Was ist eine gekühlte CCD-Kamera?
Eine gekühlte CCD-Kamera ist eine Digitalkamera mit einem gekühlten CCD-Sensor (Charge Coupled Device) als Lichtempfangselement.
Ein CCD, auch Charge Coupled Device genannt, ist eine Art Bildsensor: Er dient dazu, Lichtenergie in elektrische Ladung umzuwandeln, die dann als Bilddaten aufgezeichnet wird. Sie werden u. a. in der Fotografie, der Filmproduktion und der Astronomie häufig eingesetzt.
CCD-Kameras verfügen über eine Reihe von Lichtsensoren (Pixel) auf der lichtempfangenden Fläche, von denen jeder eine von der Lichtintensität abhängige Ladung erzeugt. Diese Ladungen werden als analoges Signal ausgelesen und in ein digitales Signal umgewandelt; CCD-Kameras können eine hohe Bildauflösung, einen großen Dynamikbereich und geringes Rauschen erreichen.
Sie eignen sich auch hervorragend für die Aufnahme von Bildern im Dunkeln und die Erkennung schwacher Lichtquellen. Allerdings sind CCD-Kameras relativ lichtempfindlich und das Rauschen nimmt bei längeren Belichtungszeiten zu.
Anwendungen von gekühlten CCD-Kameras
Gekühlte CCD-Kameras werden vor allem für die Fotografie (bei der die Bilder als digitale Signale durch das Lichtempfangselement gewonnen werden) durch Anschluss eines PCs oder für die Fotografie verwendet, die lange Belichtungszeiten erfordert wie z. B. die Astrofotografie, da das Bildrauschen durch die Kühlung reduziert wird.
Weitere Anwendungen im Forschungsbereich sind die DNA-Analyse und die spektroskopische Analyse. Sie werden auch für die Detektion (Fotografie) von schwachen Signalen wie Chemilumineszenz verwendet, was die Integration von Signalen aus langen Belichtungen erfordert sowie für Lumineszenzbilder in Kombination mit Elektronenmikroskopen und optischen Mikroskopen, wobei die Mehrkanaligkeit des CCD-Detektors genutzt wird.
Funktionsweise von gekühlten CCD-Kameras
In einer gekühlten CCD-Kamera wird ein Peltier-Element zur Kühlung des CCD verwendet, um lange Belichtungen zu ermöglichen; die CCD-Kamera verwendet einen Bildsensor (Photosensor), um eine elektrische Ladung auf der Grundlage von externem Licht zu akkumulieren, die von einem A/D-Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, um ein digitales Bild zu erzeugen.
Bei der Verwendung bei Raumtemperatur tritt ein Phänomen auf (Dunkelstrom), bei dem ein elektrischer Strom fließt, auch wenn kein Licht empfangen wird und dies ist eine der Hauptursachen für Rauschen. Bei normalen Aufnahmen mit Belichtungszeiten von nur wenigen Sekunden ist dies kein Problem, aber bei Langzeitbelichtungen wirkt sich das durch diesen Dunkelstrom verursachte Rauschen erheblich aus.
Die Aufnahmen und die Verwaltung der Kühltemperatur werden auf einem PC mit einer speziellen Software durchgeführt, so dass bei Aufnahmen mit einer gekühlten CCD-Kamera eine Verbindung zu einem PC unerlässlich ist. Da das Rauschen reduziert werden kann, eignet sich die Kamera für die astronomische Fotografie, bei der der Verschluss geöffnet ist und lange Belichtungszeiten verwendet werden, sowie für die Chemilumineszenz-Detektion, bei der schwache Lumineszenz durch Akkumulation der Signale über eine lange Belichtungszeit erkannt wird.
Auswahl einer gekühlten CCD-Kamera
1. Auflösung
Die Auflösung ist ein wichtiger Faktor für die Detailtreue und Genauigkeit eines Bildes. Welche Auflösung zu wählen ist, hängt von der Anwendung und dem Verwendungszweck ab.
Höhere Auflösungen eignen sich für die Beobachtung kleinster Objekte und detaillierter Strukturen, wirken sich aber auch auf die Dateigröße und die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, die je nach Zweck und Anwendung angepasst werden müssen.
2. Pixelgröße
Die Pixelgröße gibt die physikalische Größe der einzelnen Pixel an. Je größer die Pixelgröße ist, desto höher ist die Empfindlichkeit, aber die Auflösung ist im Allgemeinen geringer. Die geeignete Pixelgröße hängt von den Eigenschaften des zu beobachtenden Objekts und den Aufnahmebedingungen ab.
3. Rauschpegel
Rauschen ist ein Faktor, der sich direkt auf die Bildqualität auswirkt. Bei gekühlten CCD-Kameras kann das Rauschen durch Kühlung des Sensors verringert werden, aber die Rauschwerte variieren je nach Modell und Hersteller. Der Rauschpegel ist besonders wichtig für dunkle oder schwach beleuchtete Bedingungen.
4. Betriebsgeschwindigkeit
Die Betriebsgeschwindigkeit gibt an, wie schnell ein Bild erfasst oder Daten übertragen werden. Hohe Betriebsgeschwindigkeiten sind für kontinuierliche Aufnahmen und schnelle Bildgebungsanwendungen erforderlich. Es ist wichtig, die Bild- und Datenübertragungsrate der Kamera zu überprüfen und die geeignete Geschwindigkeit für den beabsichtigten Einsatz zu wählen.
5. Kühlleistung
Gekühlte CCD-Kameras verfügen über ein Kühlsystem, um den Sensor zu kühlen. Die Kühlleistung ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Temperatur des Sensors konstant bleibt. Prüfen Sie die Effizienz des Kühlsystems und den Bereich der Kühltemperaturen und wählen Sie die geeignete Kühlleistung für die Umgebung und die Anwendung, in der sie eingesetzt werden soll.
6. Schnittstellen und Kompatibilität
Für den Einsatz einer gekühlten CCD-Kamera ist eine Schnittstelle erforderlich, über die Daten zwischen der Kamera und einem Computer oder einer Steuereinheit ausgetauscht werden können. Zu den gängigen Schnittstellen gehören USB, FireWire und Gigabit Ethernet. Es ist wichtig, die Kompatibilität mit dem verwendeten System zu prüfen und die geeignete Schnittstelle auszuwählen.
Weitere Informationen zu gekühlten CCD-Kameras
Kameras mit CMOS-Sensoren
In den letzten Jahren haben immer mehr Kameras die CCD-Kameras durch CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ersetzt, die preiswerter und energieeffizienter sind und Daten schneller auslesen können.
Mit Ausnahme einiger Spezialanwendungen sind sie jedoch in Bezug auf Bildqualität und Empfindlichkeit den CCD-Kameras unterlegen.