QSI Info - Intercon

High-End CCD-Technologie
CCD-Kameras von Quantum Scientific
Imaging
(QSI)
vereinen
modernste
Technik und intelligentes Design.
Die Kamera-Serien 600, 700 und RC
bieten ein riesiges Spektrum der Anwendung für alle „Low-Light“-Bereiche,
sei
es
in
Astronomie,
Industrie,
Wissenschaft, Materialforschung oder
Medizin.
Die Serien bestehen aus mittelgroßen
bis
sehr
großen,
thermoelektrisch
gekühlten CCD-Chips mit sehr hoher
Dynamik
und
extrem
niedrigem
Rauschen. Die gesamte Elektronik ist auf
höchstmögliche Leistung getrimmt.
So ist das Ausleserauschen gegenüber
dem Chiprauschen vernachlässigbar klein.
Gleichzeitig sind die QSI-Kameras sehr
kompakt und verbrauchen erstaunlich
wenig Energie (max. 18 W bei Volllast).
Die Stromversorgung erfolgt durch eine
einzige 12 V Gleichspannungsquelle.
-2-
QSI CCD-Kameras der Serie 600
Die Modelle der 600er Serie gehen
vom monochromen full frame bis zum
single-shot color CCD-Chip mit vielfältigen Ausstattungsvarianten: Luft- und
Flüssigkeitskühlung, internes Filterrad,
Off-Axis-Guider vor dem Filterrad und
unterschiedlichste Software. Zusätzlich
sind verschiedene Anschlussvarianten
erhältlich, sogar für Canon EOS und
Nikon Bajonett.
Durch thermoelektrische Kühlung
(Peltier Elemente, 12 W) lässt sich die
Chip-Temperatur um 45 Grad (bei 85%
Leistungsaufnahme)
gegenüber
der
Umgebung herunterkühlen (Chipkammer
mit Argon gefüllt). Die Lüfter sind nach
Bedarf steuerbar und müssen nicht immer
unter Volllast laufen. Für besondere
Einsatzbedingungen
gibt
es
eine
optionale Wasserkühlung, die 50° unter
die Umgebung herunterkühlen kann. In
einer typischen Nacht wird man ca. -25°C
Chiptemperatur erreichen, was bei KAI
04022 bedeutet, dass man nur rund 10
Dunkelstromelektronen bei 10 min
Belichtungszeit einfängt. Damit der Chip
bei diesen kalten Temperaturen nicht
beschlägt,
sitzt
er
hinter
einem
vergüteten, optischen Glasfenster in einer
Edelgasatmosphäre. Falls nach langjährigem Betrieb Feuchtigkeit eindringen
sollte, lässt sich diese durch eine vom
Anwender regenerierbare Trocknungspatrone entfernen.
Bei Interline Transfer Chips werden
die Ladungen nach der Belichtungszeit
unter
eine
abgedeckte
Chipfläche
geschoben und können dort ausgelesen
werden. Das ermöglicht sehr kurze und
präzise Belichtungszeiten (0,1 ms bis 240
min). Ein mechanischer Verschluss wie bei
den Full Transfer-Chips wäre eigentlich
nicht notwendig, vereinfacht aber das
Anfertigen von Dark- und Bias-Bildern.
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Der Shutter ist für alle Varianten
Ein montierter Fokusring erlaubt das
erhältlich. Er benötigt den „Medium Size präzise Einstellen des Fokus und
Body" und wird mit „s" bezeichnet.
gleichzeitig die Rotation des Autoguiders.
Die
„g"-Varianten
benötigen
den
Maximale Flexibilität erreicht eine größten Kamerakorpus, den „OAG Body".
Kamera durch ein eingebautes Filterrad.
Wahlweise kann das Filterrad mit 8 oder
Die Kommunikation mit einem
auch nur mit 5 Positionen für 1,25"- Rechner erfolgt über eine schnelle USB
Standardfilter ausgestattet sein. Dabei ist 2.0 Verbindung. Der bremsende Faktor ist
das Filterrad so dicht über dem Chip, dass das Auslesen des Chips und nicht die USBes
auch
bei
größeren
Öffnungs- Verbindung. Je schneller ein CCD-Chip
verhältnissen
als
f/4,5
zu
keiner ausgelesen wird, desto größer wird der
signifikanten Vignettierung durch die Anteil des Rauschen. Da man dieses
Filter kommt. Der Austausch der Filter ist Rauschen aber vermeiden möchte, wird
kinderleicht und nach Wunsch mit Filtern die Ausleserate vergleichsweise niedrig
verschiedener Hersteller bestückbar. Das gehalten. Der Download kompletter
Filterrad benötigt den „Full Size Body". In Bilder in höchster Qualität dauert bis zu
der Kamerabezeichnung erkennt man das 10 Sekunden. Die Download-Zeiten lassen
Filterrad am „w" (wheel).
sich durch einen schnellen Auslese-Modus
um den Faktor 10 beschleunigen, bei
Das exakte Nachführen der Fotooptik entsprechend geringerer Bildqualität.
stellt ein hinlänglich bekanntes Problem Dadurch lässt sich z.B. das Fokussieren
dar. Dabei bieten sich grundsätzlich zwei beschleunigen.
verschiedene Lösungsansätze an: Leitrohr
und Off-Axis-Nachführung. Die Off-AxisNeben dem USB2.0-Port besitzen alle
Methode hat verschiedene Vorteile. QSI-Kameras einen Guider-Control-Port
Mechanische
Verbiegungen
der mit integrierter Relaisbox, die ein Kabel
Befestigungen
von
Fotooptik
und zur Montierung einspart.
Leitrohr spielen keine Rolle mehr.
Außerdem sind weniger Gewicht und
Typischerweise wird man auf
Equipment notwendig, was nicht zuletzt bekannte Software wie z.B. Maxim DL,
die Montierung entlastet. Der Nachteil CCD-Soft oder Astroart aufbauen, für die
jedoch ist, dass man nur ein kleines Treiber mitgeliefert werden. Wer für
Gesichtsfeld besitzt. Häufig fällt es bestimmte Zwecke eigene Software
schwer, einen passenden Leitstern zu schreiben will, kann unter Windows auf
finden. Wenn dann zusätzlich noch der ein ASCOM-kompatibles API zurückAutoguider hinter einem engbandigen greifen und unter Linux auf eine C++Filter liegt, wird die Leitsternsuche Bibliothek.
aussichtslos. Deshalb haben sich die
Ingenieure von QSI folgende Lösung
In der umfangreichen Zubehörliste
ausgedacht. Bei den „g"-Varianten findet der Anwender Anschlüsse für
(Guider) gibt es ein vor dem Filterrad unterschiedlichste Aufgaben, darunter
liegendes Prisma, das einen kleinen Teil auch die Bajonette von Canon EOS und
des Strahlengangs herausspiegelt. Dort Nikon. Damit wird es möglich, entlässt sich dann jeder Autoguider mit 12,5 sprechende Fotoobjektive an die Kamera
mm Backfocus und CS-Mount oder T2- anzuschließen. Wer auf FlüssigkeitsGewinde anschließen (Meade DSI Pro II, kühlung wegen noch geringerer ChipFishcamp Starfish, Starlight Express Temperaturen umrüsten will, findet auch
Lodestar, Orion Starshoot Autoguider ...). hierfür das notwendige Equipment.
