CMOS vs CCD

Hallo Hans,

die beiden Techniken sind halt unterschiedlich mit unterschiedlichen Eigenschaften. Auf die der jew. eigenen Kamera muss man sich einarbeiten - that's it. Ich denke nicht, dass Kameras nur wegen des Chips, also CMOS vs. CCD sofern auf gleichem technologischen Stand so gigantische Unterschiede bringen. Die Aufnahmetechnik ist halt unterschiedlich. Schau Dir mal an wer womit fotografiert, das ist bunt gemischt und die Ergebnisse sind sofern die Leute was können hervorragend. Die CMOS-Chips sind relativ neu und manche Fähigkeiten sind durchaus beeindruckend, aber bei allem neuen rate ich erstmal zu Besonnenheit, bis sich ein breiterer Erfahrungsschatz bildet. Abgesehen gibt es bei den Pixel- und Chipgrößen erhebliche Unterschiede, letztlich muss die Kamera zum Teleskop passen. Das ist meiner Meinung nach erstmal das Entscheidende.

CS
Jörg

Hallo ihr beiden,

ich bin auch gerade schwer beeindruckt, was die neuen CMOS können. Zurzeit arbeite ich nur mit einer 120mm-s aber die macht sehr viel Spaß! Für langbrennweitige Teleskope braucht man ja eigentlich große Pixel und ich weiß nicht, ob 3µm große Pixel da genügen - da es zurzeit keine s/w Kameras gibt mit größeren Pixeln außer die 174er. Mal sehen was die Zukunft so bringt.

Grüße,

Micha

PS. Werde später mal ein paar Bilder hochladen.

Was ich mich frage, mit welchen Instrumenten man mit den kleinen Chips arbeiten soll. Binning, ok, aber ganz passt das für mich noch nicht. Bei den kleinen Chips werden die Bildfelder kleiner, entsprechend müßten die Brennweiten verglichen mit den heutigen Kameras kürzer werden, mal sehen was sich da noch tut, interessant ist es auf jeden Fall.

CS
Jörg

Hallo,

ein Unterschied ist das CCDs eins lineares Verhalten von Ladung zu Belichtungszeit haben, was die Photometrie deutlich vereinfacht(e)?.

Ich bin kein Photometriker, aber mich würde trotzdem mal im Groben interessieren, wie man das mit CMOS hinbekommt? Und ob immer noch CCDs dafür besser sind?

Grüße, Coyote

Hallo,

wenn ich mir das ansehe:

-> https://de.wikipedia.org/wiki/Active_Pixel_Sensor
-> http://www.itwissen.info/CMOS-Sensor-CMOS-sensor.html

finde ich in den Prinzipien der Funktion keine so großen Unterschiede was die Lichtumwandlung angeht...

CS
Jörg

Hey,

Was ich mich am meisten und schon länger frage ist folgendes. Ich hab bis jetzt keine Antwort darauf gefunden.

Ich halte 3 Minuten lang mit einer CCD auf einen sich bewegenden Kometen im Binning 3x3. (mit nem KAF 16200 sind das 18x18µ = 324 quadradmikrometer). Am Bild hab ich richtig viel Signal vom Kometen, die Belichtungszeit ist so angepasst, dass die Strichspur des Kometen sich im Rahmen hält. Das Ausleserauschen spielt keine Rolle weil der Histogrammhügel weit weg vom linken Rand ist. Ausgebrannt ist noch nichts.

Wenn ich jetzt mit einer CMOS am selben Fernrohr da drauf halte die ja nur 1x1 kann(?) (mit dem MN34230 der ASI1600 sind das 3,8x3,8µ = 14,44 quadradmikrometer) Also die Lichtempfindlichkeit der kleinen Pixel ist ja kein Vergleich zu den der Hardwaregebinnten der CCD. Die ist ja um ein Vielfaches geringer. Also 324 gegen 14,44. Vom Kometen wird man bei den kleinen Pixeln des CMOS Sensors nicht viel sehen im vergleich zur gebinnten CCD.

So. Jetzt wäre interessant wie es ausschaut, wenn man das Bild mit dem CMOS Sensor im nachhinein in der Bildbearbeitung 4x4 Softwarebinnt. Wären dann 15,2x15,2 = 231 quadradmikrometer. Natürlich wird das Bildfeld jetzt schon verdammt klein, da der KAF 16200 von haus aus schon etwa die 2,5-fache Fläche hat.

