EMCCD-Sensoren: Der Nachfolger von CCD für schwaches Licht |

Der Elektronenvervielfachungs-CCD-Sensor ist eine Weiterentwicklung des CCD-Sensors, um den Betrieb bei geringeren Lichtverhältnissen zu ermöglichen. Sie sind typischerweise für Signale von einigen hundert Photoelektronen bis hinunter zur Ebene der einzelnen Photonenzählung vorgesehen.

In diesem Artikel wird erklärt, was EMCCD-Sensoren sind, wie sie funktionieren, welche Vor- und Nachteile sie haben und warum sie als die nächste Evolutionsstufe der CCD-Technologie für die Bildgebung bei schwachem Licht gelten.

Was ist ein EMCCD-Sensor?

Ein Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD)-Sensor ist ein spezieller CCD-Sensortyp, der schwache Signale verstärkt, bevor sie ausgelesen werden, und so eine extrem hohe Empfindlichkeit in Umgebungen mit wenig Licht ermöglicht.

EMCCDs wurden ursprünglich für Anwendungen in der Astronomie und der fortgeschrittenen Mikroskopie entwickelt und können einzelne Photonen erkennen, eine Aufgabe, mit der herkömmliche CCD-Sensoren Schwierigkeiten haben. Diese Fähigkeit, einzelne Photonen zu erkennen, macht EMCCDs für Bereiche unverzichtbar, die eine präzise Bildgebung bei sehr schwachen Lichtverhältnissen erfordern.

Wie funktionieren EMCCD-Sensoren?

Bis zum Auslesen arbeiten EMCCD-Sensoren nach dem gleichen Prinzip wie CCD-Sensoren. Vor der Messung mit dem ADC werden die erfassten Ladungen jedoch durch einen sogenannten Impaktionierungsprozess in einem „Elektronenmultiplikationsregister“ vervielfacht. In mehreren hundert Schritten werden die Ladungen eines Pixels unter Hochspannung entlang einer Reihe maskierter Pixel bewegt. Jedes Elektron hat bei jedem Schritt die Chance, weitere Elektronen mitzubringen. Das Signal wird dadurch exponentiell vervielfacht.

Das Endergebnis eines gut kalibrierten EMCCD ist die Möglichkeit, einen präzisen durchschnittlichen Multiplikationswert zu wählen, typischerweise etwa 300 bis 400 für Arbeiten bei schwachem Licht. Dadurch können die erkannten Signale weit über das Leserauschen der Kamera hinaus multipliziert werden, wodurch das Leserauschen der Kamera effektiv reduziert wird. Leider bedeutet die stochastische Natur dieses Multiplikationsprozesses, dass jedes Pixel mit einem anderen Betrag multipliziert wird, was einen zusätzlichen Rauschfaktor einführt und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des EMCCD reduziert.

Hier ist eine Übersicht über die Funktionsweise von EMCCD-Sensoren. Bis Schritt 6 ist der Vorgang im Wesentlichen derselbe wie bei CCD-Sensoren.

Abbildung: Auslesevorgang für EMCCD-Sensor

Nach Abschluss der Belichtung übertragen EMCCD-Sensoren die gesammelten Ladungen zunächst schnell auf ein maskiertes Pixel-Array mit den gleichen Abmessungen wie das lichtempfindliche Array (Frame-Transfer). Anschließend werden die Ladungen zeilenweise in ein Ausleseregister übertragen. Spaltenweise werden die Ladungen im Ausleseregister an ein Multiplikationsregister weitergeleitet. In jeder Stufe dieses Registers (bei echten EMCCD-Kameras bis zu 1000 Stufen) hat jedes Elektron eine geringe Chance, ein weiteres Elektron freizusetzen, wodurch das Signal exponentiell multipliziert wird. Am Ende wird das multiplizierte Signal ausgelesen.

