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Kameraauswahl: Astrokameras

Speziell für den Einsatz am Teleskop optimiert sind die sogenannten Astrokameras. Durch fehlende Massenfertigung und die hohen Herstellungskosten bei großen CCD-Chips sind sie leider extrem teuer, aber dafür sind deren Bildqualität und Sensitivität unschlagbar.

Eigenschaften:

Die gekühlten CCD-Chips guter Astrokameras sind extrem lichtempfindlich und rauscharm. Dadurch lassen sie sich sehr lange belichten, ohne daß sich ein allzu starkes Eigenrauschen bemerkbar macht. Sie sind speziell für Astroaufnahmen optimiert und können einen sehr weiten Kontrastbereich sauber darstellen. Es sind Schwarz-Weiß- aber auch Farbkameras im Handel.

Hier sollte der deutlich lichtempfindlicheren Schwarz-Weißkamera unbedingt der Vorzug gegeben werden, denn diese hat aufgrund der fehlenden Bayermaske ein mehr als doppelt so hohes Auflösungsvermögen und läßt auch das Arbeiten mit speziellen Filtern wie z.B. Hα oder OIII zu.

• Besondere Vorteile:

Das Problem der meisten Digitalkameras besteht darin, daß sie die Helligkeitswerte in nur 256 Helligkeitsstufen (8-Bit-Quantisierung) abbilden können. Ihnen fehlt also die Fähigkeit, gleichzeitig die feinen Strukturen eines Gasnebels oder einen lichtschwachen Stern mit einer scheinbaren Helligkeit von 20 mag und einen helleren Stern mit 12 mag sauber darzustellen (Quantisierungsrauschen). Denn dazu müßten sie eine Helligkeitsbandbreite von 2,512⁸ (=1.585) darstellen können, was bei einer Quantisierung mit 8 Bit eben nicht ´stufenarm´ möglich ist. Gute Astrokameras lösen daher mit 16 Bit auf und können damit die feinen Strukturen eines Gasnebels neben diesen unterschiedlich hellen Sternen problemlos darstellen, sofern das Photonenrauschen unseres lichtverschmutzten Himmels dies zuläßt. Außerdem werden die Bilder stets unkomprimiert übertragen, was zwar für eine vergleichsweise langsame Übertragungsgeschwindigkeit sorgt, aber eben die bestmögliche Bildqualität bringt.

Ein weiterer Vorteil ist die oft elektronisch geregelte, betauungsfreie Kühlung, was das Eigenrauschen der ohnehin schon extrem rauscharmen Chips erheblich verringert. Das macht den Weg frei zu Langzeitbelichtungen von theoretisch über 2 Stunden (!). Nebenbei sind diese Chips weit lichtempfindlicher (entsprechend 20.000 ISO und darüber!) als jedes noch so gute chemische Filmmaterial!

Außerdem lassen ihre allgemein üppig dimensionierten Chipflächen verhältnismäßig große Bildfelder zu, was diese Kameras zur Ablichtung von großflächigen Deepsky-Objekten befähigt.

• Nachteile:

Da wäre einmal der Preis zu nennen: Kameras mit großen CCD-Chips kommen schnell in die Preiskategorie 4.000 € und aufwärts. Kompromißlösungen "Low cost" mit kleinerem Chip sind bisweilen sogar für unter 1.000 € zu haben. Ein weiterer Nachteil ergibt sich fast zwangsläufig aus der zugunsten eines besseren Signal-Rauschverhältnisses reduzierten Auslesegeschwindigkeit und der bei großen Chips üblichen stattlichen Dateigrößen für die einzelnen (unkomprimierten 16 Bit!) Bilder: Das Übertragen einer Einzelaufnahme zum Rechner kann sich im Extremfall über eine halbe Minute erstrecken! Somit sind Summenbilder aus einer großen Anzahl an selektierten Einzelaufnahmen schwierig zu realisieren.
 

• Welche Chipgröße?

Einige wichtige Bemerkungen zur Chipgröße: ´Viel hilft viel´ gilt nur sehr bedingt für die Auswahl der geeigneten Astrokamera. Bei kleinen Objekten, etwa Planetarische Nebel, (gelinste) Quasare, die meisten Galaxien, ist man mit kleinflächigen Kamerachips klar im Vorteil, denn hier ist die Übertragungsdauer zum Rechner, sowie die zu speichernde Datenmenge prinzipiell um einiges kleiner. Dies wiederum eröffnet die Option, durch Mittelung sehr vieler Einzelaufnahmen Objekte mit beachtlichen Grenzgrößen bei vertretbarem Signal-Rauschabstand und Hintergrundhelligkeit darzustellen. Dagegen sind solche Kameras nicht geeignet für großflächige Objekte, wie z.B. große Galaxien (etwa M31) oder ausgedehnte Gasnebel. Ein weiterer Nachteil ist, daß eine nachträgliche Verkleinerung der gewonnenen Aufnahme, wie sie gerne zur Qualitätsverbesserung durchgeführt wird, bei einer Auflösung von ca. 640 × 480 kaum sinnvoll erscheint.

