Vergleich zwischen CCD Kodak KAI 11002 und Sony CMOS IMX 455 (Industry-Grade)

Ein technischer Vergleich zwischen den beiden monochromen 35mm Vollformat Sensoren CCD Kodak KAI 11002 und Sony CMOS IMX 455 (Industry-Grade) - CCD versus CMOS

Warum ist ein monochromer Vollformat Bildsensor in der Amateur Astrofotografie so beliebt?

Viele Jahre lang, bevor sich elektronische Bildsensoren etablieren konnten, war die Standardmethode von Amateurastronomen die Bildaufnahme über ein klassisches 35mm Spiegelreflexkameragehäuse, die mit handelsüblichen Filmen vom Bildformat 24 x 36mm bestückt waren. Die Bilddiagonale dieses 35mm Filmformats beträgt ca. 43mm. Die früheren, damals häufig eingesetzten Schmidt Cassegrain Teleskope hatten aber ein kleineres, nutzbares Bildfeld, so dass die aufgenommenen Bilder in der Regel beschnitten werden mussten. Aufgrund der großen Auswahl an Spiegelreflexkameras und handelsüblichem Filmmaterial machten aber das 35mm Format zum Standard für die fotografische Amateurfotografie

Mit Beginn der elektronischen Bildaufnahme waren die frühen, preislich erschwinglichen CCD Sensoren für Amateure anfangs flächenmäßig viel kleiner als das 35mm Filmformat. Es gab damals viele Debatten darüber, ob es besser sei, die höhere Empfindlichkeit des elektronischen Sensors oder aber das größere Gesichtsfeld und die höhere Auflösung von klassischem Films zu nutzen.

Im Laufe der Zeit sanken die Preise für CCD Sensoren und preislich interessante Sensoren für Amateure mit immer höherer Auflösung und größerer Fläche waren verfügbar. Letztendlich kamen CCD Sensoren auf den Markt, die die gleiche Größe wie ein Kleinbild-Filmformat mit relativ kleinen Pixeln und guter Empfindlichkeit hatten. Astrofotografen bevorzugen es, Farbbilder mit einem monochromen Sensor und RGB Filtern aufzunehmen, aber viele der neuen CCD Sensoren waren Farbsensoren mit vorgesetzter RGB Filtermatrix, wie sie vom Markt für Konsumentenkameras benötigt wurden.

Frühe CMOS Bildsensoren wurden anfänglich wegen ihres höheren thermischen Rauschens und Bildartefakte als ungeeignet für die Astronomie angesehen. So sorgte vor mehr als 15 Jahren die Verfügbarkeit des monochromen 11 Megapixel CCD Sensor von Kodak im Kleinbildformat für in der Amateurastronomie Community für Furore. Der Kodak KAI 11000 und sein Nachfolger, der KAI 11002, wurden für die Astrofotografie weitweit eingesetzt. Zu den Kameras, die diese Sensoren verwenden, gehören die STL-11000 von SBIG, die QHYCCD QHY11 und einige andere mehr.

In den letzten 15 Jahren wurden CMOS Sensoren technisch stetig verbessert, was zum Teil auf ihre geringeren Kosten und hohe Produktionszahlen für die weite Verbreitung in Consumerkameras, Handy, Laptops etc. zurückzuführen ist. Heute (2020) haben alle großen Hersteller von Digitalkameras für Endverbraucher den Übergang von CCD- zu CMOS Sensoren vollzogen. Die Größenstandards der Chips umfassen unter anderem 1 Zoll, 4/3 Zoll, APS-C- und Vollformat. Vollformat bezieht sich dabei auf die effektive lichtempfindliche Fläche von etwa 24 x 36mm, der Größe eines 35mm Films. Darüber hinaus gibt es größere Mittelformatsensoren, die die 645er- und 6x7er Filmformate ersetzen.

