausgedrückt - aus einer rechtwinkligen Anordnung lichtempfindlicher Photodioden (Phototransistoren), den so genannten Bildelementen, die als Pixel bezeichnet werden, welche die einfallenden Lichtphotonen in eine elektrische Ladungen umwandeln. Fällt Licht auf die Fotodiode, setzt das elektronische Bauteil Elektronen frei. Diese werden gesammelt, aufsummiert und nach Ende der Belichtungszeit von einer entsprechenden Elektronik ausgelesen und anschließend mit einem so genannten Analog Digitalwandler (AD Wandler) digitalisiert. Dieses digitale Signal kann dann von einem Computer in ein Bild umgewandelt und dann mit einer geeigneten Software weiter bearbeitet werden. Die Elektronen werden dabei linear addiert, deshalb gilt im Prinzip: Ein Photon liefert 1 Elektron, 10 Photonen liefern 10 Elektronen und 1.000 Photonen entsprechen 1.000 Elektronen und so weiter bis das Pixel gesättigt ist (max. mögliche Full Well Kapazität) und keine weiteren Photonen aufnehmen kann (vergleicht man die Photodiode mit einem Eimer und die Photonen mit Wassertropfen, dann ist der Eimer irgendwann voll und kann keine weiteren Wassertropfen aufnehmen). Die Linearität des Signals bedeutet einen unschätzbaren Vorteil in jedweder Bearbeitung von Bilder im Vergleich zu analogen Fotografie (wo nichts linear ist). Der Wert der Full Well Kapazität ist direkt abhängig zur Größe eines Einzelpixels des Pixelarrays.

Die Abbildung oben zeigt den Zusammenhang zwischen Belichtungszeit, Anzahl der einfallenden Photonen und der Sättigung (Full Well Kapazität) eines Bildsensors

Die Abbildung oben zeigt den Zusammenhang zwischen Belichtungszeit, Anzahl der einfallenden Photonen und der Sättigung (Full Well Kapazität) eines Bildsensors

 

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Sensortypen liegt in ihrem technischen Aufbau und dem Auslesen der Elektronen. In einem CCD Sensor findet zunächst ein vertikaler und anschließend ein horizontaler Transport der gesammelten Elektronen über eine Ausgangsleitung statt. Die Digitalisierung des Signals beträgt dabei typischerweise16 Bit (das entspricht 65.536 Farb- oder Graustufen) und erfolgt zentral in einem Analog-Digital-Wandler, der die Anzahl der Elektronen zuerst in eine elektrische Spannung wandelt und diesen Spannungswert für jedes einzelne Pixel digitalisiert.

Bei CMOS Sensoren lassen sich die Photodioden hingegen einzeln adressieren und auslesen (jede Photodiode hat seinen eigenen Verstärker), da sie sowohl über ein vertikales als auch ein horizontales Ausleseregister besitzen. Die AD Wandlung erfolgt in jedem einzelnen Pixel des Sensors separat. Die Digitalisierungstiefe bei CMOS Sensoren beträgt typischerweise nur 12 Bit (4.096 Stufen) oder14 Bit (16.384 Stufen), selten 16 Bit. Reine Guiding CMOS Module zur Teleskopnachführung arbeiten vielfach auch nur mit einer 8 Bit (256 Graustufen) Digitalisierung, was für eine solche Anwendung durchaus ausreichend ist.

Beginn und Ende der Belichtung, der Kameraverschluss

Zudem unterscheiden sich die beiden Sensortypen auch hinsichtlich der elektronischen Konzepte zum Beginn und Abschluss einer Belichtung des Pixelarrays. CCD Sensoren verwenden einen so genannten "Global-Shutter": Die Belichtung aller Pixel beginnt und endet zum selben Zeitpunkt und das Bild wird anschließend ausgelesen.

Gängige CMOS Sensoren verwenden stattdessen ein "Rolling Shutter" Konzept (der funktionier ähnlich wie ein mechanischer Schlitzverschluss von SLR Kameras). Hierbei werden die Sensorzeilen zu unterschiedlichen Zeiten dem Licht ausgesetzt, das abzubildende Objekt wird zeilenweise erfasst und die Zeilen noch während der Belichtung ausgelesen. Das Resultat ist ein sehr schneller Bildauslesevorgang und daraus folgt auch die hohe Datentransferrate (Anzahl von Bilder pro Sekunde) von CMOS Sensoren. Dies kann bei sich schnell bewegenden oder sich währen der Belichtungszeit verändernden Aufnahmeobjekten durch aus von Nachteil sein.