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-3-
Die Kamerabezeichnungen
der 600er Serie von QSI
Allein die Bezeichnung einer QSIKamera liefert schon einen sehr guten
Aufschluss über die Ausstattung der
Kamera. Jede Bezeichnung besteht aus
einer Nummer und einer Buchstabenkombination. Die erste Ziffer bezeichnet
natürlich die Serie, in diesem Fall also
„6". Die beiden nächsten Ziffern liefern
Aufschluss über die Anzahl der Pixel des
jeweiligen CCD-Chips. Die 632er hat also
einen CCD-Chip mit 3,2 Megapixel.
Die Buchstaben haben die folgende
Bedeutung:
i
Interline Transfer Chip ohne Shutter
(nur 620i und 640i)
c
Single Shot Farb-CCD
mit Bayer-Muster (color)
s
Shutter, mechanischer Verschluß
w
Filterrad (wheel)
g
Off-Axis Guider, Kamera hat Prisma
-8
Filterrad mit 8-Plätzen statt mit 5
Somit ist leicht zu übersetzen, was
eine 632wsg darstellt: Eine Kamera der
Serie 600 mit 3,2 Megapixel-Chip, mit
Filterrad, mechanischem Shutter und dem
Off-Axis Guider Modul.
Gehäusegrößen
Medium Size Body
Die Gehäuseformen haben immer die
gleiche Grundfläche, unterscheiden sich
aber in der „Länge", je nach eingebautem Equipment. Die Gehäuseform beeinflusst also den Backfocus entscheidend
und ist somit in die Planung der Kamera
mit einzubeziehen. Die Grundfläche der
Kameras beträgt immer 113 x 113 mm,
die Länge variiert von 43 mm bis 62 mm.
Nicht einberechnet sind hier die
unterschiedlichen Anschlüsse.
Slim Body
In dieser Gehäuseform findet ein
mechanischer Verschluss Platz. Deshalb
darf in diesen Gehäusen auch ein Full
Transfer Chip sitzen. Aber auch Interline
Transfer Chips profitieren durch die
bequemere Gewinnung von Dunkelstrombildern. Da ein mechanischer
Verschluss viel langsamer ist als ein
„elektronischer", sind die minimalen
Belichtungszeiten auf 0,03 s begrenzt.
Der Medium Size Body wiegt 950g und
benötigt bei T2-Anschluss 22,9 mm
Backfocus.
Er hat die kleinste Gehäuselänge und
mithin den kleinsten Backfocus. Ab dem
Gehäuse werden nur 9,9 mm Lichtweg
benötigt, beim häufig benutzten T2Anschluss 15,5 mm. Der Slim-Body wird
dort eingesetzt, wo man auf den
mechanischen Shutter verzichten kann.
Zwangsläufig finden sich deshalb im Slim
Body ausschließlich Interline Transfer
Chips, die mit ihrem „elektronischen
Verschluss" sehr präzise Belichtungszeiten
bis hinunter zu 1/10.000 s liefern können.
Ohne mechanischen Shutter kann es
dafür im Einzelfall umständlich werden,
Dunkelstrombilder zu gewinnen, weil
man die Kamera völlig lichtdicht bekommen muss. Die kleinste Gehäuseform
spiegelt sich auch im Gewicht wieder. Ein
Slim Body wiegt nur rund 740 g.
Gehäusegrößen
Body Size
Slim
Medium
Full
OAG
Verschluss
elektronisch
mechanisch
mechanisch
mechanisch
internes Filterrad
nein
nein
ja
ja
Gehäusegröße [mm]
113x113x43
113x113x51
113x113x64
127x113x78
149x141x64
149x141x78
1120
1350
1220
1450
Gehäusegröße mit 8er Filterrad
Gewicht [g]
740
950
Gewicht mit 8er Filterrad
Backfocus ohne Anschluss [mm]
9.9
17.2
30.0
44.5
Backfocus mit T2-Anschluss [mm]
14.6
22.9
35.6
50.2
Backfocus für Foto-Objektive
ja
ja
perfekt
nein
-4-
Full Size Body
Neben einem mechanischen Shutter
findet im Full Size Body auch ein Filterrad
für 5 Filter der Größe 1,25" Platz. QSI hat
dabei das Filterrad extrem dicht über den
Chip gesetzt, sodaß selbst bei sehr
schnellem Öffnungsverhältnis die Filter
die eingebauten Chips nicht vignettieren.
Diese knappe Bauweise macht sich
dann auch im erstaunlich geringen
Backfocus bemerkbar. Selbst mit Filterrad
und mechanischem Shutter benötigt die
Kamera ab dem T2-Gewinde nur 35,6
mm. Das Gesamtgewicht (ohne Filter)
schlägt mit 1120 g zu Buche.
OAG Body
Zusätzlich zum Filterrad und dem
mechanischen Shutter besitzt dieser
Korpus noch ein relativ großes 1/2"Prisma, um seitlich Licht für einen OffAxis Guider zur Verfügung zu stellen.
Dabei ist die knappe mechanische
Bauweise wieder verantwortlich, dass es
selbst bei schnellem Öffnungsverhältnis
keinerlei Vignettierung auf dem Chip
gibt. Der notwendige Backfocus steigt auf
nur 50,2 mm ab dem T2-Gewinde.
Trotzdem sind mit dem OAG-Body keine
Foto-Objektive mehr auf Unendlich zu
fokussieren. Das Gewicht des OAG-Body
bleibt mit 1300 g erstaunlich gering.
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Die Features von QSI-Kameras im Einzelnen
Teleskopseitige Anschlüsse
Adapter. Nur auf dem “ws” Full Size Body
Teleskopseitig gibt es eine Vielzahl wird der korrekte Abstand erreicht, um
verschiedener Anschlussvarianten. Als das Objektiv im gewünschten Entfernungsbereich zu fokussiert.
Adapterplatten stehen zur Verfügung:
Der OAG-Body (wsg-Cover, Filterrad,
Shutter, Guider Port) hat im Gegensatz zu
• Adapterplatte T2 für alle Modelle
den anderen Gehäusegrößen das 1/2"• Adapterplatte STL für OAG-Modelle
Prisma seitlich des Strahlengangs. Der T2• C-Mount Typ I Adapter für Slim-SizeAnschluss vignettiert nominell das 1/2“Body
Prisma minimal, in der Praxis aber merkt
• C-Mount Typ II Adapter für Medium
man nichts davon, weil die CCD-Chips der
Size Body
Guiding-Kameras zu klein sind. Bei Bedarf
könnte man auf das größere STL• Canon EOS SLR-Objektiv-Adapter für
Gewinde zurückgreifen.
Full Size Body
•
Nikon F SLR-Objektiv-Adapter für Full
Size Body
Sowohl der Nikon als auch der Canon
Objektiv-Adapter benötigen als Basis die
T2-Adapterplatte. Grundsätzlich könnten
die C-Mount- und Objektiv-Adapter an
jeder
Gehäusegröße
angeschlossen
werden, nur wird dann der spezifizierte
Fokusabstand nicht erreicht. C-MountObjektive z.B. sind für einen Backfokus
von 17,5 mm gerechnet, der nur in der
Kombination Type I mit Slim Body oder
Typ II mit Medium Size Body eingestellt
wird. Ähnliches gilt für die Objektiv-
Shutter
Der mechanische Shutter der 600er
Serie
(Modellzusatz
„s")
ist
auf
Langlebigkeit und Flexibilität getrimmt.
