Ein Vergleich der technischen Daten zwischen dem Sony CMOS Sensor IMX 461 und dem Kodak CCD KAF 16803 Sensor - CMOS vs. CCD

Einführung

Über mehrere Jahrzehnte waren monochrome CCD Sensoren DIE Wahl für die astronomische Bildaufnahme, sei es für bildgebende-, astrometrische oder auch photometrische Einsatzgebiete.

Zu Beginn der technischen Entwicklung waren CCD-Sensoren flächenmäßig deutlich kleiner als das Standard 24 x 35 mm Kleinbildformat, aber sie waren deutlich empfindlicher und litten nicht unter dem Reziprozitätsfehler (dem Schwarzschildeffekt), einem klassischen Problem von allen Standard Filmemulsionen. CCD-Sensoren waren jedoch sehr teuer - anfangs nur der professionellen Astronomie vorbehalten - und es dauerte einige Zeit, bis Sensoren in Kleinbildgröße zu Preisen verfügbar waren, die sich auch Amateure leisten konnten. Zudem waren die Pixeldimensionen groß (9 µm und größer) und damit kaum für kurzbrennweitige Aufnahmeoptiken einsetzbar.

In der Zwischenzeit wurden Teleskopoptiken, die hochauflösende Bilder über ein großes Bildfeld (Mittelformat) erzeugen konnten, weiter verbessert, so dass Sensoren mit kleinere Pixelgrößen um die 4 µm gebraucht wurden. Die Herstellung solcher CCD-Sensoren mit kleinen Pixeln führte zu technischen Problemen in der Herstellung und zudem waren kleine Pixel deutlich unempfindlicher (Stichwort: Full-Well-Kapazität) als die üblichen 9 x 9 µm Pixel.

Typische CCD Kamera, etwa aus dem Jahr 2015, mit einem KAF 16803 Sensor

Typische CCD Kamera, etwa aus dem Jahr 2015, mit einem KAF 16803 Sensor

Schließlich brachte Kodak um das Jahr 2010 zwei CCD-Sensoren für die digitale Radiografie auf den Markt, den KAF16803 (mit 9 µm großen Pixeln) und einen Bruder mit größeren Pixeln, den KAF-9000 auf den Markt. Zum Vorteil für die Amateurastronomie waren diese Sensoren im Mittelformat preisgünstiger als ihre ähnlich großen Vorgänger, so dass Kameras mit CCD-Sensoren im Mittelformat für etwa 10.000 Dollar statt wie vorher 30.000 Dollar und mehr hergestellt werden konnten. Der KAF 16803 war wegen seiner 16 Megapixel Auflösung und seinem 36,8 mm x 36,8 mm großen Array sehr begehrt. Die Firma SBIG (heute Diffraction Limited) war eine der ersten, die Kameras mit dem KAF 16803 Sensor für die Amateurastronomie auf den Markt brachten. Er blieb bis vor kurzem DER Traumsensor für die ernsthafte Astrofotografen. Inzwischen wurde die Produktion eingestellt, wie auch die meisten anderen handelsüblichen CCD-Sensoren, die früher für die Amateurastronomie interessant waren. Sie fielen den umfassenden technologischen Verbesserungen von CMOS-Sensoren zum Opfer, so das heute (2023) CMOS-Sensoren an die Spitze der astronomischen Bildgebung stehen und CCD-Sensoren weitgehend verdängt haben.

Die Entwicklung von CMOS-Sensoren verlief im Laufe der Zeit ähnlich wie die der CCD-Sensoren. Zunächst waren CMOS Sensoren nur in kleinen Größen erhältlich, doch nach und nach wurden sowohl die Qualität als auch die Größe gesteigert, bis Sony und andere CMOS Hersteller heute große, hoch auflösende CMOS-Sensoren in wissenschaftlicher Qualität herstellen, die ihre CCD-Vorgänger in fast jeder Hinsicht übertreffen. Treiber war hier eindeutig die Consumer Industrie - und nicht die Wissenschaft - die immer bessere und preiswerte Sensoren für DSLR-Kameras, Smartphones, Dash- und Webcams und viele weitere Anwendungen forderten.

