Die Kühlung eines CCD-Chips

Die Kühlung eines CCD-Chips für Aufnahmen mit längere Belichtungszeiten ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Qualität der Bilder (siehe auch Glossar - Begriff Dunkelbilder).

Jeder CCD-Chip erzeugt sogenanntes thermisches Rauschen oder Dunkelstrom, dark nosie). Das bedeutet, dass sich im Pixel auch ohne Lichteinfall, einfach durch Wärme, Elektronen bilden, die sich mit den Elektronen der eigentlichen Bildinformation vermischen.

Der Dunkelstrom wird in Anzahl von Elektronen pro Sekunde bei einer bestimmten Temperatur angegeben und hat bei verschiedenen Chips durchaus signifikant unterschiedliche Werte. Hierbei gilt generell: Je größer die einzelnen Pixel (das bedeutet, umso empfindlicher die Pixel) desto höher ist meist der Dunkelstrom. Da der Dunkelstrom durch Wärme erzeugt wird, kann er durch Kühlung des Chips reduziert werden. Und zwar reduziert sich der Dunkelstrom bei Kühlung pro 7 Grad Celsius etwas auf die Hälfte.

Der Dunkelstrom kann über das Dunkelbild gemessen und vom Hellbild subtrahiert werden. Nun kann man natürlich argumentieren; wenn man ihn messen kann, sit es doch egal wie stark der Dunkelstrom ist. Ganz so einfach ist es natürliich nicht, denn lichtschwache Bildinformationen würden so vom Dunkelstrom "überstrahlt" werden.

Deshalb ist es sinnvoll, den CCD-Chip während der Belichtung auf die tiefstmögliche Temperatur zu kühlen, die die Elektronik ermöglicht. Was nicht bedeuten soll, dass bei einer Umgebungstemperatur von schon -30 oder -40 Grad, die Kamera dann auf -70 oder -80 Grad zu kühlen. Das kann Probleme mit einfrierendem Verschluß und Lüfter ergeben.

Noch wichtiger ist jedoch die Frage: Kann die Kühlung und somit die Temperatur in feinen Stufen, auf einen vom Nutzer eingestellten Wert, geregelt werden, und ist diese Regelung über längere Belichtungszeiten stabil?

Bei einer Kamera mit ungeregelter Kühlung muß unmittelbar vor oder nach der eigentlichen Belichtung des Rohbildes das Dunkelbild bei gleicher Temperatur und gleicher Belichtungszeit aufgenommen werden.

Bei einer geregelten Kamera kann man sich (an Regenabenden) ein Dunkelbildarchiv mit abgestuften Temperaturen und Belichtungszeiten anlegen, die dann bei Bedarf von den Rohbildern subtrahiert werden. Der Zeitgewinn in einer Beobachtungsnacht beträgt glatte 100%. Man will ja nicht die halbe Beobachtungsnacht mit der Aufnahme von Dunkelbildern zubringen.

Dieses Dunkelbildarchiv kann man ein, zwei Jahre nutzen, danach empfiehlt sich die Aufnahme von neuen Dunkelbildern, da ein Chip natürlich auch "altert" und sich so seine physikalischen Eigenschaften leicht verändern.

SBIG - Kameras können je nach Chipgröße etwa 25 bis 40 Grad unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden. Dabei wird eine Temperaturkonstanz von ca. +/- 0.2 bis 0.3 Grad eingehalten. Alle dualen SBIG - Kameras sind ab Werk für eine zusätzliche Wasserkühlung vorbereitet, die noch einmal eine Temperaturreduzierung von 7 bis 10 Grad bringt.