Die MTBF (Mean Time between Failures)
beträgt nominell 1 Mio. Zyklen. In einem
Testaufbau hat der Hersteller die
Verschlüsse bis 4 Mio. Zyklen ohne Ausfall
getestet. Die Steuerelektronik für den
Shutter (Verschlußzeiten von 30 ms bis
240 min) und das optionale Filterrad
sitzen direkt auf der Trägerplatte was die
Dicke des gesamten Aufbaus minimiert.
eine solche Flüssigkeitskühlung steigt die
erzielbare Temperaturdifferenz auf ca.
50°.
Damit der sich trotz niedriger ChipTemperaturen ansammelnde Dunkelstrom exakt herauskalibriert werden
kann, ist es essentiell wichtig, dass das
Temperaturregelsystem
exakt
und
reproduzierbar arbeitet. Die internen
Temperatursensoren und das Regelsystem
sind besser als 0,1°, so dass man nach dem
Abkühlvorgang
keine
Temperaturschwankungen beobachten kann. Die
einstellbare Zieltemperatur sollte dabei
so gewählt werden, dass die Stromaufnahme der Peltierelemente dauerhaft
nicht 85% des Maximalwertes überschreitet.
Die Kühlrippen sind ein integraler
Bestandteil des Kameragehäuses, die
Lüfter sind in das Gehäuse eingelassen.
Das ganze Kühlsystem sitzt innerhalb der
Kamera und es gibt keine hervorstehenden Teile, an denen sich Kabel
verfangen
könnten.
Die
effiziente
Wärmeabgabe sorgt auch für einen
geringen Stromverbrauch. Wer weniger
Kühlleistung benötigt, kann die steuerbaren Lüfter auch ganz abschalten.
Luft- und Wasserkühlung
Durch die Argon Füllung in der ChipKammer
ist
die
thermoelektrische
Kühlung in der Lage, einen Temperaturunterschied von 45° zu erzielen (bei 85%
der max. Stromaufnahme).
Wenn die Kamera aber statt bei
nächtlichen, kühlen Temperaturen in
einem geheizten Labor oder in einem
geschlossenen Gehäuse benutzt werden
soll, kann die erzielbare Chiptemperatur
noch zu hoch für Langzeitbelichtungen
sein. Deshalb ist es bei den QSI-Kameras
möglich, durch einen nachrüstbaren
Flüssigkeitswärmetauscher die Wärmeabgabe zu unterstützen und damit die
Chiptemperatur weiter zu senken. Durch
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Anschlüsse an die Kamera
Filterrad
Trocknung
Die Anschlußleiste ist in das Gehäuse
eingelassen. Die Kabelführung im rechten
Winkel zur optischen Achse vermeidet
eine unnötige Knickbelastung. Zwei
Bohrungen auf der Rückseite nehmen
eine optionale Zugentlastung auf, die
sowohl die elektrischen Anschlüsse als
auch die Schläuche der (ebenfalls
optionalen) Wasserkühlung vor Abriss
schützt.
Das interne Filterrad der 600er Serie
gibt es in den Versionen mit 8 oder mit 5
Plätzen für 1,25" Filter zum Schrauben,
aber auch für 31mm Filtererscheiben,
wenn
ein
größerer
Lichtdurchlass
erwünscht ist. Dies kann für größere
Öffnungsverhältnisse ab f/5 erforderlich
sein. Der Wechsel der beiden FilterradTypen ist auch nachträglich jederzeit
möglich und vom Kunden problemlos
durchführbar.
Der CCD-Chip sitzt hinter einem
vergüteten, optischen Fenster in einer
Kammer
mit
trockener
Edelgasatmosphäre. Das ist notwendig, weil sich
bei der Abkühlung sonst Feuchtigkeit am
Chip und am Schutzglas niederschlagen
würde. Da eine CCD-Kammer nicht
absolut abgedichtet werden kann, müsste
das Edelgas nach einem jahrelangem
Betrieb aufgefrischt werden. Deshalb sitzt
von der Kammer über eine halbdurchlässige Membran getrennt eine vom
Benutzer
wiederaufladbare
Trockenpatrone, die sämtliche Feuchtigkeit aus
der CCD-Kammer entfernt.
Kompakt & leicht
V e r g l e i c h 8 e r u n d 5 e r F i l t e r r ad
QSI-Kameras werden ausschließlich
von einer 12 V Gleichspannungsquelle
versorgt und benutzen so die gleiche
Stromversorgung
wie
die
meisten
Montierungen. Die Spannungsquelle wird
zusätzlich von der Kamera selbst
geregelt.
Ein kompaktes Maß und ein kurzer
Backfocus werden um so wichtiger, je
länger
der
optische
Anbau
am
Okularauszug wird. Geringes Gewicht
und schlankes Design der QSI-Kameras
sorgen für eine deutlich geringere
Belastung des Okularauszuges und
letztlich der gesamten Mechanik, was
wiederum der Stabilität zu Gute kommt.
600er Serie mit 8er Filterrad
Q SI 6 0 0 w s g
mit 5er Filterrad
und Off-Axis-Guider
Q SI 6 0 0 w s g - 8
-6-
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Zuverlässigkeit
QSI setzt an seine Produkte die
härtesten
Maßstäbe
in
puncto
zuverlässiger Funktionsfähigkeit. Jede
Kamera wird in umfassenden Tests auf
Herz und Nieren geprüft. Die geringste
Abweichung an einer Kamera führt zum
Zurückhalten der gesamten Produktionscharge, bis die Ursache des Problems
ermittelt und beseitigt ist.
Dieser
Perfektionismus
und
die
Verwendung hochwertiger Komponenten
führt zu einer Zuverlässigkeit, die auch
höchste
Ansprüche
professioneller
Anwender erfüllt. Was für Industrie und
Forschung bares Geld wert ist, hat auch
für Amateurastronomen einen nicht zu
unterschätzenden
Nutzen:
Effektive
Belichtungszeit. Wolkenloser Himmel und
sternklare Nächte sind bei uns viel zu
selten. Eine Kamera muß aus dem Stand
funktionieren und die ganze Nacht
zuverlässig arbeiten. Bei QSI-Kameras ist
das garantiert.
Der Produktionsablauf einer QSI 600 Kamera
QSI 600 wsg
m i t 8 e r F i l t e r r ad
und Off-Axis-Guider
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Die Gehäuse der Kameras werden aus
Flugzeug-Aluminium CNC-gefräst, und
sind innen genauso perfekt verarbeitet
wie außen. Jedes Fertigteil wird genau
inspiziert, um sicherzustellen, dass alle
kritischen Maße und Toleranzen eingehalten werden. Die Eloxalschicht sorgt
für eine langlebige Oberfläche. Nach
ersten Eingangskontrollen werden alle
Komponenten gereinigt und gehen in
den Reinraum zu Kamera-Montage.
Alle Baugruppen erfahren einen 24Stunden-Test, bevor die Endmontage der
Kamera erfolgt. Hier wird der CCD-Sensor
installiert und die Kammer mit reinem
Argon gespült und verschlossen. Das
Eintrittsfenster der CCD-Kammer wird
durch ein Mikroskop untersucht, um
sicherzustellen, daß kein Partikel auf den
optischen Flächen ist. Die Kameras
werden dann mit Shutter und Filterrad
komplettiert.
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Jede Kamera wird dann dem QSIeigenen ResearchSpec ™ Profiling-Prozess
unterzogen, der alle wichtigen KameraSpezifikationen überprüft, bestätigt und
dokumentiert, einschließlich der Kühlleistung,
Dunkelstrom,
Linearität,
Photonen-Transfer-Analyse
und
FFTAnalyse, um die höchstmögliche Performance und Bildqualität zu gewährleisten.
