Astronomische Sensoren sind in Multiframebauweise etabliert, auf einer Planebene angeordnet, ähnlich wie viele DSLR-Kameas nebeneinander. Ein eindrucksvolles Exemplar ist dieser e2v-Sensor. Ein nutzbares Spektrum von 300 bis 1100nm, verteilt auf einem Areal mit derzeit genutzten 340 Mio Pixel (theoretisch 377MP). Auf einer Fläche von etwa 25 cm² bei einer planaren Maßhaltigkeit von < 10 µm sorgen 36 (ursprünglich 40) CCDs (e2v-CCD42-90, 2048x4612px, 13.5µm) für eine metrisch exakte Fokusierung mit entsprechender Auflösung. Ein-einhalb Jahre hat die Fertigung gedauert und Ende 2001 war der gigantische Sensor ("megacam") betriebsbereit. Das System ist seit 2002 in Mauna Kea (Canada-France-Hawaii-Telescope) installiert. Belichtungsbedingungen werden in der Astronomie weniger in Sekundenbruchteilen realisiert, denn das Readout von fast 400 Mio Pixeln dauert schon etwa 30 Sekunden. Die extremen Lichtverhältnisse limitieren nicht nur die Bildfolge. Schwache Lichtverhältnisse, starke Intensitätsdifferenzen und extremere Spektalbereiche gehen an die Machbarkeitsgrenzen und verlangen zuverlässiges Processing. Belichtungen über mehrere Minuten oder sogar einer Stunde fordern höchste Signalreinheit, eine exakte Objektnachführung und bei optischen Eingangsöffnungen beispielsweise von 3 Metern und mehr auch eine möglichst schwingungsfreie Positionierung. Ein Equipment von Filtern, Blenden und Masken, schnell und einfach auswechselbar, gleicht einer überdimensionierten Kompendium-Kasette für Rahmenfilter und sorgt für die Selektion von Spektralbereichen oder Ortsarealen nach Bedarf.

Zur Eliminierung von Signalrauschen könnte das Sensor-System bis auf -130 °C (nominal -100 bis -120°C) gekühlt werden. Im IR-Spektrum ist die "Eigenwärme" ein Kriterium für die Differenzierungsqualität. Im sichtbaren Bereich, wäre das thermische Dunkelstrom-Rauschen bei etwa -50°C quasi eliminiert. Mit einer Kühlung von etwa -100°C und tiefer sind hochdifferenzierende IR-Datensatze produzierbar, für die sich auch die biologische Diagnostik interessiert. Sehr viel tiefere Temperaturen machen nur Sinn für das ultra tiefe IR-Spektrum, die besonders für die astronomische Metrik von Bedeutung sind. Die qualitative Aufzeichnung im ultra tiefen IR-Spektrum verlangt eine spezialisierte Sensorik in verteilhafter Flächen-Dimensionierung. Extreme Kühlssysteme mit genugend Reserve sind elekronisch nichtmehr realisierbar. Hier helfen nur noch altbewährte Mittel. Die Stickstoff-Kühlung ist unter optimalen Bedingungen bis zu etwa -196°C betriebsfähig und die Helium-Kühlung reicht an die 4 Kelvin-Grenze heran mit -269°C. Die Physik und angewandte Astronomie verlangen in jeder Hinsicht alles, was optische und sensorische Technolgie aktuell zu bieten hat.

Das Mosaik-Konzept (Multiframebauweise, Sensoranordnung) kann wesentlich preiserter gestaltet werden durch die Bestückung mit CCD- oder CMOS-Sensoren aus der aktuellen Serienfertigung der Kategorie Pocket- und Mobilephone-Kamera-Technik. Verschiedene Varianten sind bereits aus dem Protypen-Status herausgewachsen. Die Sensor-Chips werden auf eine Multilayer-Platine in Mosaik-Anordnung montiert und auf der Rückseite befinden sich Processor, Periferie-Elektronik und kleine SMD-Komponenten. Die gesamte Interface-Elektronik, die Ausgänge und Steckverbindungen sind in einem Abstand von etwa 1.5cm auf der dahinterliegenden zweiten Platine platziert, sodaß die gesamte Einbaugruppe formstabil und für die Montage vorteilhaft klein dimensioniert ist.