Jetzt die Frage:

1. Ist Softwarebinning so gut, dass ich die selbe Signalstärke des Kometen erhalte wie mit der Hardwaregebinnten CCD?
Vorteil des CMOS Sensors ist, dass man durch das geringere Auslesesrauschen (im Verhältniss zur Pixelgrösse!), man schneller Hintergrundlimitiert ist. Aber ich kann mir nicht vorstellen, dass man hier die selbe Signalstärke erreicht. Ooooder doch?

Kann da bitte mal jemand licht ins dunkel bringen?

mfg.
Thomas

Hallo Thomas,

bei Softwarebinning nimmst Du einfach die resultierende Pixelgröße und erhöhst das Auslesrauschen mit der Wurzel aus der Anzahl der verwendeten Pixel.
Ein 3x3 gebinnter Pixel hat dann eben Wurzel(9) = dreimal so viel read noise wie ein einzelner. Eine ASI 1600 mit 3.8 mikrometer und einem readnosie von z.B. 3 e- rms (je nach gain) hätte bei 4x4
dann ein Verhalten wie ein 15.2 x 15.2 mikrometer Pixel mit 4x3 =12e- readnoise, usw. Die Kapaziät multipliziert sich bei Sofwtarebinning natürlich linear mit der Gesamtpixelzahl.

Viele Grüsse
Norbert

Gruß
Norbert

Hi Norbert,

Also mal sehen ob ich das verstanden hab.

Wenn ich einmal mit ner CCD im (hardware)Binning auf ein Lichtschwaches Objekt halte und einmal mit einer CMOS Kamera das selbe mache, nur im nachhinein Softwarebinning benutze, kommt das selbe Endergebniss raus? Wohlgemerkt, wenn die Sensorgrösse identisch wäre.

Bei der CCD fällt das Ausleserauschen nur einmal an, bei der CMOS eben bei 4x4 also viermal.
Meine Annahme geht nicht von Schmalband aus, also sollte doch das Ausleserauschen eigentlich überhaupt keinen Einfluss haben, da so lange belichtet wurde dass der Histogrammhügel nicht am linken Rand liegt.

Es ist zwar richtig dass das Ausleserauschen bei der CMOS öfter anfällt, aber ich verstehe nicht warum das eine Rolle spielen sollte wenn man eh so lange belichtet das man nicht am linken Rand rumdümpelt (im Histogramm natürlich).

Richtig so oder falsch??

mfg.
Thomas

Hallo Norbert,

bezieht sich der Betrag des Read-Noise nicht auf die einzelnen Pixel, so dass sich bei der Addition das Verhältnis von Nutzsignal zu Read-Noise nicht ändert? Der "Belag" wäre über die gesamte Pixelfläche somit derselbe?

Jörg

Thomas,
wenn Du weit genug vom Rauschen weg bist, also landläufig ausgedrückt hintergrundlimitiert bist, hast Du recht. Aber der Readnoise bestimmt ja gerade diesen Mindestabstand. Und bei 4x4 und einer "rauschigen" Kamera kommt da halt schon einiges zusammen. Und die CMOS Kamera hat zwar wenig, aber je nach gain immer noch deutliches Ausleserauschen.

Jörg,
readnoise ist kein "Belag" und auch kein falsches Signal.
Es ist eine statistische Unsicherheit um einen Mittelwert herum, im Gegnsatz zu Dunkelrauschen und Shot Noise unabhängig von der Signalhöhe.

Ein Versuch es einfach auszudrücken: Software binning bei cmos macht nie Sinn, bei CCD hingegen dann, wenn ich nicht hintergrundlimitiert bin.
Softwarebinning ist ja nicht anderes, als nachträglich den Abbildungsmaßstab zu verkleinern.

Ich seh da jetzt keinen prinzipiellen Unterschied zwischen CMOS und CCD, die Formeln bleiben diesselben, nur das CMOS Kameras tendenziell (aber auch nicht immer) kleinere Pixel und weniger Ausleserauschen
haben. Ob man Softwarebinning wirklich verwendet oder nicht, ist m.E. eine ganz andere Frage. Man kann es ja immer nachträglich machen, wenn man oversampled oder die Daten zu verrauscht sind.
Ich mach die Rechnung ja nur in dem Sinne auf, um zu vergleichen, ob eine großpixlige CCD irgendeinen Vorteil hat. Wenn die CMOS Kamera dann trotz des Rauschanstiegs beim Sofwtarebinning insgesamt weniger readnoise als die CCD hat, weiss ich, dass die CMOS diesbezüglich eine bessere Performance hat. Ob ich dann nicht trotzdem aufs Binning verzichte, ist eine andere Frage, ich habe jedenfalls mehr Optionen als bei der CCD, deren Pixelgröße kann ich ja nicht "verkleinern".