Der Sony IMX 461 BSI CMOS Mittelformat Sensor

Der Sony IMX 461 BSI CMOS Mittelformat Sensor

Vor etwa 4 Jahren (Stand 2023) brachte Sony zwei nahezu identische wissenschaftliche CMOS-Sensoren auf den Markt, den IMX 411 und den IMX 461. Der einzige wesentliche Unterschied zwischen den beiden Sensoren war die Anzahl der Pixel.

Der IMX 411 hat mit 151 Mp die höchste Pixelzahl aller kommerziell verfügbaren Sensoren. Er ist für Amateure immer noch extrem teuer und seine Sensorfläche von 54 mm x 40 mm erfordert auch Filter, die recht teuer sind, wenn sie denn überhaupt verfügbar sind.

Der etwas kleinere IMX 461 mit 102 Megapixel basiert auf der gleichen technisch-elektronischen Architektur wie der IMX 411 und seine Sensorfläche misst immerhin noch 44 mm x 33 mm - deutlich größer als Vollformat Sensoren - so dass er mit handelsüblichen und weit weniger teuren quadratischen 50 mm Filtern kompatibel ist. Mit der Entwicklung der neuen QHY461M Photo ist der Preis nun auch vergleichbar mit typischen KAF 16803 basierten Kameras. So ist die QHY 461M Photo ein idealer Nachfolger für alle fortgeschrittene Astrofotografen, die eine verbesserte Kamera im Mittelformat als Ersatz für ihre alten CCD 16803-Modelle suchen.

Im Folgenden beschreiben wir Ihnen ausführlich wie der IMX 461 Sensor im Vergleich zum KAF 16803 abschneidet? Was sind die wichtigsten Vorteile des neuen Sony IMX 461 gegenüber dem Kodak KAF16803?

Der Sensor - FSI im Vergleich zu BSI

In der Sensortechnologie wird in die so genannten Back-Side-Illuminated (BSI) und die Front-Side-Illuminated (FSI) Sensoren unterschieden. Tiefergehende Informationen zum Aufbau von BSI- und FSI Sensortechnologie finden hier: CMOS- und CCD Sensoren - Technik und technische Daten mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen im Vergleich

Links der schematische Aufbau eines FSI- und rechts von BSI Sensoren

Links der schematische Aufbau eines FSI- und rechts von BSI Sensoren

Der CCD KAF 16803 ist ein FSI-Sensor, während der Sony IMX 461 ein BSI-CMOS-Sensor ist. BSI-Sensoren haben gegenüber den FSI-Sensoren mehrere Vorteile. Darunter fallen eine deutlich höhere Quanteneffizienz (QE), eine höhere Full-Well-Kapazität pro Quadrat µm (wodurch kleinere Pixelgrößen mehr elektrische Ladung aufnehmen können) und dadurch auch einen höheren Dynamikbereich als sie gängige FSI Sensoren leisten können. Darüber hinaus hat die von Sony entwickelte CMOS-Struktur ein wesentlich geringeres elektrisches Rauschen auf als nahezu jeder CCD-Sensor in FSI-Technologie (siehe dazu den Abschnitt Analog/Digitalwandlung weiter unten).

Lesern, denen die technische Daten wie QE, Full-Well-Kapazität und andere Begriffe der CMOS/CCD Technologie nicht so geläufig sind, bieten wir hier genauere Erklärungen dazu an.

Die Pixelgröße und deren Auflösung

Hier sind die Sensoren recht unterschiedlich. Unabhängig davon, ob man die Bildauflösung nur als die Fähigkeit zur Detailauflösung oder als die Anzahl der Pixel in einem Bild betrachten, übertrifft der IMX 461 den KAF 16803 bei weitem. Die Fähigkeit eines Sensors, Details aufzulösen, wird allein durch die Pixelgröße (in µm = 1/1000mm) und der Aufnahmebrennweite bestimmt. Viele aktuelle und hochwertige, lichtstarke apochromatische Refraktoren oder die RASA-Teleskope von Celestron sind heute in der Lage, einen Mittelformatsensor vignettierungsfrei auszuleuchten und setzten, um die erforderliche Bildauflösung auszunutzen, deutlich kleinere Pixel als die des KAF 16803 voraus.