Die fertigen Kameras gehen dann
durch eine letzte Runde von Burn-inTests, um die höchste Zuverlässigkeit aller
mechanischen
und
elektronischen
Komponenten zu gewährleisten. Danach
erfolgt die Verpackung in einen Peli
Protector Koffer, der ultimativen Schutz
bietet.
Neben zuverlässigen Kameras, deren
Installation und Bedienung leicht und
intuitiv ist, bietet QSI auch einen
erstklassigen Service.
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-7-
Integrierter Off-Axis-Guider
Die Konstruktion mit dem Prisma
bietet jedoch entscheidende Vorteile
gegenüber
anderen
AutoguiderLösungen. Zum einen sitzt das Prisma
immer vor dem Filterrad. Der Lichtstrom
auf den Autoguider wird nicht durch den
Filter begrenzt. Andernfalls könnte die
Leitsternsuche zur Qual werden, so wie
das bei der Methode mit separaten
Nachführchip passieren kann. Zum
anderen kann der nach dem Prisma
folgende Autoguider (fast) beliebig
gewählt
werden
und
gegen
leistungsfähigere einer neuen Generation
ausgetauscht werden (Kompatibilitätsliste
siehe unten). Nicht zuletzt lässt sich das
Cover bei Bedarf austauschen, was bei
einer kritischen Fokuslage notwendig sein
könnte (Fotografie mit Foto-Objektiven).
Das 1/2" große Prisma ist so
QSI Kameras können mit dem
sogenanntem Guider Port ausrüstet dimensioniert, daß es den Strahlengang
werden. Es handelt sich dabei um ein nicht vignettiert, auch bei Teleskopen mit
Öffnungsverhältnis
vergrößertes, sprich längeres „Cover" mit kurzbrennweitigem
einem Prisma im Strahlengang, das für nicht.
Dadurch, daß das Prisma bei QSI in die
Nachführzwecke (Autoguiding) einen
Kamera
verlagert wurde, ist der Verlust
kleinen, ungenutzten Teil des Lichtes
nach außen spiegelt. Den Guider Port an Lichtweg minimal und gleichzeitig
bekommt man entweder gleich in der kann es keine Probleme mit der Stabilität
Grundausstattung der Kamera oder man von zusätzlichen Anschlüssen geben.
Damit das Prisma selbst nicht
kann ihn jederzeit nachrüsten. Wichtig
für Nutzer, die mit Foto-Objektiven beschattet wird, sollte der Anschluss ans
arbeiten wollen: Das längere Cover mit Teleskop entweder über das 2,156" STLPrisma benötigt mehr Lichtweg. Ein Foto- Gewinde erfolgen oder den QSI- Adapter
Objektiv lässt sich zusammen mit dem von 2,156" auf 2"-Steck. Trotzdem lässt
OAG-Gehäuse nicht mehr auf Unendlich sich mit kleinen Einschränkungen in der
Ausleuchtung mit dem normalen T2scharfstellen.
Gewinde operieren.
Passende Autoguider für den Guider Port
Der Autoguider darf
nicht mehr als 12,5 mm
Starlight Express Loadstar
C-Mount
Backfocus
benötigen,
SBIG ST-i
1,25“-Filtergewinde
um am Guider Port
scharfgestellt werden zu
Meade DSI Pro I, II,III
Benötigt speziellen Adapter
können.
Das
klingt
Orion Starshoot Autoguider (Opt 2) T-mount
zunächst recht wenig,
aber wenn der AutoOrion Starshoot Imager II
T-mount
guider für CS-Mount
spezifiziert ist, dann
The Imaging Source cameras
C-mount
passt
die
Fokuslage
ATIK Titan, 16ic
Benötigt speziellen Adapter
automatisch.
-8-
Übrigens ist das CS-Mount Gewinde
absolut identisch mit C-Mount. Die
beiden Spezifikationen unterscheiden
sich nur im Auflagemaß (Backfocus). Für
CS-Mount beträgt das Auflagemaß 12,5
mm, für C-Mount 17,5 mm. Wenn die
potentielle Nachführkamera für C-Mount
vorgesehen ist, dann sollte man prüfen,
ob an der Kamera nicht ein 5 mm
Gewindering installiert ist, der sich
entfernen lässt.
Optional kann man statt dem CMount-Gewinde auch T2 als Anschluss
bekommen. Auch hier gilt, dass der
Autoguider nicht mehr als 12,5 mm
Backfocus benötigen darf.
Der knappe Platz an dieser Stelle lässt
verständlicherweise keine aufwendige
Fokusmechanik für den Autoguider zu.
Aber QSI hat eine robuste und stabile
Adaption kreiert, die selbstverständlich
auch die Rotation des Autoguiders
zulässt, damit man ihn parallel zu den
Koordinatenachsen ausrichten kann. Der
Anschlussring mit C-Mount- und T2Gewinde sitzt auf einer Ringschwalbe auf
dem
eigentlichen
Fokusring.
Die
Ringschwalbe wird durch außenliegende
Maden geklemmt. Der Fokusring selbst
bietet einen Weg von 3 mm für die
Fokussierung.
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Die verwendeten CCD-Sensoren in der 600er-Serie
QSI-Modell
Sensor-Modell Mpix
Pixel
Chipgröße
Pixelgröße
Kapazität
typisches
[mm]
[µm]
[e¯]
Rauschen
Antiblooming
Full Frame
604
KAF-0402ME
0.4M
768 x 512
6.91 x 4.6
9
100000
15e¯
N
616
KAF-1603ME
1.6M
1536 x 1024
13.8 x 9.2
9
100000
15e¯
N
632
KAF-3200ME
3.2M
2184 x 1472
14.85 x 10.26
6.8
55000
7e¯
N
KAF-8300
8.3M
3326 x 2504
17.96 x 13.52
5.4
25600
8e¯
J (auf Wunsch N)
KAI-2020M
2.0M
1600 x 1200
11.84 x 8.88
7.4
45000
8e¯
J
ICX674
2.8M
1940 x 1460
10.70 x 9.20
4.54
20000
5e¯
J
KAI-04022
4.0M
2048 x 2048
15.15 x 15.15
7.4
45000
8e¯
J
660
ICX694
6.0M
2758 x 2208
12.48 x 9.98
4.54
20000
5e¯
J
690
ICX814
9.0M
3388 x 2712
12.48 x 9.98
3.69
20000
5e¯
J
683
(C)
Interline Transfer
620
(C)
628
640
(C)
Der Preis eines CCD-Chips orientiert
sich ganz wesentlich an seiner Fläche. In
der 600er Serie kommen mittelgroße und
damit noch einigermaßen „bezahlbare"
CCD-Chips zum Einsatz. Kein Chip dieser
Klasse ist letztlich so groß, dass der
Einsatz von 2"-Filtern notwendig wäre.
Q SI 6 8 3 m i t d e m K A F - 8 3 0 0
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Das ist auch dem Umstand geschuldet,
dass QSI die Filterräder in den CCDKameras sehr dicht über den Chips sitzen
hat.