Kameras mit großen Chips und entsprechend vielen Megapixeln sind dagegen unabdingbare Voraussetzung, wenn ein entsprechend großes reales Bildfeld benötigt wird. Erkauft wird dieses jedoch durch entsprechend hohe Übertragungszeiten zum Rechner, sowie sehr große Datenmengen, was das Mitteln vieler Einzelaufnahmen zur Rauschminderung erschwert bzw. sogar unmöglich macht. Bei hochauflösenden Aufnahmen mit diesen Kameras hat man allerdings die Option, die Qualität der sehr großformatigen Bilder durch nachträgliches Verkleinern ganz beachtlich zu steigern. Für die oben angesprochenen kleinen Objekte sind diese Kameras jedoch wenig geeignet, da nur ein sehr kleiner Teil der nutzbaren Chipfläche auch wirklich benutzt wird. Allerdings läßt sich dieser Nachteil umgehen, wenn diese Kamera über die Option ROI verfügt. Auch die nachträgliche Verkleinerung eines mit 5m Brennweite aufgenommenen Planetarischen Nebels mit einem scheinbaren Durchmesser von, sagen wir mal 15" ist kaum sinnvoll.

Sinnvoll ist bei großen Chipflächen auch eine "künstliche Vergrößerung" der lichtempfindlichen Zellen durch das Binning, sofern bei größeren Brennweiten dadurch ein realistischer Abbildungsmaßstab von ca. 1"/Pixel erreicht werden kann, was die Empfindlichkeit erheblich steigert. Die Verwendung eines (in der Regel fehleranfälligen) Reducers kann dann meist vermieden werden.

Zusammenfassung:

Kleine Chips:
+ Günstiger Preis
+ Kurze Übertragungszeiten
+ Geringe Datenmengen
+ Es können viele Einzelbilder addiert werden
- Ungeeignet für großflächige Objekte
- Längere Brennweiten nur bei sehr kleinen Objekten sinnvoll
- Qualitätsverbesserung durch nachträgliches Verkleinern nicht sinnvoll

Große Chips:
+ Längere Brennweiten auch bei größeren Objekten möglich
+ Qualitätsverbesserung durch nachträgliches Verkleinern möglich
+ Großes reales Bildfeld
- Hoher Preis
- Hohe Anforderungen an die verwendete Optik (Vignettierung, Bildfeldebnung)
- Lange Übertragungszeiten (ohne ROI und Binning)
- Große Datenmengen (ohne ROI und Binning)
- Ab ca. 22mm Chipdiagonale lassen sich die preiswerten 1,25"-Filter nicht mehr verwenden.

 

Allgemeine technische Daten:

Auflösung:       0,3- 11 Megapixel
Chipabmessungen: 5-37 × 4-25 mm
Pixelabstand:    6-20 µm
Ausleserauschen: um 10 e-
Sensitivität:    um 65 Photonen für ein S/N von 1

 

• Bemerkungen zur QE und zur Sensitivität

Vielfach wird mit einer hohen Quanteneffizienz geworben, wobei man dabei ganz vergißt, daß diese für die Astrofotografie eigentlich gar keine Aussagekraft hat. Denn der Astrofotograf möchte ganz gerne wissen, welche Grenzgröße er bei der verwendeten Optik bei einer gegebenen Belichtungszeit bekommt. Hier ist die Angabe der Sensitivität des Gesamtsystems Kamera viel praxisnäher, also das ´was hinten ´rauskommt´. Man kann die Sensitivität seiner Kamera leicht selbst bestimmen, wenn einige Kenngrößen bekannt sind:
 

Sensitivität berechnen

FWC [e-]:
Quanteneffizienz:
Sättigungswert [ADU]:
Rauschen [RMS]:
Sensitivität ca.:	66 Photonen

 

 

