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).
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".