1. Gebührenabrechnung: Um mit der Erfassung zu beginnen, wird gleichzeitig die Ladung vom gesamten Sensor gelöscht (Global Shutter).
2. Ladungsakkumulation: Während der Belichtung sammelt sich Ladung an.
3. Ladungsspeicher: Nach der Belichtung werden die gesammelten Ladungen in einen maskierten Bereich des Sensors verschoben, wo sie auf die Auslesung warten, ohne dass neu erkannte Photonen gezählt werden. Dies ist der „Frame Transfer“-Prozess.
4. Belichtung des nächsten Bildes: Mit den erkannten Ladungen, die in den maskierten Pixeln gespeichert sind, können die aktiven Pixel mit der Belichtung des nächsten Frames beginnen (Überlappungsmodus).
5. Auslesevorgang: Zeile für Zeile werden Ladungen für jede Zeile des fertigen Frames in ein „Ausleseregister“ verschoben.
6. Ladungen werden Spalte für Spalte von jedem Pixel in den Ausleseknoten transportiert.
7. Elektronenvervielfachung: Als Nächstes gelangen alle Elektronenladungen des Pixels in das Elektronenmultiplikationsregister und bewegen sich Schritt für Schritt weiter, wobei sich ihre Anzahl bei jedem Schritt exponentiell vervielfacht.
8. Anzeige: Das multiplizierte Signal wird vom ADC gelesen und der Vorgang wird wiederholt, bis der gesamte Frame ausgelesen ist.

Vor- und Nachteile von EMCCD-Sensoren

Vorteile von EMCCD-Sensoren

Vorteil	Beschreibung
Photonenzählung	Erkennt einzelne Photoelektronen mit extrem geringem Lese-Rauschen (<0,2e⁻) und ermöglicht so Einzelphotonenempfindlichkeit.
Ultra-Low-Light-Empfindlichkeit	Deutlich besser als herkömmliche CCDs und übertrifft bei sehr schwachen Lichtverhältnissen manchmal sogar High-End-sCMOS-Kameras.
Niedriger Dunkelstrom	Durch die Tiefenkühlung wird das thermische Rauschen reduziert, was bei langen Belichtungszeiten klarere Bilder ermöglicht.
„Halbglobaler“ Verschluss	Die Frame-Übertragung ermöglicht eine nahezu globale Belichtung mit sehr schneller Ladungsverschiebung (~1 Mikrosekunde).

● Photonenzählung: Bei ausreichend hoher Elektronenvervielfachung kann das Leserauschen praktisch eliminiert werden (<0,2e-). Dies, zusammen mit dem hohen Verstärkungswert und der nahezu perfekten Quanteneffizienz, bedeutet, dass die Unterscheidung einzelner Photoelektronen möglich ist.
● Ultra-Low-Light-Empfindlichkeit: Im Vergleich zu CCDs ist die Leistung von EMCCDs bei schwachem Licht deutlich besser. Es gibt einige Anwendungen, bei denen EMCCDs bei den niedrigsten Lichtverhältnissen sogar eine bessere Erkennungsleistung und einen besseren Kontrast bieten als High-End-sCMOS.
● Niedriger Dunkelstrom: Wie CCDs sind EMCCDs typischerweise tiefgekühlt und können sehr niedrige Dunkelstromwerte liefern.
● „Halb globaler“ Verschluss: Der Frame-Transfer-Prozess zum Starten und Beenden der Belichtung erfolgt nicht wirklich gleichzeitig, sondern dauert normalerweise etwa 1 Mikrosekunde.

Nachteile von EMCCD-Sensoren

Nachteil	Beschreibung
Begrenzte Geschwindigkeit	Die maximalen Bildraten (~30 fps bei 1 MP) sind viel langsamer als bei modernen CMOS-Alternativen.
Verstärkungsrauschen	Die zufällige Natur der Elektronenvervielfachung führt zu übermäßigem Rauschen und reduziert das SNR.
Taktinduzierte Ladung (CIC)	Schnelle Ladungsbewegungen können falsche Signale erzeugen, die verstärkt werden.
Reduzierter Dynamikbereich	Eine hohe Verstärkung reduziert das maximale Signal, das der Sensor verarbeiten kann, bevor er in die Sättigung gerät.
Große Pixelgröße	Gängige Pixelgrößen (13–16 μm) entsprechen möglicherweise nicht vielen Anforderungen optischer Systeme.
Hoher Kühlbedarf	Um eine gleichmäßige Vervielfältigung und geringe Geräuschentwicklung zu erreichen, ist eine stabile Tiefenkühlung erforderlich.
Kalibrierungsbedarf	Die EM-Verstärkung nimmt mit der Zeit ab (Multiplikationsabfall), sodass eine regelmäßige Kalibrierung erforderlich ist.
Instabilität bei kurzer Belichtung	Sehr kurze Belichtungen können zu unvorhersehbarer Signalverstärkung und Rauschen führen.
Hohe Kosten	Aufgrund der komplexen Herstellung und der tiefen Kühlung sind diese Sensoren teurer als sCMOS.
Begrenzte Lebensdauer	Das Elektronenvervielfachungsregister nutzt sich ab und hält normalerweise 5–10 Jahre.
Herausforderungen beim Export	Unterliegt aufgrund möglicher militärischer Anwendungen strengen Vorschriften.