Stellen Sie sich vor, Sie wollen einen rotierenden Ventilator fotografieren. Folgendes Bild soll dies verdeutlichen:

Quelle der Abbildung: © FLIR - 1288 EMVA Standard Compliant, Edition 2019)

Quelle der Abbildung: © FLIR - 1288 EMVA Standard Compliant, Edition 2019)

Der sich bewegende Lüfterflügel dreht sich weiter, während die Zeilen nacheinander ausgelesen werden, was zu einer charakteristischen Verzeichnung der Lüfterflügel führt (Rolling Shutter - CMOS, links). Durch das gleichzeitige Auslesen aller Pixel erfasst ein Global Shutter den Lüfter ohne jede Verzerrung (CCD, rechts).

Das sollte ja für die astronomische Fotografie keine große Rolle spielen, denn die Beobachtungsobjekte bewegen sich ja in der Regel nicht besonders schnell. Einen großen Einfluss kann hier aber die Luftunruhe (das Seeing) haben, wenn Beobachtungsobjekte mit hoher zeitlicher Auflösung beobachtet werden (Lucky Imaging, Sternbedekungen durch den Mond, Sternbedeckungen durch Asteroiden usw.). In diesen Fällen kann die Bildgeometrie durch einen Rolling Shutter deutlich beeinflusst werden.

Ein großes Problem in der Anfangszeit der Entwicklung von CMOS Sensoren im Gegensatz zu CCD Sensoren lag in der geringen Empfindlichkeit der Sensoren. Dies lag daran, dass ein nicht unerheblicher Flächenanteil der Sensoroberfläche mit den, die Photodioden verbindenden, Leiterbahnen belegt war und somit nicht für die Aufnahme des einfallenden Lichtes zur Verfügung stand.

Aufbau eines Front-Side-Illuminated Sensor (links) und rechts der Aufbau eines Back-Site-Illumintaed Sensor. Quelle der Abbildung: © QHY CCD, 2020

Aufbau eines Front-Side-Illuminated Sensor (links) und rechts der Aufbau eines Back-Site-Illumintaed Sensor. Quelle der Abbildung: © QHY CCD, 2020

Diese Art der CMOS Sensoren werden auch als Front-Side-Illuminated (FSI) Sensoren bezeichnet. Darin begründet sich unter anderem die ursprünglich deutlich geringere Lichtempfindlichkeit von CMOS- zu den CCD Sensoren. Sie hatten eine niedrige Quanteneffizienz oder Quanteneffektivität (QE). Bei CMOS Sensoren lag diese QE bei ca. 35 bis 40%, die QE der CCD Sensoren hingegen betrug dagegen bis zu 90%. Der Wert der Quanteneffizienz ist im Prinzip mit den Empfindlichkeitsangabe in ISO einer DSLR vergleichbar. Hohe QE Werte entsprechen dabei hohen ISO Werten.

Das änderte sich in den letzten Jahren mit der Entwicklung der so genannten Backside-Side-Illuminated (BSI) CMOS Sensoren, in denen die Leiterbahnelektronik einfach auf die Rückseite der Sensorstruktur verlegt wurde. Diese Verlagerung der Elektronik auf die lichtabgewandte Seite des Sensors erbringt eine hohe Nutzbarkeit der Sensorfläche für die Umwandlung von Licht in Elektronen. Bei der Entwicklung der BSI Sensoren spielte die Firma Sony eine maßgebliche Rolle.

Monochrome BSI CMOS Sensoren erreichen heute Wellenlängenabhängig auch schon QE Werte größer 80%, FSI Sensoren bis zu 70%. Aufgrund der Silizium Struktur der Fotodioden liegt die maximale QE bei der Wellenlänge des grünen Lichts bei um die 530 Nanometer. Kameras mit CMOS FSI Sensoren sind in der Regel preiswerter als Kameras mit CMOS BSI Sensoren. In der Empfindlichkeit sind heute CMOS Sensoren CCD Sensoren annähernd gleichwertig.

Quanteneffizienz des Sony CMOS Sensors ICM 428

Die Abbildung oben zeigt die Kurven der Quanteneffizienz des Sony CMOS Sensors ICM 428, links die Farb- und rechts die monochrome Version. Senkrecht aufgetragen die Quanteneffizienz in Prozent (max. 100%) und waagerecht die Wellenlänge in Nanometer, links UV/blau und rechts rot bis infrarot.

