28. Juli 2026  ·  🔭 Astronomie

Wie meine CMOS-Mono-Astrokamera funktioniert – vom Photon zur Zahl

Gain und Offset habe ich mir in einem eigenen Beitrag erarbeitet. Aber je länger ich an meiner Player One Ares-M Pro drehe – Gain, Offset, Belichtungszeit, Temperatur –, desto klarer wurde: Das Gesamtsystem hatte ich noch gar nicht wirklich verstanden.

Was macht der Sensor eigentlich mit dem Licht, wie wird daraus am Ende ein Bild, und wie greift dabei alles ineinander? Hier ist mein Versuch, das einmal von vorne bis hinten aufzudröseln – am Beispiel des Sony IMX533 in Mono.

Die Signalkette: vom Photon zur Zahl

Am einfachsten wird die Kamera verständlich, wenn man sie als Kette sieht, in der das Signal dreimal seine Form wechselt: von Licht zu Ladung, von Ladung zu Spannung, von Spannung zu einer Zahl. An jeder dieser drei Umwandlungen sitzt einer der Regler, an denen ich nachts drehe.

① Licht → Ladung

Während der Belichtung fallen Photonen auf den Sensor. Jedes Pixel ist dabei wie ein kleiner Eimer: Es wandelt einen Teil der Photonen in Elektronen um – nicht jedes Photon zählt, diese Trefferquote ist die Quanteneffizienz, beim IMX533 bis etwa 91 % – und sammelt diese Elektronen.

Wie viel Licht überhaupt hereinkommt, bestimmt allein die Belichtungszeit, nicht der Gain. Wie viele Elektronen der Eimer fasst, bevor er überläuft, ist der Full-Well – läuft er über, brennt ein heller Stern aus. Und die Temperatur kippt heimlich ein paar zusätzliche Elektronen dazu, den Dunkelstrom. Deshalb wird der Sensor gekühlt.

② Ladung → Spannung

Am Ende der Belichtung wird der Eimer ausgelesen: Die gesammelte Ladung wird in eine winzige Spannung umgesetzt. Wie viel Spannung ein einzelnes Elektron erzeugt, nennt man Conversion Gain – und genau hier sitzt der HCG-Umschalter, der beim IMX533 ab Gain 125 das Rauschen sprunghaft senkt. Die ganze Geschichte dazu steht im Gain-Beitrag.

③ Spannung → Zahl

Diese Spannung wird zuerst verstärkt – das ist der eigentliche Gain – und dann von einem Analog-Digital-Wandler in eine Zahl übersetzt: den ADU-Wert. Dessen Bit-Tiefe von 14 Bit legt fest, wie fein die Skala dieser Zahl ist.

Beim Auslesen mischt sich noch ein fester Rauschbetrag dazu, das Ausleserauschen, und ganz zum Schluss wird der Offset aufaddiert – ein Sockel, damit nichts bei null abgeschnitten wird.

Heraus kommt eine Zahl pro Pixel. Millionen davon nebeneinander ergeben dein Bild – mehr macht die Kamera nicht: Sie zählt Licht und schreibt das Ergebnis als Zahl auf.

Rauschen – warum die halbe Theorie bei meiner Kamera nicht mehr greift

In der Theorie gibt es drei Rauschquellen: Ausleserauschen, Dunkelstrom und Photonenrauschen.

Der Punkt ist: Bei einer modernen, gekühlten Low-Noise-Kamera wie meiner sind zwei davon praktisch erledigt. Ein großer Teil der klassischen Theorie trifft schlicht nicht mehr zu.

Das Ausleserauschen liegt im HCG-Modus bei nur etwa 1 e⁻ – also einem einzigen Elektron. (Die Schreibweise e⁻ steht in der Physik für das Elektron, das hochgestellte Minus für seine negative Ladung.) Winzig.

Und der Dunkelstrom? Der verdoppelt sich zwar grob mit jeweils rund 6 °C mehr Temperatur, je nach Sensor 5 bis 10 °C, aber der IMX533 startet extrem niedrig. Player One gibt für die Ares-M Pro 0,000044 e⁻/Pixel/s bei −20 °C und 0,000996 bei 0 °C an; bei meinen −10 °C sind das rund 0,0002 e⁻/Pixel/s.

Ein 300-Sekunden-Sub sammelt damit gerade einmal etwa 0,06 Elektronen Dunkelsignal pro Pixel – dessen Rauschen von rund 0,25 e⁻ liegt weit unter dem Ausleserauschen. Deshalb reichen bei mir −10 °C: Der Dunkelstrom ist da schon vernachlässigbar, noch kälter bringt kaum etwas.

Und Verstärkerglühen hat der IMX533 gar keines: Bei vielen älteren Sensoren gibt die Ausleseelektronik am Chiprand selbst etwas Infrarotlicht ab und hinterlässt auf langen Aufnahmen einen hellen Schleier in einer Bildecke. Weil der reproduzierbar ist, zieht man ihn mit Darks ab – hier gibt es schlicht nichts abzuziehen.

Übrig bleibt das Photonenrauschen – die körnige Natur des Lichts selbst. Die Kamera ist damit photonenlimitiert: Nicht die Elektronik begrenzt das Bild, sondern wie viele Photonen ankommen.

Das Ziel hinter allem: das Signal-Rausch-Verhältnis

Am Ende dreht sich alles um eine einzige Größe: das Signal-Rausch-Verhältnis, kurz SNR. Ein gutes Bild ist nicht „hell“, sondern hat viel Signal im Verhältnis zum Rauschen.

Und weil meine Kamera photonenlimitiert ist, entscheiden darüber nicht mehr die Kamera-Regler, sondern vor allem drei Dinge:

• Ein dunkler Himmel – der Himmelshintergrund rauscht am stärksten, durch Lichtverschmutzung und Mond. Deshalb steht mein Rig in Texas und nicht zu Hause.
• Viel Gesamtzeit – der stärkste Hebel. Über allem steht das Stacken: Legt man viele Subs übereinander, wächst das SNR mit der Wurzel ihrer Anzahl. Vier Subs verdoppeln es, hundert verzehnfachen es. Deshalb sammle ich stunden-, nicht minutenlang.
• Enge Sterne – gutes Guiding und scharfer Fokus konzentrieren dasselbe Licht auf weniger Pixel, also mehr Signal pro Pixel.

Die Kamera-Regler tun nur ihren Teil dazu: Lange Subs und der HCG-Gain drücken das Ausleserauschen unter den Himmelshintergrund, die Kühlung hält den Dunkelstrom klein. Der große Gewinn kommt aber von außen – dunkler Himmel und Zeit.

Und bei der Kalibrierung dreht sich dadurch die Priorität: Weil Dunkelstrom und Verstärkerglühen bei dieser Kamera kaum eine Rolle spielen – und die Hotpixel ohnehin das Dithering übernimmt –, sind Darks fast zweitrangig. Wichtiger sind gute Flats gegen Vignettierung und Staub.

Das Fazit

Der Trick war für mich, aufzuhören, die Regler einzeln zu betrachten. Es ist eine Kette: Photon → Elektron → Spannung → Zahl.

Die Belichtungszeit bestimmt, wie viel Licht hereinkommt. Gain, Offset und Bit-Tiefe bestimmen, wie dieses Licht in eine Zahl übersetzt wird. Kühlung, HCG und lange Subs bekämpfen die drei Rauschquellen. Und das Stacken hebt am Ende alles über den Rest.

Kennt man diese Kette, ist jeder einzelne Wert plötzlich kein Rätsel mehr, sondern hat seinen festen Platz.