• Bemerkungen zu USB 2.0

Die Vorteile von USB 2.0 gegenüber USB 1.1 liegen offensichtlich auf der Hand: Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 480 Mbit/s (=60 MByte/s) statt 12 Mbit/s (=1,5 MByte/s). Jedoch wird dabei häufig übersehen, daß die im Rechner verbaute(n) Festplatte(n) gar nicht in der Lage sind, 60 MByte/s zu speichern! Eigene Messungen ergeben je nach Eigenschaften von Platte und Bus eine Speichergeschwindigkeit von 4 MByte/s (bei alten IDE-Platten) bis 10 MByte/s (moderne SATA-Platten), so daß die Vorteile von USB 2.0 etwas relativiert werden müssen. Bei der für die Astrofotografie typischen langsamen Bildfolge kann dieses Problem durch Verwendung eines hinreichend großen Schreibpuffers im Arbeitsspeicher (="write cache") umgangen werden. Bei den in der Astrofotografie üblichen Belichtungszeiten von ca. 0,5 - 2 Minuten pro Einzelbild spielt eine Übertragungsgeschwindigkeit von wenigen Sekunden ohnehin nur eine untergeordnete Rolle. Jedoch ist eine langsame Übertragung beim Fokussieren und Ausrichten mit üblicherweise nur 1-3 Sekunden Belichtungszeit äußerst lästig.
 

• Beispiele (Nach Preis sortiert, Praxistauglichkeit nicht getestet, Preise ohne Gewähr):

 

Modell	Auflösung	Chip / Diagonale / Pixel	Port	Preis ca.
DMK 21AU04.AS	640 × 480	ICX-098BL / 4,50mm / 5,60 µm	USB 2.0	345 €
Atik ATK 16IC-HS	659 × 494	ICX-424AL / 6,00mm/ 7,4 µm	USB 1.1	449 €
ALccd IMG0X	659 × 494	ICX-424AL / 6,00mm/ 7,4 µm	USB 2.0	539 €
WATEC WAT-120N	752 × 582	ICX-419AL / 9,49mm / 8,6 µm	BAS	549 €
DMK 31AU03.AS	1024 × 768	ICX-204AL / 6,00mm / 4,65 µm	USB 2.0	574 €
Atik ATK 16 IC-S	782 × 582	ICX-415AL / 8,09mm/ 8,30 µm	USB 1.1	686 €
DMK 41AU02.AS	1280 × 1024	ICX-205AL / 8,00mm / 4,65 µm	USB 2.0	880 €
Atik ATK 16	752 × 582	ICX-429AL / 9,49mm / 8,6 µm	USB 1.1	934 €
Atik 314 E	1392 × 1040	ICX-205AL / 8 mm/ 4,65 µm	USB 2.0	978 €
SIGMA 402	768 × 512	KAF402ME / 8,3mm/ 9,00 µm	USB 2.0	1.175 €
Atik ATK 16 HR	1390 × 1040	ICX-285AL /11mm/ 6,45 µm	USB 1.1	1.498 €
Atik 314 L	1392 × 1040	ICX285AL ExView / 11mm/ 6,45 µm	USB 2.0	1.569 €
SBIG ST-402 ME	768 × 512	KAF402ME / 8,3mm/ 9,00 µm	USB 2.0	1.610 €
ALccd 6c	3.032 × 2.016	ICX453AQ / 28,4mm / 7,8µm	USB 2.0	1.695 €
Starlight Xpress SXV-H5	640 × 480	ICX-424AL / 6,00mm/ 7,4 µm	USB 2.0	1.840 €
Atik 383 L	3362 × 2504	KAF 8300 / 22,2 mm/ 5,40 µm	USB 2.0	1.904 €
SIGMA 261	512 × 512	KAF261E / 14,4mm/ 20,00 µm	USB 2.0	1.958 €
Bitran BJ-40L	772 × 580	ICX415AL / 8mm/ 8,30 µm	USB 2.0	2.260 €
Atik 4000 M	2048 × 2048	KAI4021 / 23,7mm/ 7,40 µm	USB 2.0	2.915 €
Starlight Xpress SXV-H16	2048 × 2048	KAI4021M / 23,7mm/ 7,40 µm	USB 2.0	3.260 €
SIGMA 1603	1536 × 1024	KAF1603ME / 16,6mm/ 9,00 µm	USB 2.0	3.398 €
Atik 11000 M	4008 × 2672	KAI11002 / 45,26mm/ 9,00 µm	USB 2.0	3.862 €
SIGMA 3200	2184 × 1472	KAF3200ME / 18,1mm/ 6,80 µm	USB 2.0	4.398 €
SBIG ST-3200 ME	2184 × 1472	KAF3200ME / 18,1mm/ 6,80 µm	USB 2.0	6.740 €
SBIG STL-11000 M	4008 × 2672	KAI11002 / 45,26mm/ 9,00 µm	USB 2.0	9.980 €

Dazu noch eine Anmerkung: Einige Kameras verfügen über einen integrierten Nachführchip, geregelter Peltierkühlung, USB2 und weitere wichtige Qualitätsmerkmale. Dieses schlägt sich neben der allgemeinen Qualität des Kamerachips / Software / Ausstattung natürlich im Preis nieder. Nicht zu vergessen die so wichtige mechanische Verarbeitung! Daher sind direkte Preisvergleiche mit Vorsicht zu genießen!