QSI verwendet in seiner 600er-Serie
ausschließlich CCD-Chips vom namhafter
Hersteller wie Kodak und Sony. Alle CCDChips besitzen eine sehr hohe Quantenausbeute und ein Empfindlichkeitsspektrum von 350 nm bis 1000 nm. Neben
einem sehr geringen Dunkelstrom haben
diese Chips außerdem eine sehr hohe
Dynamik, was nicht zuletzt auch auf die
erstklassige Elektronik um dem Chip
herum zurückzuführen ist.
Die Bezeichnung jeder einzelnen
Kamera gibt Aufschluss über die Anzahl
der Pixel des eingebauten CCD-Chips.
Insgesamt gibt es 12 Chips in neun
verschiedenen Größen, die in der 600erSerie verbaut werden. Neun verschiedene
Kodak (sechs in SW und drei in Farbe)
und drei verschiedene Sony-Chips.
Alle Modelle sind in monochromer
Ausführung erhältlich, mit der das
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QSI USA:
Maximum an Bildinformation gewonnen
werden kann.
Die mit C gekennzeichneten Modelle
sind auch als Singe-Shot-Color Ausführung erhältlich. Die Modelle 620C,
640C
und
683C
erzeugen
direkt
Farbbilder, ohne zusätzlichen Aufwand.
QSI 640 mit dem KAI-04022
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-9-
QSI CCD-Kameras der Serie 700
In der Serie 700 finden sich die großen
bis sehr großen CCD-Formate wieder, die
bis zu einer Chip-Diagonalen von 52 mm
gehen. Auch hier ist wieder die gesamte
Architektur auf die bestmögliche Qualität
getrimmt. So ist wieder das Rauschen der
Elektronik gegenüber dem intrinsischen
Chip-Rauschen vernachlässigbar.
Gegenüber der 600er-Serie sind von
mechanischer und elektronischer Seite in
der 700er Serie verschiedene Designänderungen notwendig. Die Elektronik
wurde neu entwickelt und erweitert.
Schon allein wegen der größeren ChipFläche muss das Gehäuse der 700-Serie
größer und schwerer werden. Ein
typischer Kamerakopf wiegt um 4 kg.
Ausleseraten
Kühlung
Wegen der großen CCD-Sensoren ist
ein schneller Auslesemodus zwingend
erforderlich. Auch die 700er Serie kann
mit einer Pixelrate von 10 MHz gefahren
werden. Eine QSI 756 mit dem Kodak
KAF-16803 (16 Megapixel) ist damit in
knapp 2 Sekunden in Vorschauqualität
ausgelesen.
Für die maximale Bildqualität schaltet
man die Kamera auf 800 kHz Pixeltakt
zurück und das Bild benötigt damit rund
20 Sekunden. Das ist unabhängig vom
Anschluss (USB oder GigE).
Anschlüsse
Durch die erweiterte und verbesserte
3-stufige
Peltierkühlung
wird
ein
größerer Temperaturunterschied zwischen dem CCD-Chip und der Außentemperatur erreicht. Unter optimalen
Bedingungen sind 55° erreichbar bei 85%
der maximalen Stromaufnahme. Dabei ist
die Temperaturregelung äußerst präzise
und auf 0,1° genau. Ebenso kann man
über eine optionale Flüssigkeitskühlung
ein ∆T von 62° erreichen.
Q-Align
Zu dem USB-Port gesellt sich nun bei
der 700er Serie auch ein GigE-Anschluss.
GigE kann theoretisch mehr als 100 MB/s
übertragen, mehr als genug für einen
schnellen Download der Bilder. Der
Vorteil dieser Schnittstelle liegt in der
Kabellänge. Bei USB hat man ohne
Repeater kaum 5 m Länge zur Verfügung,
bei einem Ethernet-Kabel können bis zum
100 m Länge erreicht werden.
Mit den sehr großen Sensoren wie
dem KAF16803 mit 52 mm Bilddiagonale
wird das präzise Ausrichten der Bildebene
auf die Chip-Fläche häufig zu einem
ungeahnt
schwierigen
Unterfangen.
Vielfach stellt es sich leichter dar, die
Kamera zu verkippen anstatt die gesamte
Optik entsprechend zu justieren. Deshalb
hat QSI das Q-AlignTM entwickelt, mit
dem es möglich ist, den Sensor um kleine
Winkel präzise zu verkippen.
Verfügbare Sensoren in der 700er Serie
QSI
Chip
Pixel x Pixel y Pixel
Modell
756
746
729
716
711
-10-
KAF-16803
KAF-6303
KAI-29050
KAI-16070
KAI-11002
4096
3088
6576
4864
4008
4096
2056
4384
3232
2672
Pixel
Diagonale QEmax
Gesamt Größe [mm]
%
[MPixel]
16.8
6.3
28.8
15.7
10.7
60
66
46
48
50
[µ]
9.00
9.00
5.50
7.40
9.00
52.1
33.3
43.5
43.2
43.4
QE H
Anti-
Dunkelstrom
H-Alpha Bloomig [e-/s] -10°C
Faktor
50
800
0.02
65
800
0.02
24
800
0,05
29
1000
0.02
30
1000
0.2
RBI-Management
Bei großen CCD-Chips wird man ggf.
auf eine Problematik stoßen, die sich RBI
(Residual Bulk Image) nennt.
Hierbei erzeugen Infrarotphotonen
unter einem stark belichteten Pixel
überzählige Ladungen, die sich beim
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erneuten
Auslesen
als
schwaches
Geisterbild zeigen. In vielen astrofotografischen Situationen kann man das
schwache RBI unter einem hellen Bildteil
vernachlässigen. Für präzise photometrische Vermessungen darf man das
aber nicht.
Es gibt verschiedene Methoden, den
Einfluss eines RBI zu minimieren oder
auszuschließen.
Dazu
zählt
das
mehrmalige Auslesen des Chips, das nur
moderate Kühlen des CCD-Sensors oder
den ganzen Chip mit IR-Licht zu fluten.
Jede Methode
hat ihre Vor- und
Nachteile.
Die
letztere Methode
ist die schnellste,
hat
jedoch
zur
Folge, dass nun alle
Pixel beim nächsten
Auslesen auf einem
etwas
höheren,
wenn auch
sehr
gleichmäßigen (Ladungs-)Niveau landen.
Das erhöht den Rauschpegel minimal,
sprich reduziert das SNR.
QSI hat nun für die schnelle
Behandlung der RBI-Problematik der
Serie 700 auch einen internen IR-Blitz
spendiert, den man nach Wahl zuschalten
kann.
Neue ARM-Architektur
QSI CCD-Kameras der RS-Serie
Für den wissenschaftlichen Einsatz und
für industrielle Anwendung hat QSI die
RS-Serie konzipiert. In der RS-Serie
werden die gleichen Sensoren verwendet
wie in der Serie 600. Allerdings sind die
Kameras
der
RS-Serie
für
einen
erweiterten Spektralbereich erhältlich.
Dadurch werden Wellenlängen von 240
nm bis zu 1100 nm zugänglich. Spezielle
Vergütungen des Eintrittsfenster machen
das möglich. Außerdem sind bestimmte
Sensoren
auch
ohne
Mikrolinsen
verfügbar. Das senkt zwar die allgemeine
Empfindlichkeit des Sensors, erweitert
aber die spektrale Empfindlichkeit bis in
den UV-Bereich.
Im industriellen Bereich ist eine
präzise Steuerung des elektronischen
Shutters notwendig (Interline Transfer
Chips). Dazu besitzen die Kameras einen
Triggereingang und auch einen Ausgang.
So kann der Start der Belichtungszeit mit
einer Genauigkeit von 5 μs ausgelöst
werden, z.B. durch einen externen Blitz.