Die maximale Bildfeldgröße, die viele Teleskope der Amateurklasse mit guter Abbildungsqualität abbilden können, liegt im Allgemeinen bei etwa der Größe des APS-C-Formats. Aber moderne optische Systeme wie zum Beispiel Takahashi FSQ106, 70SA und die neuen Celestron Teleskope wie RASA, HyperStar und Edge HD können auch einen Vollformatsensor in hoher optischer Abbildungsqualität ausleuchten.

Optische Spitzensysteme können auch einen nutzbaren Aufnahmebereich größer als 35 mm erzeugen, aber es gibt im Allgemeinen einen Quantensprung in den Gesamtkosten solcher Systeme. Kameras und Teleskope sind teurer, die Anforderungen an die Montierung steigen und diese Sensoren benötigen auch RGB Filter größer 2 Zoll Durchmesser und dies bedeutet ein größeres, teureres Filterrad und ein damit auch ein höheres Gesamtgewicht des Aufnahmesystems.
Die Wahl Vollformat- oder APS-C Sensor wird wohl für Amateure der kritischste Punkt bei der Anschaffung einer CCD Kamera bleiben.

Sony mehrere neue CMOS Sensoren auf den Markt, darunter den 60 Megapixel Vollformatsensor IMX455. QHYCCD setzt diesen Sensor in der neuen QHY600 Kamera ein. Eine Frage ist, wie der IMX 455 im Vergleich zum weit verbreiteten Kodak KAI 11002 abschneidet. Bekannt ist, dass es sich bei dem KAI-11000/11002 um einen Interline CCD Sensor und bei dem IMX455 um einen CMOS Sensor handelt. Wie schneidet der IMX 455 im technischen Vergleich zum KAI 11002 ab?

Wie oben bereits erwähnt wurden CMOS Sensoren bei ihrer Einführung aufgrund ihres höheren Dunkelstroms, der Bildartefakte und anderen Problemen (z.B. dem Verstärker Auslöseglühen) im Vergleich zu CCDs als ungeeignet für die astronomische Bildaufnahme angesehen.

Diese Zeiten sind jedoch lange vorbei. Als die großen Hersteller von Consumer Kameras wie Sony, Nikon, Canon und andere immer bessere CMOS Sensoren entwickelten, verdrängte die CMOS Technologie allmählich den CCD als Sensortyp. Mit der stetigen Weiterentwicklung und Steigerung der Produktionszahlen gingen dramatische Verbesserungen in der CMOS Technologie einher, so dass die CMOS Technik heute in praktisch allen Aspekten der fotografischen Bildaufnahme die CCD Sensoren in ihrer Leistung in den Schatten stellen. Ausleserauschen, Dunkelstrom, Full Well Kapazität, Dynamikbereich, Quanteneffizienz und Auflösung usw. erreichen bessere technische Daten gegenüber CCD Sensoren, zudem sind sie preiswerter.

Lassen Sie uns sehen, wie der Sony IMX455 im Vergleich zum Kodak KAI 11002 in wichtigen Bereichen für die astronomische Bildaufnahme abschneidet:

Der Sony IMX hat mehr als die 5-fache Anzahl von Pixeln als der Kodak KAI 11002 - 60 Millionen- gegenüber 11 Millionen Pixel. Darüber hinaus kann der IMX 455 mit seinen 3,76 µm großen Pixeln im Modus 2x2 binning betrieben werden, der 7,5µm große Pixel erzeugt und hat dann immer noch eine Gesamtauflösung von 15 Megapixeln, 30% mehr als der KAI-11002.

Der IMX 455 erreicht im Vergleich zum KAI- 11002 das 1,74-fache der Quanteneffizienz, ein QE, >87% gegenüber 50% des KAI-11002. Das Gesamtverhältnis ist im Durchschnitt über den größten Teil des sichtbaren Spektrums sogar noch höher und erreicht fast das 2-fache des KAI-11002.

Die Höhe der Quanteneffizienz (relative Empfindlichkeit) über die spektrale Wellenlänge für den IMX 455 wird von Sony zur Verfügung gestellt. Auf der Grundlage unserer Vergleichstests mit einem Sensor mit bekannter QE schätzen wir die Spitzenwert der Quanteneffizienz des IMX455 auf größer 87%. Der Vergleichstest ist unter https://www.qhyccd.com/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=23&id=261dokumentiert.

