Stand-alone CCD-Kamera
- Aufnahmen ohne Laptop -


Letztes Update: 10.11.09
 
Astronomische CCD-Kameras zeichnen sich gegenüber normalen Digitalen Spiegelreflexkameras durch eine höhere Bildqualität bei langbelichteten Aufnahmen aus. Das ist zurückzuführen auf
- die thermoelektrische Kühlung des CCD-Chips. Dadurch reduziert sich der Dunkelstrom und somit das Dunkelstromrauschen um mehrere Zehnerpotenzen. Auch Hotpixel verschwinden vollständig.
- die hochauflösende Digitalisierung des analogen Bildsensorsignals, typischerweise mit 16 Bit
- die  höhere Quanteneffizienz der in astronomischen CCD-Kameras verwendeten Chips
- der Erhalt der vollen Sensorempfindlichkeit bei der H-Alpha Spektrallinie, da kein für Tageslicht-Fotografie optimierter Filter vorgeschaltet ist
- bei monochromen CCD-Chips ist die Bildauflösung höher als bei Farb-Chips, und im LRGB-Verfahren lassen sich im direkten Vergleich rauschärmere Bilder gewinnen

Allerdings sind die üblichen Astro-CCD-Kameras im Betrieb unhandlicher als eine DSLR, da ein PC oder Laptop erforderlich ist. Viele Kameras benötigen für die Kühlung auch recht viel Strom, was die Möglichkeit zum netzunabhängigen Akkubetrieb einschränkt.

 
In einem Selbstbauprojekt wurde eine Kamera realisiert, die die Vorteile beider Systeme vereint.

Um den in der Astronomie bewährten CCD-Chip ICX285AL von Sony wurde eine Elektronik entwickelt, die alle Funktionen der Bildgewinnung, Anzeige auf einem Vorschaumonitor, und Speicherung auf einer Compact-Flash Karte beinhaltet. Dadurch ergibt sich eine Bedienung wie bei einer DSLR, ohne deren Nachteile bezüglich Bildqualität .

   



Die Anzeige der Bilder erfolgt auf einem 2,8 Zoll OLED Display an der Rückseite der Kamera. Die OLED Technologie bietet einen sehr hohen und blickwinkelunabhängigen Bildkontrast. Insbesondere ist "Schwarz" tatsächlich ein völliges Schwarz. Außerdem ist der Stromverbrauch des Displays im wesentlichen von der mittleren Helligkeit der Displayfläche bestimmt, und somit bei astronomischen Objekten generell recht klein. Das Displaygehäuse ist schwenkbar.

Im Gehäuse der Kamera integriert ist ein Filterwechsler mit 8 Positionen. Die Filterauswahl erfolgt manuell, oder auch automatisch bei der Ausführung eines Belichtungsprogramms.

   


Die Compact Flash Speicherkarte wird an der Oberseite eingeschoben. Die Bilder werden von der Kamera direkt in das standardisierte FITS Format konvertiert und im FAT 16  Filesystem auf die Karte geschrieben. Somit kann das Auslesen einfach über einen Kartenleser am PC erfolgen, und die Bildbearbeitungssoftware kann die Daten direkt einlesen.


   



Die Elektronik der Kamera ist rund um einen 8 Bit Microcontroller aufgebaut. Ein großer Teil der Elektronik entfällt auf die Signalerzeugung für den CCD-Chip, und die Erzeugung seiner Versorgungsspannungen.

Daten der Kamera-Elektronik:

- 16bit Analog-Digitalwandler
- Digitalisierungsrate 1 Mio Pixel/s
- Correlated Double Sampling
- Belichtungszeit 0.001s - 1800s
- Bildspeicher 4MByte
- Schreibgeschwindigkeit auf CF-Karte ca. 5MByte/s
- Temperaturregelung auf ca. 0.1°
- gesteuertes Temperaturprofil zum Schutz des CCD gegen schnelle Temperaturwechsel
- Stromaufnahme mit voller Kühlleistung, Display ein, laufende Aufnahme: 0,75A bei 12V (also ca. 9 Watt). Ohne Kühlung ca. 0,2A.