CMOS- versus CCD Sensor

Aus Sicht der praktischen Anwendung in der astronomischen Fotografie unterscheiden sich beide Sensortypen nicht, denn beide lassen sich unkompliziert handhaben und verfügen über große Sensoren bis hin zum klassischen Kleinbildformat von 35 x 24mm Kantenlänge und heutzutage auch darüber hinaus. Zudem sind beide Sensortypen über einen breiten Wellenlängenbereich hinweg lichtempfindlich. Darüber hinaus haben CMOS Sensoren jedoch zwei wesentliche Vorteile gegenüber einem CCD Sensor. Zum einen ist das so genannte Ausleserauschen (readout noise, Maßeinheit Elektronen (e-)) deutlich geringer als bei CCD Sensoren, zum anderen lässt sich bei CMOS Kameras eine elektronische Verstärkung (Gain) in einem weiten Bereich vom Nutzer wählen. Dieser Gainfaktor (zwischen 0 = keine Verstärkung und ein Sensorabhängiger Wert = maximale Verstärkung) beeinflusst zwei wichtige Parameter des Sensors, die so genannte Full Well Kapazität und die Höhe des Ausleserauschens, so dass der Nutzer die Bildausgabe nach seinen Wünschen modifizieren kann. Bei einem CCD Sensor, dessen Auslesesignal natürlich auch verstärkt wird, ist das Gain vom Hersteller festgelegt und kann vom Nutzer nicht beeinflusst werden. Zum Gainfaktor bei CMOS Sensoren lesen Sie bitte auch den Beitrag "Technische Begriffsdefinitionen".

Das Ausleserauschen, das in jedem ausgelesenen Rohbild enthalten ist, entsteht beim Transfer der Ladungen direkt auf dem Sensor. Ein geringes Ausleserauschen erscheint auf den ersten Blick unbedeutend, wenn man eine CMOS Kamera wie auch eine CCD Kamera für die klassische DeepSky Fotografie mit langen Belichtungszeiten von beispielsweise ca. 300- bis 1800 Sekunden betreibt. Das geringe Ausleserauschen eines Sensors eröffnet jedoch eine interessante Perspektive, nämlich Farbbilder von DeepSky Objekten mit kurzen Belichtungszeiten im Sekundenbereich aufzunehmen, sozusagen ein "Lucky Imaging" von lichtschwachen DeepSky Objekten. Einige Amateure setzen diese Technik bereits ein, und auch der Verfasser hat bereits gute Erfahrungen mit dieser Technik gemacht.

Dabei werden von einem Beobachtungsobjekt mehrere hundert bis zu mehreren tausend Einzelbilder aufgenommen. Jedes dieser Einzelbilder bildet das Objekt natürlich extrem schwach, verrauscht und in geringer Bilddynamik ab. Erst die Addition der vielen Einzelbilder zu einem Summenbild liefert dann Bilder, die durchaus mit langen Einzelbelichtungen (egal ob CMOS oder CCD) vergleichbare Bildergebnisse bieten. CMOS Kameras, die Bilder mit einem hohen "Signal to Noise" (SNR) Wert liefern, sind hier bevorzugt einzusetzen.

Ein weiterer Vorteil: Der technische Aufwand ist deutlich geringer als bei der Aufnahme von Bildern mit langen Belichtungszeiten. Bei kurzen Belichtungszeiten im Bereich von vielleicht 1- bis 10 Sekunden kann auf ein Guiding komplett verzichtet werden, vorausgesetzt die Teleskopmontierung ist einigermaßen poljustiert aufgestellt. Die Aufnahmetechnik benötigt keine Guiding Kamera, kein Leitrohr oder Off-Axis Guider, mögliche Fehlerquellen werden minimiert. Auf Grund der kurzen Belichtungszeiten sind die Bildergebnisse oftmals schärfer und weniger durch das Seeing limitiert. Der Aufwand der folgenden Bildbearbeitung ist natürlich höher als bei einigen wenigen langbelichteten Aufnahmen mit "single shot" Sensoren.