Solche Teleskope mit kurzen Brennweiten profitieren deutlich von kleineren Pixeln für Bilder in höchster räumlicher Auflösung. Der IMX 461 hat mehr als sechsmal so viele Pixel wie der KAF16803, nämlich 102 Millionen gegenüber nur 16 Millionen. Darüber hinaus kann der IMX 461 für längere Aufnahmebrennweiten 2x2 gebinnt werden, um 7,5µm große Pixel zu realisieren, um dann immer noch eine effektive Auflösung von 25 Mp zu haben. Das sind immerhin noch 56% mehr, als der KAF 16803 zu bieten hat.

Links der Vergleich der Pixelanzahl und rechts die Sensorfläche in mm2

Links der Vergleich der Pixelanzahl und rechts die Sensorfläche in mm2

Die effektive Größe der beiden Sensoren im direkten Vergleich

Die Abbildung oben in diesem Artikel zeigt die relative Größe der beiden Sensoren. Der IMX 461 ist 44 mm x 33 mm groß und hat eine Bilddiagonale von 55 mm. Der KAF 16803 ist 36,8 mm x 36,8 mm groß und hat eine Bilddiagonale von 52 mm. Bei einer gegebenen Aufnahmebrennweite zeigen beiden Sensoren also in etwa gleich großes Bildfeld, wobei der IMX 461 einen etwas größeren Bildbereich überdeckt.

Die Sensorgröße im direkten Vergleich. Links der IMX 461 und rechts der KAF 16803

Die Sensorgröße im direkten Vergleich. Links der IMX 461 und rechts der KAF 16803

Das Rauschverhalten beider Sensoren im Vergleich

Das Ausleserauschen

Bei niedrigster elektronischer Verstärkung erreicht der IMX 461 ein Ausleserauschen von nur 3,7 Elektronen (3,7 e-). Das ist etwa dreimal niedriger als das Ausleserauschen des KAF 16803. Bei hoher Verstärkung beträgt das Rauschen des IMX 461 den bemerkenswerten Wert von nu 1e- und ist damit 10-mal niedriger als das des KAF 16803. Ein derart geringes Ausleserauschen bei höchster Verstärkung ermöglicht die Aufnahmen des gleichen Objekts mit vielen kürzeren Belichtungen und deren anschließende Bildaddition (stacking), um Ergebnisse zu erzielen, die mit denen einer langen, einzelnen Belichtung vergleichbar sind.

Die Vorteile: Wesentlich weniger Bildausfall durch Guidingprobleme bei langen Belichtungszeiten, zudem wird es möglich einzelne schlechtere Bilder (Seeing) vor dem stacking auszusortieren. Da das Ausleserauschen ein fester Wert pro Einzelbelichtung ist - unabhängig von der Länge Belichtungszeit - profitieren kürzere Belichtungszeiten stärker von Sensoren mit geringerem Ausleserauschen.

Der Dunkelstrom (das Dunkelstromrauschen)

Im Gegensatz zum Ausleserauschen nimmt der Dunkelstrom mit der Länge der Belichtungszeit kontinuierlich zu und kann bei langen Belichtungszeiten zu einer dominanten Rauschquelle werden. Bei einer Sensortemperatur von -20 °C hat der IMX 461 einen Dunkelstrom von 0,003 e- pro Pixel und pro Sekunde. Das ist etwa 16-mal geringer als das Dunkelstromrauschen des KAF 16803 bei gleicher Temperatur.

Da das Dunkelstromrauschen mit der Belichtungszeit zunimmt, profitieren längere Belichtungszeiten stärker von Kameras mit Sensoren von geringerem Dunkelstrom. Daher enthalten die Bilder, z.B. aufgenommen mit einer QHY461M Poto, weit weniger Rauschen als die einer KAF 16803, unabhängig davon, ob sie kürzer oder länger belichtet werden.

