Der Preis eines CCD-Chips orientiert sich ganz wesentlich an seiner Fläche. In der 500er Serie kommen mittelgroße und damit noch einigermaßen "bezahlbare" CCD-Chips zum Einsatz. Kein Chip ist letztlich so groß, dass der Einsatz von 2"-Filtern notwendig wäre. Das ist auch dem Umstand geschuldet, dass QSI die Filterräder in den CCD-Kameras sehr dicht über den Chips sitzen hat. QSI verwendet in seiner 500er-Serie ausschließlich CCD-Chips vom namhaften Hersteller Kodak. Alle CCD-Chips besitzen eine sehr hohe Quantenausbeute und ein Empfindlichkeitsspektrum von 350nm bis 1000nm. 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. Die 504er-Serie z.B. beinhaltet einen 0.4 Megapixel-Chip, die 520er einen 2 Megapixel-Chip usw. Insgesamt gibt es also sechs verschiedene Chip-Größen:

Jede der Chipgrößen könnte nun in verschiedenen Versionen vorliegen: Interline Transfer, Full Frame und sogar in Farbe oder SW. Aber nicht jede Kombination ist erhältlich. Letztendlich gibt es neun verschiedene Kodak-Chips, die in der 500er-Serie verbaut werden.

In der Astronomie und in vielen anderen wissenschaftlichen Bereichen wird verständlicherweise die Quantenausbeute oder Quanteneffizienz (QE) als eines der wichtigsten Kriterien eines CCD-Chips 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.

Bei Kodak zumindest gibt es inzwischen aber exakte Datenblätter (Siehe Tabelle oben) auch mit Angaben 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 RGB-Aufnahmen machen möchte und gleichzeitig eine sehr niedrige Empfindlichkeit des Chips im Blauen hätte.

Die in der 500er Serie von QSI ausgewählten Kodak-Chips haben die maximale QE entweder bei 450nm oder 750nm. Prinzipbedingt läuft die QE jenseits von 1000nm gegen Null. Bei diesen Wellenlängen wird das Silizium der CCD-Chip durchsichtig. Kürzere Wellenlängen als ca. 350nm 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 350nm praktisch keine Rolle. Auch das Schutzglas vor dem Chip darf nicht ganz vernachlässigt werden, aber das reicht immerhin herunter bis ~300nm.

Ideal wäre eine QE von nahe 100%, aber das ist momentan nur mit sehr aufwändiger Fertigungstechnik zu erzielen. Die maximale QE von über 80% beim KAF-3200ME ist enorm. Bei den CCD-Chips mit Bayer-Filter vor den CCD-Chips muss man prinzipbedingt kleinere QE in Kauf nehmen. Trotzdem wären auch hier die QE von 40-50% nicht erzielbar, wenn der Hersteller nicht mit Mikrolinsen die Photonenausbeute erhöhen würde.

Trotzdem sollte aber auch klar sein, dass allein eine gute QE nicht allein ausreicht. Das worauf es eigentlich ankommt, ist das sogenannte Signal-Rauschverhältnis (SNR). Es würde nichts nützen, wenn man einen hohen Signalpegel hat, aber das Rauschen die Signalqualität zunichte macht. Rauschquellen gibt es viele und einige davon sollen noch besprochen werden. Zumindest sei hier noch erwähnt, dass jeder CCD-Chip ein intrinsisches Elektronenrauschen besitzt, das man auch durch eine noch so perfekte Elektronik um den Chip herum nicht beeinflussen kann.

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 Chip-Design durch die sogenannten Anti-Blooming 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 der Signal- und Photostrom 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 Anti-Blooming und verzichtet lieber auf den letzten Tick Empfindlichkeit. "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 Grenzen. Die Fähigkeit Elektronen zu sammeln, ist im wesentlichen eine Frage der Größe. 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 Helligkeitunterschiede ohne Überlauf verarbeitet werden können. Der technische Begriff hierfür ist das Signal-Rausch-Verhältnis oder kurz SNR.