Die Sensorkühlung

Neben dem Ausleserauschen beinhaltet ein Einzelbildbild noch weitere Rauschanteile, so unter anderem das temperaturabhängige Rauschen. Dieses lässt sich durch eine Kühlung des Sensors stark reduzieren und das gilt uneingeschränkt für beide Sensortypen, CMOS und CCD. Dabei gilt generell: Je tiefer der Sensors gekühlt werden kann, desto geringer ist das temperaturbedingte Rauschen. Die meisten der heute verfügbaren CMOS Kameras kühlen den Sensor thermoelektrisch (TE) mit Peltierelementen auf zwischen 35 bis 45 Grad Celsius unter die Umgebungstemperatur.

Einige wenige CMOS- und viele der verfügbaren CCD Kameras bieten zusätzlich die Möglichkeit einer Wasserkühlung (hoher technischer Aufwand), die die Sensortemperatur weiter herunterkühlen können. Je ca. 7 Grad Celsius tiefer reduziert das Wärmerauschen um die Hälfte.

Ein tief gekühlter Sensor erfordert natürlich Maßnahmen, die verhindern dass sich durch die Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur Luftfeuchtigkeit (Taubeschlag) auf dem Eintrittsfenster niederschlägt. Da gibt es bei den Herstellern unterschiedliche Lösungsmöglichen. Zum einen kann man das Eintrittsfenster beheizen oder zum Beispiel eine Patrone mit Trockenmittel in die Sensorkamera einbauen.

Eine ungekühlte CMOS- oder CCD Kamera kann für die lang belichtete DeepSky Fotografie nicht erfolgreich eingesetzt werden, da der Anteil des temperaturbedingten Rauschens irgendwann höher als das Bildsignal des Aufnahmeobjekts ist. Diese Kameras können nur mit kurzen Belichtungszeiten für das Lucky Imaging von hellen Objekten des Sonnensystems eingesetzt werden. Hier sind jedoch die CMOS Kameras wegen der hohen Bildübertragungsfrequenzen (frs = frames per second, Bilder pro Sekunde) gegenüber CCD Kameras deutlich im Vorteil.

Da die Kühlung meist mit einem einstellbaren Sollwert geregelt ist, kann sich der Nutzer eine so genannte Dunkelbildbibliothek anlegen. Ein Dunkelbild ist ein Bild, welches bei einem lichtdicht abgedeckten Sensor belichtet wird. Es enthält nur die Störsignale des Sensors und der Ausleseelektronik und kann, sofern es bei gleicher Temperatur und gleicher Belichtungszeit aufgenommen wurde vom Hellbild des Aufnahmeobjekts zur Bildverbesserung subtrahiert werden. Solche Dunkelbilder können auch am Tag aufgenommen werden, so dass in der Nacht keine wertvolle Beobachtungszeit verloren geht.

Verstärker Ausleseglühen (Amp Glow) bei CMOS Sensoren

Ein Nachteil von digitalen CMOS Kameras der ersten Generationen war das so genannte Ausleseglühen des Verstärkers bei Langzeitbelichtungen. Es erzeugt eine ungleichmäßige Aufhellung am Bildrand und war bei Aufnahme von "DeepSky pretty pictures" mit normaler Bildverarbeitung nur schwer oder gar nicht zu eliminieren. Es tritt bei CCD Sensoren nicht auf.

Dabei handelt es sich um Streulicht, das von den On-Chip-Verstärkern (bei einem CMOS Sensor hat jedes Pixel einen eigenen Verstärker) verursacht wird. Alle Photosensoren, die zwangsläufig unter einer Vorspannung stehen, erzeugen eine geringe Lichtmenge durch den gleichen physikalischen Prozess, der auch eine LED leuchten lässt. Abhilfe gab es nur durch die Subtraktion eines Dunkelbildes.

Das Bild zeigt den offenen Sternhaufen NGC 2451, Summe von 6 x 300 Sekunden belichtet. © 2020 Wolfgang Paech

Das Bild zeigt den offenen Sternhaufen NGC 2451, Summe von 6 x 300 Sekunden belichtet. © 2020 Wolfgang Paech

Das Verstärker Ausleseglühen einer älteren CMOS Kamera am linken Bildrand. Deutlich sichtbar ist der Übergang des Verstärkerglühens in die rötliche, schwache H-II Nebelregion im Hintergrund des Sternhaufens.