Weiterführende Erläuterungen zum Rauschverhalten von Sensoren finden Sie hier: Technische Begriffsdefinition und häufig benutzte Abkürzungen in der CMOS-und der CCD Sensor Technologie

Die Quanteneffizienz (QE)

Die Quanteneffizienz ist neben anderen Parametern eine technische Angabe, die eine Aussage über die Empfindlichkeit eines Sensors erlaubt. Im Prinzip gibt der Wert an, wie viel einfallende Photonen eine elektrische Ladung in jedem einzelnen Pixel erzeugen. Ein Wert von 100% würde bedeuten, dass JEDES einfallendes Photon eine elektrische Ladung ereugt. Dabei ist die Angabe der QE abhängig von der Wellenlänge des Lichts.

Die maximale QE des IMX 461 ist 1,5-mal höher als die des KAF 16803 (90 % gegenüber 60 %), und seine spektrale Empfindlichkeit ist über das gesamte sichtbare Spektrum (450 - 700 nm) hinweg höher. Der IMX 461 hat daher nicht nur ein viel geringeres Ausleserauschen und einen geringeren Dunkelstrom als der KAF 16803, sondern auch eine höhere Empfindlichkeit, ohne dass die Pixelgröße kompensiert wird.

Die Quanteneffektivität im direkten Vergleich

Die Quanteneffektivität im direkten Vergleich

Die Analog - Digital Wandlung (A/D Wandlung)

Hier wird unterschieden zwischen so genannten 12-, 14- und 16 Bit AD Wandlern. Hochwertige CCD- und CMOS-Sensoren wandeln die elektrischen Ladungen der einzelnen Pixel in die maximal mögliche Anzahl von 65.536 Gaustufen um (die ersten CCD basierten Guidingkameras, wie z.B. die legendäre SBIG ST4, lieferten nur 8 Bit Daten, das entspricht nur 256 Graustufen).

Die 16 Bit AD Wandlung wurde zusammen mit den meisten auf KAF 16803 basierenden CCD-Kameras entwickelt. Der IMX 461 verfügt ebenfalls über eine 16 Bit AD Wandlung. Es ist jedoch erwähnenswert, dass sich diese beiden Sensoren in der Art und Weise unterscheiden, wie die analogen elektrischen Pixelladungen digitalisiert werden.

Techtalk:

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Sensortypen liegt in ihrem technischen Aufbau und dem Auslesen der elektrischen Ladungen der Pixel. In einem CCD-Sensor findet zunächst ein vertikaler und anschließend ein horizontaler Transport der gesammelten Elektronen über eine Ausgangsleitung statt. Die Digitalisierung des Signals erfolgt dabei zentral in einem AD-Wandler, der die Anzahl der Elektronen pro Pixel 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 (jedes Pixel 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.

Was bedeutet das nun wirklich in der Praxis?

Bei einem CCD Sensor wird die Ladung, die sich in den Pixeln angesammelt haben zunächst vertikal zeilenweise auf die letzte Zeile übertragen. Die letzte Reihe wird Pixel für Pixel horizontal verschoben, wobei die Ladung jedes Pixels digitalisiert wird und einen einzelnen 16 Bit AD Wandler durchläuft. Jedes Mal, wenn die Ladung verschoben wird, besteht die Möglichkeit, dass sich ein Fehler in das Signal einschleicht, der das Rauschen im Bild verstärkt.

Bei einem CMOS-Sensor, wie z.B. dem IMX 461, werden jedoch nicht alle Pixel von nur einem A/D-Wandler verarbeitet, sondern jede Pixelspalte hat ihren eigenen AD Wandler. Während die Ladung die Spalte hinunter zum Wandler verschoben wird, wird die Rauschunterdrückung sowohl vor als auch nach der AD-Wandlung durchgeführt. Dadurch wird nicht nur der Auslesevorgang erheblich beschleunigt, sondern auch das Ausleserauschen drastisch reduziert.