● Begrenzte Geschwindigkeit: Schnelle EMCCDs bieten etwa 30 fps bei 1 MP, ähnlich wie CCDs, aber um Größenordnungen langsamer als CMOS-Kameras.

● Lärmeinführung: Der durch die zufällige Elektronenvervielfachung verursachte „übermäßige Rauschfaktor“ kann im Vergleich zu einer rauscharmen sCMOS-Kamera mit gleicher Quanteneffizienz je nach Signalpegel zu einem drastisch höheren Rauschen bei EMCCDs führen. Das SNR für High-End-sCMOS ist typischerweise bei Signalen um 3e- besser, bei höheren Signalen sogar noch besser.

● Taktinduzierte Ladung (CIC): Wenn die Ladungsbewegung über den Sensor nicht sorgfältig gesteuert wird, können zusätzliche Elektronen in die Pixel gelangen. Dieses Rauschen wird dann durch das Elektronenmultiplikationsregister multipliziert. Höhere Ladungsbewegungsgeschwindigkeiten (Taktraten) führen zu höheren Bildraten, aber auch zu mehr CIC.

● Reduzierter Dynamikbereich: Die sehr hohen Elektronenvervielfachungswerte, die zur Überwindung des EMCCD-Leserauschens erforderlich sind, führen zu einem stark reduzierten Dynamikbereich.

● Große Pixelgröße: Die kleinste gängige Pixelgröße für EMCCD-Kameras beträgt 10 μm, am gebräuchlichsten sind jedoch 13 oder 16 μm. Dies ist viel zu groß, um den Auflösungsanforderungen der meisten optischen Systeme gerecht zu werden.

● Kalibrierungsanforderungen: Der Elektronenmultiplikationsprozess verschleißt das EM-Register mit der Zeit und verringert seine Fähigkeit zur Multiplikation in einem Prozess, der als „Elektronenmultiplikationszerfall“ bezeichnet wird. Dies bedeutet, dass sich die Verstärkung der Kamera ständig ändert und die Kamera regelmäßig kalibriert werden muss, um quantitative Bilder zu liefern.

● Inkonsistente Belichtung bei kurzen Zeiten: Bei sehr kurzen Belichtungszeiten können EMCCD-Kameras inkonsistente Ergebnisse liefern, da das schwache Signal durch Rauschen überlagert wird und der Verstärkungsprozess statistische Schwankungen verursacht.

● Hoher Kühlbedarf: Der Elektronenvervielfachungsprozess wird stark von der Temperatur beeinflusst. Durch Kühlung des Sensors wird die verfügbare Elektronenvervielfachung erhöht. Daher ist eine tiefe Sensorkühlung bei gleichzeitiger Wahrung der Temperaturstabilität für reproduzierbare EMCCD-Messungen entscheidend.

● Hohe Kosten: Die schwierige Herstellung dieser Mehrkomponentensensoren in Kombination mit der Tiefenkühlung führt zu Preisen, die in der Regel höher sind als bei Kameras mit sCMOS-Sensor höchster Qualität.

● Begrenzte Lebensdauer: Der Zerfall durch Elektronenvervielfachung begrenzt die Lebensdauer dieser teuren Sensoren, die je nach Nutzungsgrad in der Regel 5–10 Jahre beträgt.

● Herausforderungen beim Exportieren: Der Import und Export von EMCCD-Sensoren ist aufgrund ihrer potenziellen Verwendung in militärischen Anwendungen tendenziell logistisch anspruchsvoll.

Warum EMCCD der Nachfolger von CCD ist

Besonderheit	CCD	EMCCD
Empfindlichkeit	Hoch	Ultrahoch (besonders bei schwachem Licht)
Ausleserauschen	Mäßig	Extrem niedrig (aufgrund der Verstärkung)
Dynamikbereich	Hoch	Mäßig (durch Verstärkung begrenzt)
Kosten	Untere	Höher
Kühlung	Optional	Normalerweise für optimale Leistung erforderlich
Anwendungsfälle	Allgemeine Bildgebung	Einzelphotonenerkennung bei schwachem Licht

EMCCD-Sensoren basieren auf der traditionellen CCD-Technologie und integrieren einen Elektronenvervielfachungsschritt. Dadurch können schwache Signale verstärkt und Rauschen reduziert werden. EMCCDs sind daher die bevorzugte Wahl für Bildgebungsanwendungen mit extrem schwachem Licht, bei denen CCD-Sensoren nicht die gewünschten Ergebnisse liefern.

