Baader Planetarium GmbH, Kurs CCD Technik

WAS IST DIE CCD-TECHNIK UND WIE FUNKTIONIERT SIE ?

Diese kurze Beschreibung muß zwangsläufig sehr oberflächlig bleiben. Für ein tieferes Verständnis zur Wirkungs- und Arbeitsweise einer CCD-Kamera sehen Sie bitte unsere Literaturliste.

Die Abkürzung CCD stammt aus dem amerikanischen Sprachgebrauch und steht für Charge Coupled Device. Der Versuch einer Übersetzung ins Deutsche würde in etwa Ladungs - Kopplungs - Einheit bedeuten. Der CCD-Chip, wie wir ihn heute einsetzen, wurde erst 1970 von den Herren Boyle und Smith der Bell Laboratories in den USA erfunden und entwickelt und hat in den 30 Jahren die astronomische Bildaufnahme revolutioniert.

Ein CCD Chip besteht aus einer geometrischen Anordnung vieler einzelnen Pixel (pixel = Kunstwort, setzt sich zusammen aus picture element). Stellen Sie sich ein Schachbrett vor, jedes einzelne Segment der Spielfläche entspricht dann einem einzelnen Pixel.

Dieses Einzelpixel hat eine definierte geometrische Abmessung in Länge und Breite (meist in mü = tausendstel Millimeter angegeben) und ist ein elektronisches Bauteil, vielleicht am einfachsten vergleichbar mit einem Fototransistor. Früher waren die Einzelpixel häufig rechteckig, heute haben die meisten Chips Pixel mit quadratischen Abmessungen

Dieses elektronische Bauteil - das Pixel - besitzt die Eigenschaft einfallende Lichtphotonen in Elektronen umzuwandeln. Mit dieser wirkungsweise erklärt sich auch einigermaßen die Bezeichnung CCD. Ein Bauelement, welches eine Kopplung zwischen Licht und Elektronen herstellt. Dabei arbeitet das Pixel Linear; fällt ein Photon auf das Pixel, wird ein Elektron erzeugt, fallen 10 Photonen auf das Pixel, werden 10 Elektronen erzeugt. Diese Linearität des Pixels ist ein entscheidener Vorteil der CCD-Technik gegenüber der herkömmlichen Fotografie.

Die einzelnen Pixel eines solchen CCD-Chips können während der Herstellung für bestimmte Spektralbereiche des Spektrums sensibilisiert werden. So gibt es CCD-Chips, welche nur auf sichtbares Licht reagieren, aber ebenso Einheiten, die nur auf Infrarotes- oder Ultraviolettes Licht reagieren.

Um später die Menge der Elektronen jedem Einzelpixel definitiv zuzuordnen, werden die Pixel einfach durchnummeriert. So hat z.B. der Kodak KAF-3200 Chip, der in die SBIG ST10-XME eingebaut ist horizontal 2184 Pixel und vertikal 1472 Reihen (je 2184 Pixel). Beide Zahlen multipliziert ergibt die Gesamtanzahl, nämlich 3 214 848 Pixel.Das Bildbeispiel links zeigt horizontal 10 Pixel und vertikal 6 Reihen, also zusammen 60 Einzelpixel.

Ist die Belichtung abgeschlossen, werden die Elektronen in jedem Einzelpixel von der Auswerteelektronik gezählt, vertstärkt und über einen Analog-Digitalwandler digitalisiert.

Diesem digitalen Wert wird die geometrische Position des Einzelpixels hinzugefügt und in Abhängigkeit der Signalstärke ein Grauwert zugeordnet, den der Computer Monitor darstellen kann. Das Bild einer CCD-Kamera besteht also eigentlich nur aus Zahlen. Die Anzahl der Graustufen, in die die Anzahl der Elektronen umgewndelt werden kann ist spezifiziert über die Bittiefe des Analog Digital Wandlers. 1 Bit ergibt zwei Graustufen (schwarz-weiß), 8 Bit ergeben 256, 12 Bit ergeben 4096 und 16 Bit ergeben über 65 000 Graustufen.

Der Vorteil des digitalen Bildes:
Es kann ohne Qualitätsverlust beliebig oft kopiert werden und als elektronische Information z.B über das Telefon (Internet) ohne Zeitverlust anderen Astronomen zur Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Die Archivierung solcher digitalen Bilder erfordert wenig Platz. Während astronomische Plattenarchive früher ganze Gebäudekomplexe benötigten, reicht heute ein PC und einige CD-Roms. Die komplette Dunkelkammertechnik, inklusive ihrer Chemie, entfällt.

Folgende Graphik soll die Aufnahme eines CCD-Bildes noch einmal verdeutlichen:
Das Licht (die Anzahl einzelner Photonen) eines einzelnen Sterns gelangt über die Teleskopoptik auf einen bestimmten Teil der Chipoberfläche (Zahlen in den einzelnen Pixeln). Ist die Belichtung beendet werden die einzelnen Pixeln (ähnlich wie auf einem Förderband) ausgelesen, gemessen, gewandelt und dann an den Computer übermittelt. Dieser kann dann über eine geeignete Software die Zahlenwerte der einelnen Pixel in verschieden Bildern darstellen. Im Beispiel hier z.B. als 3D Darstellung (oben) als echtes Graustufenbild (mitte) oder als digitales Meßsignal (unten) des Sterns darstellen. Das Rohbild kann so den verschiedensten Untersuchungen zur Auswertung dienen, z.B. der Astro- oder der Photometrie.

Nebenstehendes Bild zeigt noch einmal als Beispiel den digitalen Charakter einer CCD-Aufnahme. Links einen Ausschnitt aus einer ST10-XME Aufnahme des Helixnebels, die den digitalen Charakter des Bildes nicht enthüllt.

Rechts dagegen ist der Zentralstern des Nebels 16fach vergrößert. Hier wird der digitale Charakter des Bildes sofort deutlich.

Das Beispiel macht auch deutlich: je kleiner das Einzelpixel (bei einer gegebenen

Aufnahmebrennweite), desto höher aufgelöst wird das Bild (Vergleich zum Film - feinkörniger- und grobkörniger Film).

Ein letzter Punkt, der nicht unerwähnt bleiben soll:

In der Literatur findet man immer wieder die Aussage, dass eine CCD-Kamera so gut wie der eingebaute Chip ist. Dies ist eine Binsenweisheit, natürlich spielt die Qualität des Chips eine große Rolle. Aber eine weitaus größere Rolle für die Qualität einer CCD-Kamera spielt die den Chip auslesende, messende, verstärkende und digitalisierende Steuer- und Meßelektronik.

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