Bildgebende Sensoren unterliegen naturgemäß Beschränkungen in ihrer Leistung. Um das zu verstehen und auch um solche Sensoren miteinander vergleichen zu können muss man die physikalischen Begriffe Signal und Rauschen heranziehen. Als Signal kann man bei einem CCD-Chip einfach den Photonenstrom der Lichtquelle bezeichnen und als Rauschen physikalisch und technisch bedingte, statistisch verteilte Störungen des Signals. Interessante Aussagen über die Qualität eines Bildes oder auch der CCD-Kamera 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 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 CCD-Chip:

• Photonenrauschen
• Thermisches Rauschen / Dunkelstrom
• Ausleserauschen

Das Photonenrauschen liegt in der Natur der Sache und ist unabänderlich. Es bleibt also noch das thermische Rauschen und das Ausleserauschen an dem die Hersteller wesentlichen Einfluss nehmen können. Durch eine geeignete und präzise Kühlung lässt sich das thermische Rauschen vergleichsweise einfach in den Griff bekommen. Beim Ausleserauschen wird es etwas komplizierter. Das setzt sich aus dem Rauschen des eigentlichen CCD-Chips zusammen und vielen anderen Rauschquellen interner, elektronischer Natur (z.B. AD-Wandler). Am CCD-Chip selbst kann nur der Produzent (bei QSI ist das Kodak) etwas ändern und für die interne Elektronik ist QSI verantwortlich. Neben der Problematik, die Rauschanteile der Elektronik möglichst gering zu halten, sollte dieser Anteil möglichst statistisch verteilt sein. Denn nur ein statistisch verteiltes Rauschen mittelt sich bei der Addition von Aufnahmen. Andernfalls gibt es Strukturen im Bild, die schwache Details überdecken können. Das Ausleserauschen ist also wohl der wichtigste Unterscheidungspunkt zwischen verschiedenen Herstellern, wenn es um die Detektierung 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 1.5mal so lange belichten wie bei ersterer. Neben der längeren Belichtungszeit gibt es aber noch andere Nachteile, die damit 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" von 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 Erkenntniss, dass das Rauschen einer QSI-Kamera statistisch erfolgt (Gauss-Verteilung). Die Möglichkeit das Signal-Rausch-Verhältnis durch Bildaddition zu verbessern ist also nicht durch die Kameraelektronik begrenzt.

Eine der wichtigsten Rauschquellen ist der sogenannte Dunkelstrom. Glücklicherweise kann man diese Art von Rauschen 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 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 pro 6 Grad sich der Dunkelstrom halbiert hat man bei 30 Grad Temperaturdifferenz nur noch rund 1/30 des normal anfallenden Dunkelstroms. QSI-Kameras schaffen sogar 38 Grad Temperaturdifferenz, solange sie jedenfalls noch mit Edelgas gefüllt sind. Damit sinkt der Dunkelstrom auf 1/80 des Normalwertes und ist in vielen Fällen vernachlässigbar. Bei Bedarf kann man QSI-Kameras sogar flüssigkeitsunterstützt kühlen, was die Kühlleistung auf 45 Grad unter die Umgebungstemperatur bringt und somit den Dunkelstrom nochmal halbiert.

All diese einfachen 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 einfach zu groß. Deshalb versuchen die Hersteller Sorge zu tragen, dass der Dunkelstrom auch bei einem ungekühlten CCD-Chip in beherrschbarem Rahmen bleibt. Die in den QSI-Kameras eingebauten Kodak-Chips profitieren jedenfalls von modernen Fertigungsmethoden, die den Dunkelstrom auf einem sehr niedrigen Level halten. Als Beispiel mag der Kodak KAF-3200 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 hier unter mitteleuropäischen 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 wir eine äußert exakte Temperatursteuerung, deren Regelschwankungen von +/- 0.1° völlig vernachlässigbar sind selbst über Wochen und Monate hinweg reproduzierbare Ergebnisse liefert.