Der CCD-Chip hat 1040x1392 Pixel (ca. 1,45 Megapixel), bei einer Bilddiagonale von 11mm. Er ist auf dem sogenannten Kühlfinger befestigt, der wiederum von der Unterseite her durch vom Peltier-Element gekühlt wird. Die Kühlkammer wird nach vorne durch ein breitbandig transparentes Fenster mit Multicoating abgeschlossen. Nach hinten wird die Wärme an einen Kühlkörper abgegeben. Etwa die Hälfte der Kühlwirkung entfällt jedoch auf das Filtergehäuse.



   


   

Diese beiden Bilder zeigen die Hauptplatine, mit der Kühlkammer und dem CCD-Chip auf der Vorderseite. 

Die zweite Platine mit der Erzeugung der verschiedenen Versorgungsspannungen und der Schrittmotor-Ansteuerung ist auf folgendem Bild zu sehen. Eine weitere Platine befindet sich im Display-Gehäuse.

   



Die einzelnen Funktionsblöcke der Elektronik sind in folgender Darstellung zu sehen:

   
 

Die geregelte thermoelektrische Kühlung mittels Peltier-Element erreicht eine maximale Temperaturdifferenz zwischen CCD-Chip und Kühlkörper von ca. 38°. Gegenüber der ruhenden Umgebungsluft ergeben sich ca. 31°.


Die Bedienung der Kamera erfolgt über verschiedene Grundfunktionen:

- FIND: Objekt suchen. Dabei werden kontinuierlich Bilder aufgenommen und auf dem Display dargestellt (Vergrößerung 0.25x, so dass nahezu das ganze CCD-Feld auf die 320x240 Pixel des Displays passt). Ein neues Bild wird alle 2s angezeigt.

- FOCUS: Objekt fokussieren. Es wird ein 320x240 Fenster aus der Mitte des CCD im Maßstab 1:1 dargestellt. Zusätzlich kann noch um einen Faktor 2 oder 4 gezoomt werden. Ein neues Bild wird ca. 1x pro Sekunde angezeigt.

- ACUISITION: die eigentliche Aufnahmefunktion. Entweder ein Einzelbild, oder es wird eine zuvor festgelegte Belichtungssequenz abgefahren. Nach jeder Bildaufnahme wird das Bild auf dem Display angezeigt.

- REPLAY: die bereits gemachten Aufnahmen auf der CF-Karte anschauen

Außerdem gibt es noch Funktionen zum Einstellen der Filterrüstung, Auswahl der CCD-Temperatur, diverse Verzögerungszeiten bis Aufnahmebeginn, und eine Funktion zum langsamen Aufwärmen des CCD vor dem Abschalten.


   


   


   


Der Anschluss an die Aufnahmeoptik erfolgt über verschiedene auswechselbare Adapter, z.B. für das Pentax-Bajonett oder natürlich auch T2.

   


   




Hier ein paar der ersten Bilder, die mit der Kamera aufgenommen wurden. Die Daten wurden nur elementar bearbeitet (Stacking, Histogramm-Anpassung).


   

Volle Größe

Aufnahmedaten:
23.08.2009, Teleobjektiv 3,5/135mm @5.6, Belichtungszeit 24min (3x 8min), L-Filter. Lufttemperatur 14°, Chiptemperatur -15°.


Der Hantelnebel M27 mit einem 5,6/500mm Rubinar Teleobjektiv aufgenommen:

   

Volle Größe

Aufnahmedaten:
23.08.2009, Teleobjektiv 5,6/500mm (eff. Lichtstärke ca. 8), Belichtungszeit je 2x 4min für L, R, G, B (Summe 32min). Baader LRGB Filtersatz. Lufttemperatur 14°, Chiptemperatur -15°.


Nur mit einem H-Alpha-Filter (Halbwertsbreite 7nm) aufgenommen ist folgendes Bild des Nordamerika/Pelikannebels:

   
 
Volle Größe

Aufnahmedaten:
29.08.2009, Teleobjektiv 3,5/135mm @5.6, Belichtungszeit 48min (6x 8min), Ha-Filter. Chiptemperatur -15°. Mitten aus der Stadt heraus, der 8 Tage alte Mond stand ca. 20° über dem Horizont.

Die dunkleren Nebelgebiete sind sehr verrauscht. Hier wäre also eine längere Gesamtbelichtungszeit erforderlich, um mehr Photonen zu "sammeln".


zurück zur Startseite



(c) Martin Raabe 2009