Von Licht zu Daten - Die «Magie» unserer CCD-Kamera

«Vorher gilt es aber auch, die Technik hinter dem dazu notwendigen Equipment zu verstehen, weshalb wir einen genaueren Blick auf die Funktionsweise der CCD-Kameras werfen müssen.»

So endete unser letzter Blog-Post - und damit haben wir direkt einen klassischen Fehler gemacht. Natürlich war eine Astro-Kamera, wie sie an unserem Teleskop hängt, gemeint.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff erfahrungsgemäss auch so verwendet. Dennoch ist er, wenn nicht falsch, zumindest zu ungenau. Natürlich enthalten inzwischen praktisch alle im Handel erhältlichen, wiederverwendbaren Kameras einen modernen CMOS-Chip, die weiterentwickelte Variante eines CCD-Chips.

CCD-Chips sind aber nach wie vor weit verbreitet.

Ein sprachliches Relikt

Man findet sie in Scannern, Barcode-Scannern, diversen medizinischen Geräten, den selten gewordenen Faxgeräten usw. Doch warum verwendet man im Kontext der Astrofotografie den Begriff «CCD-Kamera»?

Es muss sich um ein sprachliches Relikt aus der Zeit handeln, als diese Technologie die astronomische Bildgebung revolutionierte. Eigentlich passend, dass die Bezeichnung inzwischen wieder korrekt ist, seit die CCD-Sensoren in Spiegelreflexkameras grösstenteils durch CMOS-Sensoren verdrängt worden sind.

«Echte» Astro-Kameras vs. Astromodifizierte Spiegelreflexkameras

Hier also zur Klarstellung ein Vergleich von «echten» Astro-Kameras und «Astromodifizierten Spiegelreflexkameras» (siehe auch Abbildung 3):

Aufbau eines CCD-Chips

Da in unserer Kamera am Hugo-Mathys Teleskop ein CCD-Chip verbaut ist, werden wir uns hier mit dessen Aufbau befassen und die Struktur von CMOS-Chips nur am Rande streifen.

Ein CCD-Chip ist eigentlich nichts anderes als eine Ansammlung von Millionen (1 Megapixel = 1 Million Pixel) von lichtempfindlichen Halbleiter-Einheiten, die als Pixel bezeichnet werden. Bei Halbleitern handelt es sich um Materialien, die «eine geringe elektrische Leitfähigkeit, die jedoch höher, als bei einem Isolator ist» aufweisen.

Kristallstruktur von dotierten Silizium-Kristallen

Solche Materialien werden also erst durch Anregung zu elektrischen Leitern, in denen Ladungskörper sich fortbewegen können. Im Falle von CCD-Chips erfolgt diese Anregung durch ankommende Lichtteilchen (siehe Abbildung 4), also Photonen, die Elektronen dazu anregen, ihre Gitterplätze in der Kristallstruktur des Halbleiters zu verlassen.

Von Elektronen-Löchern & «Verbindungs»-Elektronen

Diese «Löcher» erleichtern den Elektronen ihre Wanderung durch das Kristallgitter, wodurch eine Ladungssammlung entsteht (siehe Abbildung 7: Elektronen-Löcher, «Verbindungs»-Elektronen). Insgesamt ist der Prozess vergleichbar mit dem Verschieben der einzelnen Steine bei einem «Schiebepuzzle» (siehe Abbildung 6).

Die innerhalb des Pixels «angesammelte» Ladung wird in der Folge (durch das entstandene elektrische Potenzial) von Pixel zu Pixel transportiert, bis sie an deren Rand ausgelesen werden (siehe Abbildung 5).

Wissenschaftliche CCD-Chips sind monochrom

Die Technologie hinter astronomischen Aufnahmen

Letztlich zeigt der Aufbau der wissenschaftlichen Astro-Kamera, dass hinter jedem faszinierenden Astrofoto eine hochkomplexe Technologie und viel Bearbeitungsaufwand steckt. Die Kamera verwandelt Licht in Daten, welche anschliessend zu visuell ansprechenden Bildern weiterprozessiert werden.

Die Entwicklung von CCD-Chips hat die Astronomie revolutioniert und ermöglicht es uns heute, selbst lichtschwache Objekte in den Tiefen des Universums sichtbar zu machen. Doch die Technologie steht nicht still: CMOS-Sensoren holen in vielen Bereichen auf, und künftige Innovationen könnten den nächsten grossen Wandel in der astronomischen Bildgebung einleiten.

Licht, das eine Geschichte erzählt

Für unser Hugo-Mathys-Teleskop bleibt die CCD-Kamera jedoch ein unverzichtbares Werkzeug. Sie erlaubt uns, das Universum mit höchster Präzision abzubilden - sei es für den wissenschaftlichen Einsatz oder zur Inspiration unserer Besuchenden.

Denn am Ende geht es nicht nur um Pixel und Elektronen, sondern um die Möglichkeit, Licht aus Millionen von Lichtjahren Entfernung in eine Geschichte zu verwandeln - eine Geschichte, die uns den Kosmos näherbringt.