Bei der Geschwindigkeit des Auslesens eines Bildes (Download-Geschwindigkeit in Bilder pro Sekunde, frames per second, fps) hat der CMOS-Sensor die Nase klar vorn. Während typischerweise das Auslesen eines Bildes der QHY 461M PH, BSI Medium Size CMOS Kamera, gekühlt (#1931294 , € 12650,-) bei 16 Bit Digitalisierung nur etwa knapp 1 Sekunde dauert, braucht eine KAF 16803 basierte Kamera dafür mehr als 10 Sekunden.

Die Full-Well-Kapazität und der dynamische Bereich eines Sensors

Der Wert der Full Well Kapazität gibt im Prinzip an, wie viele Photonen (Anzahl der Elektronen) ein einzelnes Pixel aufnehmen kann, bevor es so zu sagen "voll" ist (stellen Sie sich das Pixel als einen Eimer vor, der mit Wassertropfen gefüllt wird - irgendwann ist der Eimer voll und läuft über. Bei einem hochempfindlichen CCD-Sensor zeigen sich dann die hässlichen Bloomingstreifen an hellen Sternen).

Ist das Pixel gesättigt, bringt eine Verlängerung der Belichtungszeit keinen Signalgewinn mehr. Die Full-Well-Kapazität wird als Anzahl der möglichen Elektronen angegeben. Klar ist, dass große Pixelabmessungen eine höhere Full-Well erlauben als kleinere Pixel. Die Full Well Kapazität des KAF liegt bei etwa 100ke-. Der IMX 461 erreicht trotz wesentlich kleinerer Pixel immerhin 50 ke- im Standardbetrieb und etwa 80 ke- im erweiterten Modus. Der IMX 461 erreicht im gebinnten Modus (4 oder 9 Pixel werden zu einem Pixel zusammengefasst) Full Well Werte bis zu 720 ke-. Für die Sensorqualität ist aber nicht nur das Full Well ausschlaggebend, sondern der so genannte dynamische Bereich spielt auch eine wichtige Rolle.

Der dynamische Bereich

Der Begriff des dynamischen Bereichs eines Sensors wird in der Regel als der Wert der Full-Well-Kapazität dividiert durch das Ausleserauschen definiert. Einfach ausgedrückt besagt der Wert, wie gut der Sensor in der Lage ist gleichzeitig sehr lichtschwache und sehr helle Bildsignale in nur einer einigen Belichtung darzustellen.

Nimmt man die Daten des KAF 16803 Sensors, so ergibt sich ein dynamischer Bereich von etwa 1:7000. Der IMX 461 erreicht im Standardmodus mit einem dynamischen Bereich 1:13.500 einen Wert, der fast 1,75 mal höher ist als der des KAF Sensors.

Links ein Vergleich der Full Well Kapazität und rechts der dynamische Bereich

Links ein Vergleich der Full-Well-Kapazität und rechts der dynamische Bereich

Der Auslesemodus

Im Allgemeinen wird der Auslesemodus eines typischen CCD-Sensors von den Konstrukteuren des Sensors festgelegt und kann vom Nutzer nicht beeinflusst werden. Dies ist bei den meisten KAF 16803 basierten Kameras der Fall. Sony bietet mit dem IMX 461 jedoch mehrere Auslesemodi an, die vom Nutzer beim Starten des Kameratreibers einfach per Software ausgewählt werden können. Ein Modus erweitert zum Beispiel die Full-Well-Kapazität von 50.000 e- auf etwa 80.000 e- mit 1x1-Binning. Ansonsten kann jeder der vier Lesemodi ausgewählt werden, wenn die Kamera angeschlossen ist, um das Ausleserauschen, die Verstärkung, und/oder den Dynamikbereich für eine bestimmte Art der Bildgebung zu optimieren.