Zusätzlich erlaubt die Kamera, zwei
Belichtungen
mit
einem
zeitlichen
Abstand von nur 100 μs zu erzeugen, z.B.
für
Geschwindigkeitsmessungen
von
Partikeln. Die letzten beiden Anwendungen sind aber nur mit den Interline
Transfer Chips möglich.
Die Modelle der RS-Serie:
QSI
Sensor
Modell
Pixel
Chip Größe
Pixel
Kapazität
typisches
Anti-
Modell
[mm]
[µm]
[e¯]
Rauschen
blooming
RS .04
KAF-0402ME 768 x 512
6.91 x 4.6
9
100000
15e¯
N
RS 1.6
KAF-1603ME 1536 x 1024
13.8 x 9.2
9
100000
15e¯
N
RS 3.2
KAF-3200ME 2184 x 1472
14.85 x 10.26
6.8
55000
7e¯
N
RS 8.3
KAF-8300
3326 x 2504
17.96 x 13.52
5.4
25600
8e¯
J
Die Serie 700 hat eine völlig neue
Elektronik bekommen auf Basis von ARMProzessoren. Zusätzlich wurden der neuen
Elektronik ein großzügiger und schneller
Bildspeicher für mehrere Bilder spendiert
(bis zu 1 GB). In zuküftigen Firmware
Updates kann so eine Bildverarbeitung
direkt auf der Kamera nachgerüstet und
nur das Ergebnis über den Bus zum
Rechner transferiert werden.
Vergütetes Quarzglasfenster
Full Frame
RS 2.0
KAI-2020M
1600 x 1200
11.84 x 8.88
7.4
45000
8e¯
J
Für den Durchlass eines besonders
weiten Spektralbereichs besteht das
Eintrittsfenster aus Quarzglas mit einer
hochwertigen Antireflex-Beschichtung.
RS 2.8
ICX674
1940 x 1460
10.70 x 9.20
4.54
20000
5e¯
J
RS 4.2
KAI-04022
2048 x 2048
15.15 x 15.15
7.4
45000
8e¯
J
RS 6.1
ICX694
2758 x 2208
12.48 x 9.98
4.54
20000
5e¯
J
RS 9.2
ICX814
3388 x 2712
12.48 x 9.98
3.69
20000
5e¯
J
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-11-
Grundsätzliches zum Thema CCD
Quantenausbeute
In der Astronomie und in vielen
anderen wissenschaftlichen Bereichen
wird verständlicherweise die Quantenausbeute oder Quanteneffizienz (QE) als
eines der wichtigsten Kriterien eines CCDChips genannt. Dass die Hersteller seit
einiger Zeit die QE freizügig bekannt
geben, ist nicht selbstverständlich. Lange
Zeit wurde sie wie „verbotene Ware"
unter dem Ladentisch gehandelt. Viel
häufiger fand man früher die sogenannte
relative
spektrale
Empfindlichkeit
dokumentiert, also eine Angabe die die
Empfindlichkeit eines CCD-Chip über die
verschiedenen Wellenlängen normiert
auf „1" angab. Inzwischen gibt es jedoch
auch Angaben der Hersteller zur
Quanteneffizienz. Neben dem Maximum
der Quanteneffizienz ist aber genauso
deren spektraler Verlauf interessant und
aussagekräftig. Eine hohe QE im Roten
würde nichts bringen, wenn man RGBAufnahmen
machen
möchte
und
gleichzeitig eine sehr niedrige Empfindlichkeit des Chips im Blauen hätte.
Die eingesetzten Chips lassen sich
grob trennen, in Varianten mit dem
Maximum der Empfindlichkeit bei rund
500 nm oder jenseits der 600 nm, näheres
steht in den Datenblättern der einzelnen
Modelle. Prinzipbedingt läuft die QE
jenseits von 1000 nm gegen Null. Bei
diesen Wellenlängen wird das Silizium
der CCD-Chips durchsichtig.
Kürzere Wellenlängen als ca. 350 nm
werden von den meisten Gläsern
absorbiert. Da der Astrofotograf mit
seinem Chip praktisch immer hinter
irgendeiner Linse sitzt und sei es nur der
Koma-Korrektor für den Newton, spielen
kürzere Wellenlängen als 350 nm
praktisch keine Rolle. Auch das Schutzglas
vor dem Chip darf nicht ganz
vernachlässigt werden, aber das reicht
immerhin herunter bis ~300 nm.
Ideal wäre eine QE von nahe 100%,
-12-
aber das ist momentan nur mit sehr
aufwendiger
Fertigungstechnik
zu
erzielen. Die höchste QE von über 80%
beim KAF-3200ME ist enorm. Bei den
CCD-Chips mit Bayer-Filter vor den Pixeln
muss man prinzipbedingt kleinere QE in
Kauf nehmen. Trotzdem wären auch hier
die QE von 40-50% nicht erzielbar, wenn
die Hersteller nicht mit Mikrolinsen die
Photonenausbeute erhöhen würden.
Es sollte soweit klar sein, dass eine
gute QE allein nicht ausreicht. Worauf es
eigentlich ankommt, ist das sogenannte
Signal-Rauschverhältnis (SNR). Es nützt
also nichts, wenn das Signal hoch ist,
jedoch das Rauschen die Signalqualität
zunichte macht. Rauschquellen gibt es
viele und einige davon sollen später noch
besprochen werden.
Blooming
Jeder Pixel kann nur eine begrenzte
Anzahl von Elektronen aufnehmen, bevor
der
Potentialtopf
sprichwörtlich
überfließt. Im Fachjargon nennt sich das
Maximum der Aufnahmefähigkeit die
„Full Well Capacity" (FWC) und das
Überfließen ist das „Blooming". Letzteres
lässt sich durch ein geeignetes ChipDesign durch die sogenannten AntiBlooming Gates zum großen Teil
verhindern. Leider kosten diese Strukturen etwas lichtsammelnde Fläche auf
dem Chip und die Empfindlichkeit des
Chips wird kleiner. Außerdem bewirken
die Anti-Blooming Gates, dass Signal- und
Photonenstrom nahe der Sättigung nicht
mehr linear sind. Im wissenschaftlichen
Umfeld verzichtet man deshalb meist auf
Anti-Blooming, im Consumer-Bereich ist
es unerlässlich.
Auch in der Astrofotografie verwendet man gerne Chips mit AntiBlooming und verzichtet lieber auf den
letzten
Tick
Empfindlichkeit
und
Linearität. „Bloomende" Sterne ruinieren
die Gesamtästhetik und nur durch
erhöhten Nachbearbeitungsaufwand ist
der Effekt einigermaßen zu korrigieren.
Bei modernen Chips wird ohnehin ein Teil
der durch die Anti-Blooming Gates
verursachten
Verluste
durch
eine
Mikrolinsenarchitektur wettgemacht.
Grundsätzlich wäre auch bei der FWC
„mehr = besser", aber wie immer hat
auch das seine physikalischen Grenzen.
Die Fähigkeit Elektronen zu sammeln, ist
im
wesentlichen
eine
Frage
der
Pixelgröße. Kleine Potentialtöpfe können
nur wenig Elektronen halten und
umgekehrt. Je mehr Elektronen so ein
Pixel verträgt, umso größere Helligkeitsunterschiede könnte die Elektronik
verarbeiten. In den meisten Fällen ist es
den Astronomen jedoch wichtiger zu
fragen, welche schwachen Signale noch
registiert werden und nicht welche
Helligkeitsunterschiede noch verarbeitet
werden können. Der technische Begriff
hierfür ist das Signal-Rausch-Verhältnis
oder kurz SNR.