Hi Nobby,

darauf wollte ich auch raus, letztlich entscheidet nicht die Chiptechnik sondern ob Brennweite und Pixel passen. Ob und wann ich Binning anwende hängt entweder an der Kombi Teleskop Kamera oder der Datenqualität. Das Ausleserauschen als Kamerakonstante habe ich bei jedem Pixel, egal ob CCD oder CMOS, mal mehr, mal weniger, je Pixel 1 mal.

Jörg

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: optikus64</i>
<br />Hi Nobby,

darauf wollte ich auch raus, letztlich entscheidet nicht die Chiptechnik sondern ob Brennweite und Pixel passen. Ob und wann ich Binning anwende hängt entweder an der Kombi Teleskop Kamera oder der Datenqualität. Das Ausleserauschen als Kamerakonstante habe ich bei jedem Pixel, egal ob CCD oder CMOS, mal mehr, mal weniger, je Pixel 1 mal.

Jörg
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Hi,

Einspruch der Unterschied zwischden CCD und CMOS ist gewaltig und daraus resultiert auch die Anwendung**. Der CCD-Sensor hat eine höhere Lichtempfindlichkeit bzw. in der Regel eine höhere FullWell Kapazität, wodurch das Bildrauschen geringer ist. Nachteil, der CCD Chip ließt langsamer aus und verbraucht mehr Strom. D.H. Einzelbelichtungszeiten können höher angesetzt werden als bei einem CMOS-Chip. Der Dynamikumfang ist in der Regel mit 16 Bit höher.

Der Vorteil des CMOS-Chips ist seine hohe Auslesegeschwindigkeit bei einem geringen Auslese-Rauschen. Jedes Pixel kann einzeln ausgelesen werden, was für eine hohe Geschwindigkeit sorgt. Außerdem ist der Stromverbrauch Nachteile sind eine geringere Lichtempfindlichkeit und ein reduzierter Dynamikumfang von 12 - 14 Bit.

**mit Anwendung meine ich die Art, wie belichtet wird, d.H. mit CMOS machen eher kürzere Belichtungezeiten Sinn und CCD eher längere Belichtugnszeiten

Brennweite und Pxielanpassung ist bei beiden Sensortypen relevant

cs
Peter

Hallo zusammen,
zunächst einmal kann man natürlich auch die CMOS Hardware binnen. Das macht aber weder bei CCD noch bei CMOS Sinn solange man bis zum Hintergrund belichtet. Und das sollte tunlichst jeder in seinen Belichtungen machen, wenn er tief kommen möchte.
Tendenziell werden die Sensorpixel immer kleiner. Den genauen Grund weiß ich nicht, aber das hat für uns einen Vorteile. Denn auch der Chip wird kleiner und wir nutzen nur den inneren Bereich des Bildfeldes nahe der optischen Achse. Das hat deutliche Schärfevorteile, gerade bei schnellen Öffungsverhältnissen.
Um ein gutes und ausgewogenes Verhältnis zwischen Brennweite und Pixelgröße zu erhalten kann man dann mit der Brennweite runter gehen, (wenn man es denn kann)und die reale auf dem Chip auftreffende Lichtmenge ist wieder größer. Ich teste gerade ein 135 mm Objektiv, Blende 2, das muss sich vor keinem Hyperstar verstecken. Nächste Woche habe ich wohl alles zusammen und berichte hier.
Ein Nachteil der kleinen Pixel ist m.M.n. aber die geringere Full-Well-Kapazität. Die Sterne brennen einfach schon recht schnell aus. Die 16 Bit bei CCD sind hingegen kein Vorteil, zumindest dann nicht, wenn man einige Bilder stackt. Ich bleibe der Einfachheit halber bei 8 Bit, habe aber auch ein paar Bildchen mehr zum stacken als üblich ist.
Früher, und das ist wohl der Grund, warum Astrofotografen gerne CCDs nehmen, waren diese einfach empfindlicher. Heutige CMOS sind aber oft Back-Illuminated und der Vorteil der CCDs ist dahin. QEs von 80% sind keine Seltenheit.
Ganz grundsätzlich (ich hänge mich jetzt hier mal weit aus dem Fenster) sind CCD-Chips ein Auslaufmodell. Es wird sie in Spezialbereichen sicher immer noch geben und vielleicht gehört die Astronomie ja dazu, aber die Entwicklungsarbeit wird an CMOS-Chips vollzogen. Die ASI Kameras z.B. haben jeweils recht moderne Chips verbaut. Ein KAF8300 ist dagegen 15 Jahre alt. Das muss alles nicht heißen, aber das sind meine, sicher nicht ganz unvoreingenommenen, Gedanken dazu.
Letztendlich geht es darum, und das wurde schon ganz zu Anfang gesagt, eine gute Kombi zu finden zwischen Himmelsqualität, Öffnung, Brennweite, Sensorgröße und... dem, was man überhaupt machen möchte.
Viele Grüße,
ralf