Hauptanwendungen von EMCCD-Sensoren

EMCCD-Sensoren werden häufig in wissenschaftlichen und industriellen Bereichen eingesetzt, in denen eine hohe Empfindlichkeit und die Fähigkeit zur Erkennung schwacher Signale erforderlich sind:

● Life Science Imaging: Für Anwendungen wie Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie und Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF).
● Astronomie: Wird zum Einfangen schwachen Lichts von entfernten Sternen, Galaxien und zur Exoplanetenforschung verwendet.
● Quantenoptik: Für Experimente zur Photonenverschränkung und Quanteninformation.

● Forensik und Sicherheit: Wird bei der Überwachung bei schwachem Licht und der Spurenanalyse eingesetzt.
● Spektroskopie: In der Raman-Spektroskopie und der Fluoreszenzdetektion geringer Intensität.

Wann sollten Sie sich für einen EMCCD-Sensor entscheiden?

Mit den Verbesserungen an CMOS-Sensoren in den letzten Jahren ist der Vorteil von EMCCD-Sensoren hinsichtlich des Leserauschens geschwunden, da mittlerweile auch sCMOS-Kameras neben einer Vielzahl weiterer Vorteile auch Leserauschen im Subelektronenbereich ermöglichen. Wurden in einer Anwendung bisher EMCCD-Sensoren verwendet, lohnt es sich zu prüfen, ob diese angesichts der Entwicklungen bei sCMOS die beste Wahl sind.

Historisch gesehen konnten EMCCDs die Photonenzählung noch erfolgreicher durchführen, neben einigen anderen Nischenanwendungen mit typischen Signalpegeln von weniger als 3-5e- pro Pixel in der Spitze. Mit größeren Pixelgrößen und Subelektronen-Leserauschen inwissenschaftliche KamerasBasierend auf der sCMOS-Technologie ist es möglich, dass auch diese Anwendungen bald mit High-End-sCMOS durchgeführt werden können.

FAQs

Was ist die Mindestbelichtungszeit für Frame-Transfer-Kameras?

Bei allen Frame-Transfer-Sensoren, einschließlich EMCCDs, ist die Frage der minimal möglichen Belichtungszeit eine komplizierte Frage. Bei Einzelbildaufnahmen kann die Belichtung beendet werden, indem die aufgenommenen Ladungen zum Auslesen sehr schnell in den maskierten Bereich verschoben werden. Dabei sind kurze (unter einer Mikrosekunde) minimale Belichtungszeiten möglich.

Sobald die Kamera jedoch mit voller Geschwindigkeit streamt, d. h. mehrere Bilder/einen Film mit voller Bildrate aufnimmt, wird der maskierte Bereich nach Abschluss der Belichtung des ersten Bildes von diesem Bild belegt, bis die Auslesung abgeschlossen ist. Die Belichtung kann daher nicht beendet werden. Dies bedeutet, dass unabhängig von der in der Software angeforderten Belichtungszeit die tatsächliche Belichtungszeit der nachfolgenden Bilder nach dem ersten einer Multibildaufnahme mit voller Geschwindigkeit durch die Bildzeit, d. h. 1/Bildrate, der Kamera vorgegeben ist.

Ersetzt die sCMOS-Technologie EMCCD-Sensoren?

EMCCD-Kameras verfügten über zwei Spezifikationen, die dazu beitrugen, ihren Vorteil bei Bildgebungsszenarien mit extrem schwachem Licht (mit Spitzensignalpegeln von 5 Photoelektronen oder weniger) zu bewahren. Erstens ihre großen Pixel, bis zu 16 μm, und zweitens ihr Lese-Rauschen von <1e-.

Eine neue Generation vonsCMOS-KameraEs gibt eine Kamera, die dieselben Eigenschaften bietet, jedoch ohne die zahlreichen Nachteile von EMCCDs, insbesondere das übermäßige Rauschen. Kameras wie die Aries 16 von Tucsen bieten 16 μm große, rückseitig beleuchtete Pixel mit einem Ausleserauschen von 0,8e-. Mit geringem Rauschen und „nativ“ großen Pixeln übertreffen diese Kameras aufgrund der Beziehung zwischen Binning und Ausleserauschen auch die meisten binned sCMOS-Kameras.

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Kann das EMCCD ersetzt werden und würden wir das jemals wollen?