Bei den aktuellen Generationen von CMOS Sensoren spielt das Amp glow heute keine Rolle mehr. Die Hersteller astronomischer Kameras eliminieren diesen Bildfehler durch verschiedene Techniken. Dies kann eine elektronische Lösung sein, aber auch der Einbau eines "on board" Bildzwischenspeichers wird häufig eingesetzt. Ein solcher Bildzwischenspeicher hat noch andere Vorteile: Er korrigiert andere Artefakte, die durch die schnelle Datenübertragung über USB 3.0 Schnittstellen verursacht werden und verhindert zusätzlich, dass bei den hohen Bildfrequenzen der CMOS Sensoren Einzelbilder verloren gehen. CCD Sensoren sind aufgrund der unterschiedlichen elektronischen Konstruktion frei von Fehlern des Verstärker Ausleseglühens.

Asronomische CMOS Kamera versus DSLR

Ein letztes, kurzes Wort zu einem Vergleich zwischen astronomischen CMOS Kameras und einer digitalen Spiegelreflex Kameras (DSLR). Wie schon öfter erwähnt, sind die Bildsensoren, die in astronomischen Kameras und in kommerziellen digitalen Spiegelreflexkameras identisch (abgesehen von speziellen astronomischen Kameras für Spektralbereiche im nahen ultraviolett und/oder des infraroten Lichts). Die Anschaffungskosten für eine DSLR Kamera sind deutlich geringer, warum also keine DSLR Kamera für die Astrofotografie einsetzen?

  1. Der Sensor ist ein wesentlicher Punkt, aber die dahinter geschaltete Elektronik ist bei einer astronomischen Kamera wesentlich aufwändiger gestaltet, da diese Kameras eben auch für Langzeitbelichtungen optimiert werden. Hier wird wesentlich mehr Aufwand betrieben, um Dunkelstrom, Ausleserauschen und andere Bildparameter zu optimieren.
  2. Kommerzielle DSLR´s sind im Weißabgleich für die Tageslichtfotografie optimiert. Hier sitzt meist ein Filter vor dem Sensor, der den für die Astronomie so wichtigen H-alpha Spektralbereich bei 656.3 nm blockt. Will man mit einer normalen Kamera DeepSky Astrofotografie betreiben, muss das Filter zwangsläufig entfernt, bzw. gegen ein anderes ausgetauscht werden.
  3. Der wichtigste Punkt ist jedoch der, dass die DSLR Kamera - in der Regel - nicht gekühlt werden kann, das dass thermische Rauschen bei längeren Belichtungszeiten so hoch macht, dass das Rauschen das Bildsignal des Aufnahmeobjekts übertrifft (SNR <1). Ungekühlt kann man sinnvoll nur mit kurzen Belichtungszeiten arbeiten. Die Lucky Imaging DeepSky Fotografie - wie oben beschrieben - ist jedoch auf Grund der kurzen Belichtungszeiten möglich.

Und ein letzter Tipp: Es gibt auf dem Markt einige Consumer DSLR Kameras, die nachträglich mit einer Kühlung des Sensors umgebaut worden sind. Diese Kameras verfügen meist über eine so genannte "live view" Funktion, die hervorragend geeignet ist den Bildausschnitt zu wählen und die vorgeschaltete Optik zu fokussieren. Ist die live view Funktion aktiviert, werden zur Empfindlichkeitssteigung die Maßnahmen zur Verhinderung des Verstärker Ausleseglühens ausgeschaltet. Starten Sie eine Belichtungsserie mit längeren Belichtungszeiten, so müssen Sie mit einer Bildstörung durch das Ausleseglühens rechnen (siehe Bildbeispiel oben). Also nach Bildzentrierung und Fokussierung die live view Funktion ausschalten und erst dann die Belichtung starten.

FAZIT:

Heute haben sich CMOS Sensoren aufgrund ihrer niedrigen Kosten und der schnellen Auslesegeschwindigkeit gegenüber CCD Sensoren in Video-, Smartphone-, DSLR und astronomische Kameras weitgehend durchgesetzt. Sie drängen auch in wissenschaftliche Anwendungsbereiche vor. Es ist zu erwarten, dass CMOS Sensoren in den nächsten Jahren CCD Sensoren allmählich vom Markt verdrängen werden. Einige Sensorproduzenten, wie z.B. "ON Semiconductor", haben die Produktion von CCD Sensoren bereits komplett eingestellt.