Dunkelstromrauschen ist eine bedeutende Störgröße, da er sich bei langen Belichtungszeiten aufsummiert. Der Dunkelstrom des IMX 455 ist 35 Mal niedriger als der vom KAI- 11002, 0,014 e-/Pixel/Sekunde gegenüber 0,5 e-/Pixel/Sekunde bei Null Grad Celsius.

Obwohl der IMX 455er deutlich kleinere Pixel hat (3,76µm gegenüber 9µm des KAI-11002), hat er eine Full Well Kapazität von 51 000 Elektronen im Standardmodus und 85 000 Elektronen im erweiterten Modus. Die Full Well Kapazität des KAI-11002 beträgt im Mittel etwa 60 000 Elektronen.

Größere Pixel haben normalerweise eine größere Full Well Kapazität als kleinere Pixel (einfach deshalb, weil eine größere Fläche mehr Photonen auffangen kann und damit eine größere Anzahl von Elektronen generiert werden kann). Um die Leistungsfähigkeit des Sensor-Designs zu vergleichen, kann man den Wert der Full Well Kapazität durch die Pixelfläche dividieren (Full Well/µm2) um das Verhältnis von Full Well zu Pixelfläche zu ermitteln, so dass man Äpfel mit Äpfel und nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen.

Im Standardmodus hat der IMX 455 fast den 5-fachen Faktor Full Well/µm2 als der KAI-11002. Im erweiterten Modus beträgt der Unterschied sogar den Faktor 8.

Bei geringster Verstärkung (low gain) erreicht der IMX 455 ein Ausleserauschen von nur 3,7 Elektronen, fast dreimal weniger als der KAI-11002. Bei hoher Verstärkung (high gain) kann der IMX 455 das Ausleserauschen auf bemerkenswerte 1 Elektron reduzieren, das ist 10-mal niedriger als der KAI-11002.

Ein solch niedriges Ausleserauschen im High Gain-Modus ermöglicht es, mehrere (viele) Bilder mit kürzerer Belichtungszeit aufzunehmen und sie zu "stacken" (DeepSky Lucky Imaging Technik), um Ergebnisse zu erzielen, die mit einzelnen langen Belichtungen vergleichbar sind. Dies reduziert die Anforderungen an das Guiding und ermöglicht die Auswahl der besten Einzelbilder, die zum endgültigen Bild aufsummiert werden.

Die Werte des Ausleserauschens und der Full Well Kapazität bestimmen im Allgemeinen die Größe der Dynamik (die Größe der Dynamik gibt im Prinzip an, wie kontrastreich ein Bild über den Sensor abgebildet werden kann, geringe Dynamik = flaues Bild, hohe Dynamik = kontrastreiches Bild) des ausgelesenen Rohbildes. Der Dynamikbereich des IMX 455 Sensors ist mehr als 2X größer als der des KAI-11002, 1:14 000 gegenüber 1:6 000.

Die Datenübertragungsgeschwindigkeit, mit der der Sensor ausgelesen werden kann, trägt zur Produktivität bei, insbesondere bei der Aufnahme mehrerer kurzen Belichtungen. Die Auslesegeschwindigkeit für den Sensor IMX-455 beträgt etwa 1/3 Sekunde (volles Bild), im Vergleich zu über 10 Sekunden für den Sensor KAI-11002, also über 30 Mal schneller.

ZUSAMMENFASSUNG

Aus dem voraus gegangenen Text und den Graphiken wird deutlich, dass der Sony IMX455 den Kodak KAI-11002 in praktisch jeder Spezifikation übertrifft. Zudem bietet das Model QHY 600 eine Vielzahl von nutzerspezifischen Kontrollmöglichkeiten, so dass die Kamera an verschiedene Aufnahmesituationen flexibel angepasst werden kann.

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