Die Downloadgeschwindigkeit (Framerate)

Die Downloadzeit - auch als frame rate bezeichnet - gibt an, wie viel Zeit benötigt wird, ein Bild aus dem Sensor auszulesen und auf den PC zu übertragen. Die Angabe ist dabei Bild pro Sekunde (frame per second, fps). Durch den strukturellen Aufbau des CMOS Sensors (siehe auch unter dem Begriff AD Wandlung) liegt der CMOS Sensor weit vor dem KAF 16803. Die Bildrate liegt bei einem Vollbild mit 102 Mp und 16 Bit AD-Wandlung des IMX 461 bei etwa 0,75 Sekunden pro Bild. Der KAF benötigt bei 16 Mp und 16 Bit AD-Wandlung für ein Bild etwa 9 Sekunden. Fährerweise sei angemerkt, dass sich die 9 Sekunden auf eine USB 2.0 Schnittstelle bezieht.

Die download Geschwindigkeit im direkten Vergleich

Die Download-Geschwindigkeit im direkten Vergleich

Die Geschwindigkeit, mit der der Sensor ausgelesen wird, trägt also auch zu Produktivität bei, insbesondere bei der Aufnahme mehrerer kurzer Belichtungen. Dazu kommt bei CMOS-Sensoren die Möglichkeit, nur vom Nutzer frei gewählte Teilbereiche des Sensors auszulesen. Dadurch können Bildraten von weit mehr als 100 Bilder pro Sekunde erreicht werden, wie sie für das "lucky imaging" von Sonnen-, Mond- und Planetenaufnahmen benötigt werden.

Zusammenfassung und Resumé

Aus den oben beschriebenen Ausführungen geht deutlich hervor, dass der Sony CMOS Sensor IMX 461 den KAF 16803 CCD Sensor nicht nur in praktisch allen wichtigen Spezifikationen übertrifft, sondern dass z.B. die QHY 461 M/C PRO, BSI Cooled Scientific KamerasQHY 461 M/C PRO, BSI Cooled Scientific Kameras QHY 461 M/C PRO, BSI Cooled Scientific Kameras (verschiedene Versionen / Varianten erhältlich) oder auch die neue QHY 461M PH, BSI Medium Size CMOS Kamera, gekühltQHY 461M PH, BSI Medium Size CMOS Kamera, gekühlt QHY 461M PH, BSI Medium Size CMOS Kamera, gekühlt (#1931294, € 12650,-) auch in der Lage sind, die Verstärkung, das Ausleserauschen und den Vollbildmodus an die Anforderungen einer Vielzahl von Aufnahmesituationen anzupassen, was die Kamera zu einem flexibleren Instrument macht. Der IMX 461 ist nichts weniger als ein Quantensprung in der astronomischen Bildaufnahme und sollte die erste Wahl sein, wenn eine ältere CCD-Kamera durch ein neues Modell ersetzt werden muss.

Hier die wichtigsten technischen Daten der beiden Sensoren im direkten Vergleich.

Spezifikation Typische KAF 16803 basierte Kamera z.B die QHY461 PH
Sensor KAF16803 CCD Sony IMX461 CMOS
Type Front-Illuminated Back-Illuminated
Pixelgröße 9 µm 3.76 µm
Pixelzahl 4096 x 4096 11760 × 8896
Total Pixels 16 Megapixel 102 Megapixel
Sensorgröße 37mm x 37mm 44mm x 33mm
Sensorgröße diagonal 52 mm 55 mm
Ausleserauschen 13e- 1e- to 3.7e-
Dunkelstromrauschen 0.05e- bei -20°C 0.003e- bei -20°C
QE bei 450nm 45% 90%
QE bei 550nm 60% 83%
QE bei 650nm (H-alpha) 46% 59%
Datentiefe, A/D Wandlung 16-bit 16-bit
Full-Well-Kapazität 100ke- 50ke-/80ke-
Dynamischer Bereich 1:7,700 1:13,500
Full Frame Download bei 16 Bit 9 Sekunden pro Bild 0.77 Sekunden pro Bild
Auslesemodi 1 4
Die wichtigsten Betriebsparameter zwischen IMX 461 und KAF 16803 im direkten Vergleich

Die wichtigsten Betriebsparameter zwischen IMX 461 und KAF 16803 im direkten Vergleich

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