CCD oder CMOS
Beide Chip-Technologien basieren auf lichtempfindlichen Siliziumchips, die durch den photoelektrischen Effekt in einem Wellenlängenbereich von 300-1000 nm Photonen in Elektronen umwandeln. Der Unterschied zwischen den Technologien liegt in der Art der Umwandlung der Elektronenladung in eine Spannung.
Auf einem CCD-Sensor findet zunächst ein vertikaler und horizontaler Ladungstransport statt. Die serielle Ladungs/Spannungs-Wandlung aller Pixel erfolgt außerhalb des Sensors in der Kameraelektronik. Alle Pixelladungen werden über einen Ausgang außerhalb des Sensors in eine analoge Spannung konvertiert, verstärkt und digitalisiert.
Bei CMOS-Sensoren hingegen erfolgt die Ladungs/Spannungs-Wandlung in jedem Pixel des Sensors. Entsprechend der aktivierten Zeile wird das Signal über die Ausleseschaltung verstärkt, und digitalisiert.
(Quelle: https://www.stemmer-imaging.com)
Arbeitsprinzipien eines CCD-und eines CMOS-Sensors (Quelle: https://www.rauscher.de)
Beide Technologien haben ihre Vor- und Nachteile, die im Folgenden aufgelistet sind.
(Quellen: https://www.stemmer-imaging.com sowie https://www.baader-planetarium.com)
| Vorteile | Nachteile |
| CCD | - Hohe Homogenität der Pixel
- Gleichförmiges Signal mit niedrigem Ortsrauschen (Fixed Pattern Noise – Abweichungen durch fertigungsbedingte Toleranzen zwischen den Pixeln)
- Geringer Dunkelstrom
- Pixel können sehr dicht aneinander liegen → Hohe Empfindlichkeit und gute Signalqualität bei niedrigen Lichtintensitäten
- Gleichzeitige Belichtung aller Pixel (Global-Shutter – Belichtung aller Pixel beginnt und endet zur gleichen Zeit)
- Hohe Quanteneffizenz (bis zu 90%)
- Meist höhere Full well capacity der Pixel gegenüber denen eines CMOS-Sensors, wodurch eine höherer Dynamikbereich erreicht wird
- Direktes Zusammenfassen mehrerer Pixel zu einem größeren Pixel (Binning)
- 16-bit sind „Stand der Technik“
| - Begrenzte Auslesegeschwindigkeit (nachteilig bei Lucky Imaging)
- Beim Erreichend der Full Well Capacity gelangen Elektronen in benachbarte Pixel und verfälschen das Signal (Blooming)
- Beim Auslesen der Ladungsträger können einfallende Photonen zusätzliche Ladungsträger erzeugen und das Signal verfälschen (Smear-Effekt)
- Älter werdende CCD-Sensoren neigen zum Verstärkerglühen des ausgelagerten Verstärkers
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| CMOS | - Schnelle Auslesegeschwindigkeiten möglich (Vorteil, wenn wie beim Lucky Imaging viele Bilder pro Sekunde aufgenommen werden)
- Möglichkeit nur einzelne Pixelbereiche auszuwerten und diese gesondert zu behandeln (ROI – Region of Interest)
- Keine Blooming (Überspringen der Ladungsträger, wenn Speicher voll ist) oder Smearing-Effekte (durch Photonen zusätzlich erzeugte Elektronen verfälschen das Auslesesignal), wodurch Objekte mit hohen Lichtintensitäten ohne Artefakte verarbeitet werden können
- Kontrastreiche Aufnahmen mit hohem Dynamikumfang sind möglich
- Durch die Integration der Elektronik auf den Sensorchip ist diese Technik besonders kostengünstig gegenüber CCD-Sensoren und hat eine geringere Leistungsaufnahme
- Bei höheren ISO/Gain-Werten können niedrige Ausleserauschwerte erreicht werden
| - Bauartbedingt liegen die Pixel nicht so dicht aneinander wie bei einem CCD-Sensor → kleinere photoempfindlichere Fläche pro Pixel
- Jeder Pixel besitzt einen eigenen Verstärker → höheres Ortsrauschen (Fixed Pattern Noise – Unterschiede zwischen den Pixeln)
- Auslesen der Daten über das Rolling-Shutter-Verfahren (zeilenweises Auslesen der Objektdaten) → schnelle Objekte werden verschmiert dargestellt, da sie sich während des Auslesens von Zeile zu Zeile bewegen (für Objekte in der Astrofotografie spielt das keine Rolle, jedoch kann dieser Effekt durch Seeing beim Lucky Imaging die Bilder beeinflussen) (Aber: erste CMOS Chips mit Global-Shutter-Verfahren kommen auf den Markt)
- Die Quanteneffizienz konnte inzwischen durch neue Schichtverfahren auf 80% angehoben werden, erreicht aber noch nicht ganz die von CCD-Sensoren
- Im Gegensatz zum Verstärkerglühen bei CCD-Sensoren gibt es bei CMOS-Sensor ein Sensorglühen, welches durch Wärmestrahlung ausgelagerter Elektronik erzeugt wird
- Meist geringere Full well capacity der Pixel gegenüber denen eines CCD-Sensors, was zu einem kleineren Dynamikbereich führt
- Nur softwareseitiges Binning möglich, da jedes Pixel nur für sich ausgewertet werden kann
- 12 bis 14-bit sind momentan üblich (Aber: erste 16-bit Sensoren kommen auf den Markt)
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Aufgrund der niedrigeren Anschaffungskosten spielen die CMOS-Sensoren in der Amateur-Astrofotografie eine immer größere Rolle. Da die Nachteile der CMOS-Sensoren im Laufe der letzten Entwicklungsjahre so stark reduziert wurden, laufen sie den CCD-Sensoren in vielen Bereichen den Rang ab. Auch wenn CCD-Sensoren nach wie vor ihre Berechtigung haben, werden sie in der Amateur-Astrofotografie zunehmend weniger eingesetzt.