Signal-Rausch-Verhältnis
Bildgebende Sensoren unterliegen
naturgemäß Beschränkungen in ihrer
Leistung. Um das zu verstehen und auch
um
solche
Sensoren
miteinander
vergleichen zu können muss man die
elementaren
Begriffe
Signal
und
Rauschen verstanden haben. Als Signal
kann man bei einem CCD-Chip einfach
den Photonenstrom der Lichtquelle
bezeichnen und als Rauschen physikalisch
und technisch bedingte, hoffentlich
statistisch verteilte Störungen des Signals.
Interessante Aussagen über die
Qualität eines Bildes oder auch der CCDKamera liefert nun der Vergleich
zwischen dem Signal und dem Rauschen,
das sogenannte Signal-Rausch-Verhältnis
(SNR im Englischen). Damit man
überhaupt von einem Signal sprechen
kann und nicht einer statistischen
Schwankung zum Narren fällt, sollte das
SNR mindestens 3 betragen. Das wären im
unserem Fall die schwächsten Sterne, die
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gerade noch nachweisbar in einem Bild
wären. Bei einem SNR von 10 sieht ein
Bild schon halbwegs vernünftig aus und
bei einem SNR von 100 wird es glatt.
Es gibt drei wesentliche Quellen des
Rauschens in einem Bild:
•
Photonenrauschen
•
Intrinsisches Chip-Rauschen
•
Ausleserauschen
Der Dunkelstrom, auch gerne
„thermisches Rauschen“ genannt, ist
dagegen kein Rauschen, sondern ein
Signal, das man durch ausreichende
Kühlung des Sensors in den Griff
bekommen kann. Das Photonenrauschen
dagegen liegt in der Natur der Sache und
ist unabänderlich. Ebenso kann der
Kamerahersteller das Rauschen des
Sensors selbst nicht beeinflussen. Es bleibt
noch das Ausleserauschen, an dem die
Kamerahersteller wesentlichen Einfluss
nehmen können.
Das Ausleserauschen setzt sich aus
dem Rauschen des AD-Wandlers und
vielen anderen Rauschquellen interner,
elektronischer Natur zusammen. Neben
der Problematik, die Rauschanteile der
Elektronik möglichst gering zu halten,
sollte dieser Anteil echtes Rauschen sein
und keine zusätzlichen Signale liefern.
Denn nur ein statistisch verteiltes
Rauschen mittelt sich bei der Addition
von Aufnahmen heraus. Andernfalls gibt
es Strukturen im Bild, die schwache
Details überdecken können. Das Ausleserauschen ist der wichtigste Unterscheidungspunkt zwischen verschiedenen
Herstellern, wenn es um die Detektierung
sehr schwacher Signale geht.
Ein einfaches Beispiel: Wir haben zwei
CCD-Kameras mit dem exakt gleichen
Chip. Die eine Kamera produziert ein
Ausleserauschen von 8e¯, die andere ein
Ausleserauschen von 12e¯. Um das gleiche
Signal-Rausch-Verhältnis zu produzieren,
muss man mit der zweiten Kamera 1,5
mal so lange belichten wie bei ersterer.
Neben der längeren Belichtungszeit gibt
es aber noch andere Nachteile, die damit
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zusammenhängen.
Zunächst
indirekt
über die Zunahme von Fehlerquellen
(Montierung, Seeing ...), sodann aber
auch direkt in einer Abnahme der
Dynamik im Bild.
In einem ausführlichen Artikel in der
Zeitschrift
„Astronomy,
Technology
Today" vom Februar 2008 hat Richard
Berry, ein bekannter CCD-Guru, eine QSI
532ws in dieser Hinsicht ausführlich unter
die Lupe genommen. Die Analyse zeigte,
dass die QSI-Elektronik keinen nachweisbaren Rausch-Term zum eigentlichen
Chip-Rauschen hinzufügt. Die Kameraelektronik
rauscht
also
wesentlich
geringer als der Chip selbst. Mindestens
genauso wichtig ist die Erkenntnis, dass
damit das Rauschen einer QSI-Kamera
absolut
statistisch
erfolgt
(GaußVerteilung). Die Möglichkeit das SignalRausch-Verhältnis durch Bildaddition zu
verbessern ist also nicht durch die
Kameraelektronik begrenzt.
Dunkelstrom
Eine der wichtigsten unerwünschten
Signalquellen
ist
der
sogenannte
Dunkelstrom. Glücklicherweise kann man
diesen Term vergleichsweise einfach in
den Griff bekommen.
Der Dunkelstrom ist ein Effekt, der
prinzipbedingt in jedem lichtempfindlichen Halbleiter auftritt. Dabei werden
im Halbleitermaterial hauptsächlich durch
Wärmebewegung
freie
Elektronen
erzeugt, die in den Potentialtöpfen der
Pixel eingefangen werden. Es ist nicht
möglich zwischen den Elektronen zu
unterscheiden, die durch Photonen
erzeugt wurden und Elektronen, die aus
dem Material in den Potentialtopf
gewandert
sind.
Durch
geeignete
Dotierung kann man den Dunkelstrom in
einem Chip reduzieren, aber nicht
komplett beseitigen. Da die Wärmebewegung eine wesentliche Quelle für
die Dunkelstromelektronen ist, kann man
durch Kühlung den Dunkelstrom stark
begrenzen.
Eine wesentliche Eigenschaft des
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QSI USA:
Dunkelstroms ist, dass dessen Größe
exponentiell
von
der
Temperatur
anhängt. Im Schnitt verdoppelt sich der
Dunkelstrom alle 6 bis 7 Grad.
Umgekehrt argumentiert kann man
den Dunkelstrom durch Kühlung sehr
effektiv begrenzen. Typische 2-stufige
Peltierelemente wie man sie in vielen
CCD-Kameras findet, schaffen eine
Temperaturdifferenz von etwa 30 Grad.
Wenn man weiterhin annimmt, dass sich
der Dunkelstrom pro 6 Grad halbiert, hat
man bei 30 Grad Temperaturdifferenz
nur noch rund 1/30 des normal
anfallenden Dunkelstroms. QSI-Kameras
schaffen sogar 45 Grad Temperaturdifferenz. Damit sinkt der Dunkelstrom
auf ~1/200 des Normalwertes und ist in
vielen Fällen sogar vernachlässigbar. Bei
Bedarf kann man QSI-Kameras flüssigkeitsunterstützt kühlen, womit man den
Dunkelstrom
gegenüber
der
Peltierkühlung
nochmal
mehr
als
halbieren kann.
All diese Kühlmethoden wären
praktisch sinnlos, wenn die CCD-Chips von
Haus aus so hohe Dunkelströme besitzen
würden, dass nur noch die Kühlung mit
flüssigem Stickstoff Abhilfe verspräche.
Dieser Aufwand ist in den meisten Fällen
zu groß. Deshalb versuchen die ChipHersteller Sorge zu tragen, dass der
Dunkelstrom
selbst
bei
einem
ungekühlten Sensor in beherrschbarem
Rahmen bleibt. Die in den QSI-Kameras
eingebauten Kodak- und Sony-Chips
profitieren jedenfalls von modernen
Fertigungsmethoden, die den Dunkelstrom auf einem sehr niedrigen Level
halten. Als Beispiel mag der Kodak KAF3200 dienen, der bei -25° Celsius im
Schnitt weniger als 0,02 Dunkelstromelektronen pro Sekunde produziert.