Kameras mit der Technik von CMOS Sensoren werden in den kommenden Jahren rasant weiter entwickelt werden und in der Amateurastronomie die CCD Technologie weitgehend verdrängen. Auf Grund der massenhaften Produktion der Sensoren für Consumer Kameras und andere Anwendungen werden auch die Preise astronomischer Kameras sinken. Die Pixelarray werden immer größer, die Pixeldimensionen immer kleiner, da die Sensoren für - im Vergleich zur Astrofotografie - kurze Brennweiten optimiert werden.

Die hohe Lichtempfindlichkeit und die hohe Wertigkeit weiterer kritischer Parameter wie Dunkelstrom von CMOS Sensoren versprechen im "Handumdrehen" gelungene monochrome- und "single shot" Farbaufnahmen mit brauchbarer Datentiefe von 12 bis 14 Bit.

Kameras mit CMOS Sensoren liefern Bildraten bei 20 Megapixel großen Bildern zwischen 10 bis 20 Bilder pro Sekunde, allerdings nur mit Datentiefen von 12- bis 14 Bit. Bei kleineren Bildausschnitten (ROI) von z.B. 640 x 480 Pixel liegen die Bildtransferraten bei bis zu einigen hundert Bilder pro Sekunde. Erst diese hohen Bildfrequenzen machen die "Lucky Imaging" Technik für Sonnen-, Mond- und Planetenaufnahmen möglich. Was hier im Amateurbereich mit einem mittelgroßen Teleskop möglich ist, zeigen die Webseiten des Verfassers unter Jupiteropposition 2019 und einem Mondatlas

Auch in der DeepSky Fotografie lassen sich mit CMOS Kameras bei kurzen Belichtungszeiten im Sekundenbereich eindrucksvolle Aufnahmen erstellen. Wie in der "Lucky Imaging" Planetenfotografie lässt sich auch in der DeepSky Fotografie die Bildqualität erheblich verbessern, weil Seeingeffekte weit weniger Einfluss auf die Qualität der Summenbilder haben. Speziell Aufnahmen, die eine hohe Bildqualität bei langen Aufnahmebrennweiten verlangen, wie z.B. kleine Planetarische Nebel oder Kugelsternhaufen, profitieren von der DeepSky Lucky Imaging Technik. Bildbeispiele vom Verfasser finden Sie unter Planetarische Nebel

Kameras mit CCD Sensoren werden - in geringen Stückzahlen und entsprechend hohen Preisen - aber auch weiterhin für die Amateurastronomie und rein wissenschaftliche Anwendungen in der Astronomie, der Medizintechnik und der Biologie produziert werden.

Vorteile von CCD- gegenüber CMOS Sensoren sind heute noch ihre

  • hohe Quanteneffizienz (QE),
  • oftmals tieferer Kühlung (weniger Rauschen),
  • größerer Pixel mit hohen Full Well Kapazitäten (gut für lange Aufnahmebrennweiten),
  • dem on-chip binning der Pixel (Flexibilität),
  • hoher Bilddynamik und vor allem der Digitalisierung von 16 Bit in 65.536 Grau- oder Farbstufen, die nur wenige CMOS Kameras bieten.

Wenn Sie beabsichtigen eine Kamera mit einem CCD Sensor zu kaufen sollten Sie jetzt oder in naher Zukunft handeln, denn es ist absehbar, dass die Preise von CCD Sensoren langfristig steigen werden.

Einen ausführlichen Artikel zur Deep Sky Fotografie mit CMOS Kameras und kurzen Belichtungszeiten in: Bresseler, P: Deep-Sky-Objekte kurz belichtet, Sterne & Weltraum, Februar 2020, ab Seite 72 ff.


Wolfgang Paech

Über den Autor

Wolfgang Paech betreibt Astronomie seit nunmehr über 50 Jahren. Neben seinen zahlreichen Erfahrungen mit Sternwarten-Kuppeln aller Art sind seine Kerngebiete die Sonne und der Mond. Auf der Website www.chamaeleon-observatory-onjala.de finden Sie einen kompletten Mondatlas, aufgenommen mit seiner Standardtechnik. Aber auch in Sachen Deep-Sky und Planeten kann ihm, als langjährig erfahrenem Astrofotograf, niemand etwas vormachen.

Die 50+ Jahre Amateurastronomie mit vielen weiteren Bereichen, wie z.B. der Restaurierung historischer Amateurteleskope, Polarlichtreisen und vielem mehr sind auf seiner privaten Webseite unter www.astrotech-hannover.de aufbereitet.

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