Mit 500 Mio Pixel und einem 12bit Video-Output liefert diese MF-Sensorik Videostreams mit 30f/s und Einzelbilder aus einer Bildfläche von ca 72x56mm. Das Kamera-Modul könnte zur Reduktion des Signalrauschen mit zwei kleinen Peltierelementen gekühlt werden. Wenn man nur die gigantische Pixelzahl für das Eingangssignal berücksichtigt, würde man ein hochpräzises Adlerauge vermuten. Doch unmittelbar nach dem Einlesen wird die Pixelzahl durch einen schnellen Algorithus drastisch reduziert. Danach fällt das Rauschen nicht mehr störend ins Gewicht und trotz der durch Chipdesign erzwungenen Montagelücken ist danach eine lückenlose Abbildung gewährleistet. Die reduzierte Pixelzahl dieser Mosaik-Sensorik liefert in Kombination mit Image-Processing (Filter, Bildkorrektur, Pixelreduktion, Datenkompression) und hochwertiger Mittelformat-Teleoptik (300 bis 2800mm) sogar aus 6000m Distanz noch ein "relativ" sauberes Videobild. Solche Systeme finden u.a. in der Drohnen-Fernaufklärung, im militärischen Umfeld, für die Airborne-Archäologie oder im Bereich der Kontrolle und Vermessung von Infrastruktur ihre Anwendung. Die Kosten liegen ohne Optik unter 6000 Euro - im Vergleich zur e2v-Sensorik eher die "Sparbüchsen-Version". Was man in diesem Vorläufer-Konzept erkennen kann, ist die Tendenz zu einer Art Giga-Pixel-Cam, die sich aus der preiswerten Consumer-Serienfertigung bedient, aber durchaus mit Hochleistungs-Sensorik bestückt werden könnte. Die Zielsetzung war offensichtlich aus preiswerter Produktion eine hinreichend gute Bild-Qualität bereitzustellen.

Im Vergleich zu den kostenreduzierenden MF-Technologien oder den "Wegwerf-Kameras" der Militäranwendung verlangt die Herstellung von großen Singleframe-Sensoren mit ähnlich hoher Pixelanzahl in jeder Hinsicht höchsten technischen und finanziellen Aufwand. Die Materialreinheit, seine Oberflächen-Beschaffenheit, die Toleranzen, die Layout-Dimension, die Schaltungsdichte, die hohe Fertigungspräzision und die geringe Stückzahl treiben den Marktpreis nach oben. Hochauflösende Singelframe-Sensorik in Dimensionen (7xNcm) ist in aktuellen (2008) Mittelformat- und GB-Kameras der Premium-Klasse nahezu nicht zu finden.

Derzeit größter Singleframe-Sensor, der in Serienfertigung auf "einem" Wafer produziert wird, ist der CCD-Sensor STA1600A (STA California). Die Pixellänge von 9µm erreicht bei einer sensorischen Fläche von 9.5cm x 9.5cm die Pixelzahl von 112 Mio (10560x10560) und erwartungsgemäß eine außergewöhnliche Signalreinheit. Im Unterschied zur Mosaik-Anordung bleibt hier die volle Eingangsauflösung bis zum Output erhalten. Das Bildrauschen bei solcher PD-Dimensionierung ist bereits ohne Kühlsystem oder numerischer Filterung gering, dennoch kann der Sensor bei Temperaturen bis zu -130°C betrieben werden. Ein Update dieser Technolgie und noch größerer Sensoren sind bereits in Arbeit. Die Fernaufklärung und natürlich die Astronomie sind Anwedungsbereiche für solche Giganten.

Sensoren in Zeilenbaueise sind ebenfalls etabliert, beispielsweise für Flugzeug- oder Satelliten-Kameras. Das zeilenweise Einlesen der Bildfläche erfolgt ähnlich wie man es von Kopierern und Scannern aus der Bürotechnik kennt.

Frame-CMOS-Sensor		Zeilen-CCD-Sensor

Die Flächenabtastung bei hochauflösenden Repro-Systemen oder auch bei optischen 3D-Scannern ist naturgemäß über die Zeilenlänge in x-Richtung begrenzt und eine lineare Bewegung bzw Schienenführung, Spaltungs-Prisma, Rotationsprisma, Rotationsspiegel, Kippspiegel u.a. ist für die y-Richtung der Bildebene zuständig. Die mechanische Verschiebung des gesamten Sensorelementes provoziert zusätzliche Fehlerquellen, ist langsam, verursacht Vibrationseffekte und wird im allgemeinen vermieden (mit Ausnahme von Büro-Technik und Großflächen-Scannern). Eine schnellere Bildfolge ermöglicht die Spiegel- und Prismen-Ablenkung während die sensorische Baugruppe statisch bleibt. Ein Spiegelsystem ist vorteilhaft, weil es keine Aberrationsfehler erzeugt, sehr leicht und damit schnell zu bewegen und auch preiswerter ist.

Was beim Repro- oder 3D-Scanner der y-Ablenkung ist, ergibt sich beim Satelliten oder dem Flügzeug ganz von selbst durch seine Bewegungsrichtung. Während das Fluggerät permanenter Stabilisierung der Kursrichtung bzw der Flughöhe per GPS, Radar und Kreisel unterliegt, bewegt sich der Satellit mit ballistischer Präzision. Der Orbital-Kurs bei 10facher Geschoß-Geschwindigkeit und die Erdrotation funktioinieren wie ein perfektes Uhrwerk. Die Farbseparation bei statischen Sensor-Systemen übernimt eine lichtaufspaltende Prismenanordnung, die mehrere Sensoren gleichzeitig mit visueller Information versorgt, und die Zeilenbreite definiert mit jeweiliger Optik die Bildbreite auf der Erdoberfläche.