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: Starlightfriend</i>
Der CCD-Sensor hat eine höhere Lichtempfindlichkeit bzw. in der Regel eine höhere FullWell Kapazität, wodurch das Bildrauschen geringer ist.
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Das versteh ich nicht;)

Warum sollte der CCD Sensor eine höhere Lichtempfindlichkeit haben? Meinst du weil beim vergleich von ASI1600 und Kameras mit KAF16200 die Pixelgrösse 3,8x3,8 zu 6x6 die Pixeln einfach etwa 2,5mal mehr an Fläche haben?

Das Ausleserauschen muss man meiner Ansicht nach(wenn ich mich nicht irre) immer in relation zur Pixelgrösse sehen. Also hat man grosse Pixel, darf auch das Ausleserauschen grösser sein. Die grösseren Pixel fangen ja mehr Licht ein als die kleinen Pixel in der selben Zeit.

mfg.
Thomas

Ergänzend zu Ralf darf man eins nicht aus den Augen verlieren: Man kauft in der Regel eine Kamera, und nicht nur den Chip. Die meisten Astrokamerahersteller halten das Design aus Kostengründen sehr einfach, und man muss aufpassen, dass man nicht zu früh kauft.
Die Frage ist nicht nur, was der Chip kann, sondern ob die Kamera das alles unterstützt, auch treibermäßig gesehen. Kann die Kamera z.B. schon wieder belichten, während sie ausgelesen wird, wär eauch schön zu wissen, findet sich aber nicht in den Datenblättern.
Wie gut ist die Temperaturstabilisierung, wie stark ist der Amp-Glow usw. Am schlimmsten finde ich solche Effekte, bei denen das digitale Bild anders aussieht, je nachdem wieviel Traffic auf dem USB port unterwegs ist, oder ob man USB2 oder USB3 nimmt. Da macht das Kalibrieren dann keinen Spaß mehr.
Sind die Chipränder gut abgedeckt ? Ist die Chipkammer komplett schwarz ? Das sind lauter Kleinigleiten, die in der Praxis eine großen Unterschied machen können.
Leider hat man im Moment ja eher nur die Wahl zwischen den Billiganbietern beim CMOS Segment.

Viele Grüße

Hallo,
es gibt m.E. nur noch wenige sehr stark ausoptimierte Anwendungen, wo CCDs ihre Daseinsberechtigung haben, bzw. haben werden und dazu gehört ganz klar die Astronomie. Ein Vorteil der CCDs ist das durch kryogene Kühlung, der Dunkelstrom fast komplett eliminiert werden kann. Bei CMOS gibt es ein spezielles Rauschen, das RTN (random-telegraph-noise), was nicht gaussförmig ist und auch nicht "wegzukühlen" ist. Dann sind die speziellen astronomischen CCDs mit besonders großen Pixeln ausgestattet, sodass sie einen extrem großen Dynamikumfang haben, naja und bei langsamen Auslesen ein recht geringes Ausleserauschen aufweisen. Dies ist notwendig, sodass man bei superdunklen Himmel extrem lange belichten kann und die hellen Sterne möglichst noch nicht ausbrennen. Und auch das Hardwarebinning ist bei den CCDs vorteilhaft, da das durch das Auslesen verursachte Rauschen verringert wird. Das nachträgliche Softwarebinning beim CMOS bspw. ist um die Wurzel aus Anzahl der gebinnten Pixel schlechter. Und kalibrieren lassen sich die wissenschaftlichen CCDs besser, da die Empfindlichkeit und das Rauschen gleichförmiger sind, siehe bspw. PRNU. Sind aber wirklich nur Nuancen, welche maximal die Profis nervös machen.
Ich denke, dass im Amateurastronomiebereich ein moderner CMOS-Sensor eine besseres Preis-Leistungsverhältnis hat, bspw. bzgl. Auslesegeschwindigkeit, Ausleserauschen, Auflösung und zunehmend auch bezüglich Sensorgröße, naja monochrom muss er halt sein. Genau genommen sind die astronomisch angebotenen CMOS_Dinger halt nur Abfallprodukte des Massenmarktes, nicht wirklich optimiert, aber trotzdem schon gut verwendbar.
Gruß Tino

Hallo Coyote,

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: Reverend_Coyote</i>
<br />ein Unterschied ist das CCDs eins lineares Verhalten von Ladung zu Belichtungszeit haben, was die Photometrie deutlich vereinfacht(e)?.