Der Vorteil eines so geringen
Dunkelstroms ist natürlich, dass die
Dynamik des Bildes nicht durch diesen
Rauschanteil „aufgefressen" wird. Es lässt
sich länger belichten und praktisch keine
Aufnahme
unter
mitteleuropäischen
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-13-
Verhältnissen wird durch den Dunkelstrom begrenzt, sondern einzig durch die
Himmelsaufhellung.
Grundsätzlich lässt sich der
Dunkelstrom als Konstante für jedes Pixel
betrachten, solange die Temperatur
während der Belichtungszeit ebenfalls
konstant bleibt. Die Temperaturregelung
der Kamera muss also exakt funktionieren, damit die Ergebnisse reproduzierbar bleiben. In den QSI-Kameras
finden wir deshalb eine äußert exakte
Temperatursteuerung,
deren
Regelschwankungen von kleiner als +/- 0,1°
völlig vernachlässigbar sind.
Ausleserauschen
Eine genauere Analyse des Ausleserauschens von QSI-Kameras zeigt deren
herausragendes Elektronikdesign. Dazu
unterzieht man Bias-Bilder einer (2D-)
Fourier-Transformation und kann damit
jedes noch so kleine, periodisch auftretende Muster im Bild identifizieren.
Solche periodischen Muster werden z.B.
durch Störstrahlung einer nicht optimal
abgeschirmten Elektronik verursacht.
Letztendlich
verschlechtern
alle
Störungen das Signal-Rausch-Verhältnis
im Bild, was dazu führt, dass man länger
belichten muss, um die gewünschte
Bildqualität zu bekommen.
Die Fourier-Analyse eines Bias-Bildes
einer QSI-Kamera zeigt neben dem
charakteristischen und aus der Transformation stammenden hellen Bildpunkt
exakt in der Mitte nur statistisches
Rauschen. Im Bild finden sich keinerlei
wiederkehrende Muster.
Das von der Elektronik zusätzlich zum
Chip-Rauschen
induzierte
Ausleserauschen ist kleiner als 0,1e¯. Im Vergleich
dazu zeigt die Analyse zweier anderen
CCD-Kameras
deutliche
Signale
im
Fourier-transformierten Bild. Bei letzteren
beiden Kameras gibt es Muster, die sich
periodisch wiederholen und die sich nicht
bei der Addition von Bildern herausmitteln. Das von den Kameras induzierte
Ausleserauschen ist um Faktoren größer.
-14-
Selbst eine einfache Analyse des
Rauschens des Bias-Bildes kann schon die
Unterschiede in der Qualität verschiedener Kameras zeigen.
Hierfür
wurde von einem Masterbias ein einfaches Bias-Bild abgezogen und die
Verteilung der Pixelwerte dargestellt. Im
Idealfall zeigt sich eine Gauß'sche
Glockenkurve.
G l e i c h m ä ß i g e s Ra u s c h e n ,
klassische Gauß-Verteilung
QSI-Kamera
QSI-Kamera
< 0,1 e¯
Kamera B
Die seitlichen Flügel liefern
Artefakte
Kamera A
Kamera B
~ 3,9e ¯
~ 2,4e¯
Das Stacken von Bildern von Kamera B
würde
Artefakte
im
Summenbild
hinterlassen. Das schränkt die Reichweite
bei den lichtschwachen und damit den
interessantesten Objekten ein. Nur bei
einer
Kamera
mit
Gauß-verteiltem
Rauschen, wie oben bei der QSI, ist das
Stacken von Bildern nicht durch die
Kameraelektronik beschränkt.
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Lieferumfang
Zubehör
Über Q S I
Alle 600er QSI CCD-Kameras kommen
Für die QSI-Kameras ist umfangreiches
mit einer umfassenden Ausstattung:
Zubehör verfügbar.
Geschraubter Metalldeckel für die
Kamera, wasser- u. staubdichter Peli
Koffer mit Schaumstoffeinlage, Werkzeug, Netzteil 100-240 V auf 12 V, USBKabel, Guider-Kabel (ST4-kompatibel), CD
mit Treibern und Software.
Der teleskopseitige Anschluß erfolgt
meist über T2-Gewinde (M42 x 0,75) oder
den Adapter 2" Steck auf T2, kann aber
auch geändert werden.
Der Guider-Anschluß erfolgt über CMount (M25,5 x 0,5) oder auf Wunsch T2.
Die Firma Quantum Scientific Imaging
Inc., USA, entwickelt und produziert
wissenschaftliche Kameras für
Anwendungsbereiche, die überlegene
Abbildungsleistung erfordern, wie z.B.
Astronomie, Forschung, Bio-Wissenschaften und industrielle
Bildverarbeitung.
Firmenzentrale und Produktionsstätte
befinden sich im Süden des USBundesstaates Mississippi, nicht weit von
New Orleans und dem NASA Stennis
Space Center entfernt.
Die Firma wurde von einem erfahrenen
Entwicklerteam gegründet, von dem
jeder mehr als 20 Jahre BranchenFilterräder können einfach gewechselt
erfahrung in Elektronik, Mechanik und
werden. Das gilt für beide Varianten mit Software-Engineering mitbrachte. Sie sind
5er und mit 8er Filterrad.
heute noch bei QSI tätig.
Für den Guider-Port am wsg-Cover Man setzte von Anfang an auf modernste
gibt es die Anschlussgewinde C-Mount
Fertigungsmethoden und lückenlose
und
T2.
Die
Qualitätssicherung, um überlegene
Adapter
können
Imaging-Lösungen zu bieten.
auch nachträglich
QSI ist heute ein führendes Unternehmen
ausgewechselt
in der Entwicklung und Herstellung von
werden.
gekühlten CCD-Kameras für
Auf das ws-Cover kann man mit dem
Anwendungen
mit wenig Licht.
Filter
entsprechenden Bajonett-Adapter TeleAuf
das
zukunftsorientierte,
innovative
Auf Wunsch bestücken wir die Kamera
objektive
von
Design
der
QSI-Kameras
verlassen
sich
mit Filtern der namhaften Hersteller
Canon oder Nikon
Organisationen
von
Weltrang:
Astronomik, Astrodon oder Baader.
montieren.
Das
Führende Universitäten
ermöglicht riesige
in den USA und der ganzen Welt,
Gesichtfelder komdarunter Harvard, NYU und UCLA
biniert mit der
SchmalbandfotoStaatliche Forschungsorganisationen,
grafie.
darunter NASA, JPL, NIST und die
US National Labs
Auch das Cover lässt sich nachträglich
wechseln, um andere AnwendungsGroße kommerzielle Organisationen,
bereiche zu erLife-Science-Unternehmen und auch
schließen. So kann
einzelne Forscher aus einer erstaunlich
man das wsg-Cover
vielfältigen Auswahl an Disziplinen
gegen das ws© Copyright 2009-2014
Cover
tauschen.
QSI Generalvertrieb Deutschland, Österreich
Ebenso lässt sich
und deutschsprachige Schweiz
nachträglich zwiIntercon
Markenartikel Fabrikation & Vertrieb GmbH,
schen 5er-und 8erGablinger Weg 9, D-86154 Augsburg
Filterrad umrüsten.
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Intercon GmbH ·
www.intercon-spacetec.de
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