Beeindruckend gigantische Sensorik in Zeilen-Technologie, kann man an der ADS40 und der ADS80 (Leica Geosystems) bewundern. Zu dieser Kategorie gehören auch die UltraCamD (Vexcel) und die Intergraph Z/I Imaging DMC (ein SF-Sensor), die DiMAC-2 (DiMAC-Systems) oder die Zeiss VOS40. Solche Systeme können in Aufklärungsflugzeugen oder modifiziert auch in Satelliten installiert werden. Die ADS40 findet beispielsweise mit konfortablem Steuersystem (fast) mobil in einem Flugzeug platz. Leider paßt die ADS auch ohne Flugzeug nicht in die praktische Phototasche.

Leica ADS80: Auflösung 12000 Pixel pro einzelner Zeile mit Pixelgröße von 6.5µm in 8 spektrale Zeilen separiert (2x Rot, 2x Grün, 2x Blau, 2x Near-IR). Übertragen auf ein (1:1)-Quadrat ergeben sich 144 Mio Pixel für ein 4-Kanal-Abbild und im (2:3) schon 216 Mio Bildpunkte.

Zeilen-Scanner haben trotz der hohen Auflösung bei vergleichsweise guter Kosteneffiziens einen entscheidenden Nachteil. Sie können aufgrund der Abtastmethode keine schnell bewegten Detailereignisse zeit- und ortssynchron abbilden. Schnell bewegte Objekte vor statischem Hintergrund sind ab bestimmten Winkelgeschwindigkeiten nicht unverzerrt darstellbar, ähnlich wie bei einem langsamen Tuch- Schlitzverschluß. Zur metrischen Korrektur bedarf es einer Bildentzerrungs-Numerik, die vom Winkel, der Bewegungszeit und der Bewegungsrichtung abhängig ist. Sehr schnelle Ereignisse bei stark unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten sind nicht sichtbar, obwohl der Hintergrund glasklar abgebildet wird, was die Begründung dafür liefert, warum diese Bauweise für die Beobachtung von kosmischen Ereignissen nicht bevorzugt wird. Die geometrisch präzise Gleichmäßigkeit (Winkelgeschwindigkeiten relativ zum Objekt), der korrekturfähige Ausrichtung und die ballistische Stabilität von Satelliten bieten hingegen ein ideales Anwendungsumfeld beispielsweise die Erdoberfläche zu vermessen (3D-Profil, Geo-Diagnostik, Navigationskartographie, Archälogie usw) und abzulichten. Eine Bewegungs-synchrone Neigungs-Korrektur der Optik sorgt für hinreichend kurze Belichtungszeiten mit entsprechender Optimierung der Auflösung, denn bei den extremen Teleobjektiven und der hohen Geschwindigkeit verstreichen etwa zwischen 7 und 8km Bodenlänge schon innerhalb einer Sekunde.

Hersteller und Kunden sind erstaunlich schweigsam, wenn es um relevante Technologien geht, Betreiber stellen sich als Technologie-Hersteller dar und die HigTec-Konstrukteure legen Wert darauf nur als "Waschmaschinen-Exporteur" in Erscheinung zu treten. Im Gegensatz zu "Global-Großschnauz-Technologies", verzichtet man auf aggressive Werbepräsenez. Möglicherweise ist diese Handhabe nicht einer "ehrenvollen Bescheidenheit" geschuldet, sondern der Zielsetzung Export-Verbote gut getarnt zu umgehen. Solche Kameras und Optiken sind in militärischen Systemen zu finden, wie etwa in Geo-Aufklärungs-Satelliten oder in Zielerfassungssystemen von Flugzeugen, in Hubschraubern oder Drohnen. Was tatsächlich mit hochwertigen Systemen machbar ist, zeigt sich in aktuellem Geo-Bildmaterial mit einer so klaren Farbbrillance und detailierter "Dreidimensionalität", daß man den Eindruck gewinnen könnte die filigranen Gebirgsstrukturen berühren zu können. Im Vergleich sieht man, daß Google und Co bestenfalls die komprimierte C-Ware erhalten. Zusammengefügte (1:1)-Streams können pro Abbildung Gigabytes in Anspruch nehmen und kombiniert mit metrischen GPS-Daten und Radar bilden sie die 3D-Textur eines Geoareales sehr realistisch ab. Diese Multi-Scan-Verfahren kombinieren optische Sensordaten mit perspektivischer 3D-Vermessung (z.B. Radar oder Pulslaser) und mit den GPS-Daten.

Die kleineren Kamerasysteme findet man oft an Helikoptern, sowohl für die Fernerkundung wie auch als Zielerfassung. Meistens sind sie montiert in einem Kugelgehäuse, das kardanisch gelagert jede 3D-Bewegung ausführen kann. Ein vibrationsfreier Kreiselstabilisator sorgt für richtungsstabile Position.

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