Ich bin kein Photometriker, aber mich würde trotzdem mal im Groben interessieren, wie man das mit CMOS hinbekommt? Und ob immer noch CCDs dafür besser sind?
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

ist das nicht eher andersrum, dass CMOS-Chips prinzipbedingt bis zum Erreichen der Full Well Capacity linear sind, während CCD-Chips ab ca. 80%-90% Full Well Capacity ein nicht-lineares Verhalten zeigen, das durch das bei CCD notwendige Anti-Blooming-Gate hervorgerufen wird?
Ich kenne etliche Photometriker, die mit DSLRs arbeiten, und da sind ja überall CMOS-Chips verbaut...

CS
Stefan

Hi Peter,

schon klar, aber das regelt man letztlich mit der Art der Anwendung. Die CMOS-Fraktion lebt von der hohen Bildwiederholrate, also viele kurze Bilder in einer bestimmten Zeit, während die CCD richtig eingesetzt deutlich längere Belichtungszeiten zuläßt.

Letztlich kann man aber kein "besser" oder "schlechter" allgemein postulieren. Das richtet sich nach der Anwendung. Wenn ich große Pixel zur optimalen Anpassung an mein Telekop verwenden sollte und zudem ein maximum an Empfindlichkeit nutzen möchte, bin ich bei dem derzeitigen CMOS-Chipdesign eher richtung CCD unterwegs, wenn ich Lucky Imaging betreiben will und dazu viele kurze Belichtungen stacken will oder aber sowohl Planeten per Video als auch DeepSky mit derselben Kamera machen will, sind die Möglichkeiten bei CMOS besser, zudem passen die aktuellen CMOS-Kameras bei vielen eher ins Budget, was die rein technischen Unterschiede vielleicht eher in den Hintergrund treten läßt.

Wenn sich die CMOS-Technik ähnlich weiterentwickelt wie die CCD's und die Technik mit mehr Erfahrung in der Szene Wurzeln geschlagen hat wird sich sicher die eine oder andere Veränderung auch in den Aufnahmetechniken ergeben.

Was die Fotometrie angeht: Ist es nicht so, dass ich fotometrisch meine Daten mit Eichsternen im selben Bild vergleiche, so dass sich die Bilder selbst kalibrieren? Dann wäre die absolute Aufzeichnungskurve doch eher egal - oder sehe ich das falsch? Denn alle Sterne eines Bild sind - von der Pixelstreuung abgesehen - ja mit denselben Belichtungsgegebenheiten beaufschlagt worden.

CS
Jörg

Hallo Stefan, hallo auch an die Anderen,
ich denke pauschal kann man ziemlich wenig sagen. Es gibt viele unterschiedliche Ausführungen von CCDs, mit oder ohne AntiBlooming, Fullframe, Interline, mit oder ohne Mikrolinsen, Backilluminated, usw. Alle haben Vor- und Nachteile, jeweils bezüglich der geplanten Verwendung. Für Photometrie sollte man halt die Variante ohne Antiblooming wählen. Bei CCDs ist im Allgemeinen die Auwerteelektronik mit Verstärkern und AD-Wandlern extern, deshalb ist die Linearität ziemlich stark von dieser externen Elektronik abhängig. Das ist dann das Know-How des Kameraherstellers. Bei den neueren CMOS ist das alles bereits auf dem Chip, der Kamerahersteller liest nur noch aus und kümmert sich um die Kühlung, das wars. Linearität ist schon vom Chiphersteller festgelegt. Und die ist halt oft nicht nicht so gut, wie mit einer externen und optimierten Qualitätselektronik. Und auch bei den CMOS-Sensoren gibt es einen riesigen Zoo von Varianten, 2T, 3T, 4T, Global-Shutter, usw, welche auch unterschiedliche Stärken und Schwächen haben.
Gruß Tino