01.08.2025Der Elektronenvervielfacher-CCD-Sensor ist eine Weiterentwicklung des CCD-Sensors, die den Betrieb bei geringerer Lichtintensität ermöglicht. Er ist typischerweise für Signale von einigen hundert Photoelektronen bis hin zur Einzelphotonenzählung vorgesehen.
Dieser Artikel erklärt, was EMCCD-Sensoren sind, wie sie funktionieren, ihre Vor- und Nachteile und warum sie als die nächste Evolutionsstufe der CCD-Technologie für die Bildgebung bei schwachem Licht gelten.
Was ist ein EMCCD-Sensor?
Ein EMCCD-Sensor (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) ist ein spezieller CCD-Sensor, der schwache Signale verstärkt, bevor sie ausgelesen werden, wodurch eine extrem hohe Empfindlichkeit bei schwachem Licht ermöglicht wird.
Ursprünglich für Anwendungen wie Astronomie und fortgeschrittene Mikroskopie entwickelt, können EMCCDs einzelne Photonen detektieren – eine Aufgabe, die herkömmlichen CCD-Sensoren schwerfällt. Diese Fähigkeit, einzelne Photonen zu erfassen, macht EMCCDs unverzichtbar für Bereiche, die präzise Bildgebung bei sehr geringen Lichtverhältnissen erfordern.
Wie funktionieren EMCCD-Sensoren?
Bis zum Auslesen arbeiten EMCCD-Sensoren nach denselben Prinzipien wie CCD-Sensoren. Vor der Messung mit dem Analog-Digital-Wandler (ADC) werden die detektierten Ladungen jedoch in einem Elektronenvervielfachungsregister durch einen Prozess namens Impaktionierung vervielfacht. In mehreren hundert Schritten werden die Ladungen eines Pixels unter Hochspannung entlang einer Reihe maskierter Pixel bewegt. Jedes Elektron hat in jedem Schritt die Chance, weitere Elektronen mitzureißen. Das Signal wird dadurch exponentiell verstärkt.
Das Ergebnis einer gut kalibrierten EMCCD-Kamera ist die Möglichkeit, einen präzisen Mittelwertmultiplikationsfaktor zu wählen, typischerweise etwa 300 bis 400 für Aufnahmen bei schwachem Licht. Dadurch können die erfassten Signale deutlich stärker multipliziert werden als das Ausleserauschen der Kamera, wodurch dieses effektiv reduziert wird. Aufgrund der stochastischen Natur dieses Multiplikationsprozesses wird jedoch jedes Pixel mit einem unterschiedlichen Faktor multipliziert, was einen zusätzlichen Rauschfaktor erzeugt und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der EMCCD-Kamera verringert.
Hier ist eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise von EMCCD-Sensoren. Bis Schritt 6 ist der Prozess im Wesentlichen derselbe wie bei CCD-Sensoren.
Nach der Belichtung übertragen EMCCD-Sensoren die gesammelten Ladungen zunächst schnell auf ein maskiertes Pixelarray mit denselben Abmessungen wie das lichtempfindliche Array (Frame Transfer). Anschließend werden die Ladungen zeilenweise in ein Ausleseregister übertragen. Spaltenweise werden die Ladungen innerhalb des Ausleseregisters an ein Multiplikationsregister weitergeleitet. In jeder Stufe dieses Registers (bis zu 1000 Stufen in realen EMCCD-Kameras) hat jedes Elektron eine geringe Chance, ein zusätzliches Elektron freizusetzen, wodurch das Signal exponentiell multipliziert wird. Abschließend wird das multiplizierte Signal ausgelesen.
1. LadungsbereinigungUm die Datenerfassung zu starten, wird die Ladung gleichzeitig vom gesamten Sensor entfernt (Global Shutter).
2. Ladungsansammlung: Während der Belichtung sammelt sich Ladung an.
3. LadespeicherNach der Belichtung werden die gesammelten Ladungen in einen maskierten Bereich des Sensors transportiert, wo sie auf das Auslesen warten, ohne dass neu detektierte Photonen gezählt werden. Dies ist der sogenannte „Frame-Transfer“-Prozess.
4. Belichtung des nächsten Bildes: Nachdem die erkannten Ladungen in den maskierten Pixeln gespeichert wurden, können die aktiven Pixel mit der Belichtung des nächsten Bildes beginnen (Überlappungsmodus).
5. AusleseprozessZeile für Zeile werden die Gebühren für jede Zeile des fertigen Rahmens in ein „Ausleseregister“ übertragen.
6. Spaltenweise werden die Ladungen jedes Pixels in den Ausleseknoten geleitet.
7. ElektronenvervielfachungAnschließend gelangen alle Elektronenladungen des Pixels in das Elektronenmultiplikationsregister und bewegen sich Schritt für Schritt weiter, wobei sich ihre Anzahl bei jedem Schritt exponentiell erhöht.
8. AnzeigeDas multiplizierte Signal wird vom ADC eingelesen, und der Vorgang wird wiederholt, bis der gesamte Frame ausgelesen ist.
Vor- und Nachteile von EMCCD-Sensoren
Vorteile von EMCCD-Sensoren
| Vorteil | Beschreibung |
| Photonenzählung | Detektiert einzelne Photoelektronen mit extrem niedrigem Ausleserauschen (<0,2e⁻) und ermöglicht so die Einzelphotonenempfindlichkeit. |
| Empfindlichkeit bei extrem schwachem Licht | Deutlich besser als herkömmliche CCDs, übertrifft sie bei sehr schwachen Lichtverhältnissen mitunter sogar High-End-sCMOS-Kameras. |
| Niedriger Dunkelstrom | Die intensive Kühlung reduziert das thermische Rauschen und ermöglicht so sauberere Bilder bei Langzeitbelichtungen. |
| 'Halbglobaler' Verschluss | Durch Frame-Transfer wird eine nahezu globale Belichtung mit sehr schneller Ladungsverschiebung (~1 Mikrosekunde) ermöglicht. |
● PhotonenzählungBei ausreichend hoher Elektronenvervielfachung lässt sich das Ausleserauschen praktisch eliminieren (<0,2e⁻). Dies ermöglicht zusammen mit dem hohen Verstärkungswert und der nahezu perfekten Quanteneffizienz die Unterscheidung einzelner Photoelektronen.
● Extrem hohe LichtempfindlichkeitIm Vergleich zu CCDs ist die Leistung von EMCCDs bei schwachem Licht deutlich besser. Es gibt Anwendungen, bei denen EMCCDs selbst bei geringsten Lichtverhältnissen eine bessere Detektionsfähigkeit und einen höheren Kontrast als High-End-sCMOS-Sensoren bieten.
● Niedriger DunkelstromWie bei CCDs sind auch EMCCDs typischerweise tiefgekühlt und in der Lage, sehr niedrige Dunkelstromwerte zu liefern.
● 'Halbglobaler' VerschlussDer Frame-Transfer-Prozess zum Starten und Beenden der Belichtung ist nicht wirklich gleichzeitig, sondern dauert typischerweise in der Größenordnung von 1 Mikrosekunde.
Nachteile von EMCCD-Sensoren
| Nachteil | Beschreibung |
| Begrenzte Geschwindigkeit | Die maximalen Bildraten (~30 fps bei 1 MP) sind deutlich langsamer als bei modernen CMOS-Alternativen. |
| Verstärkungsrauschen | Die zufällige Natur der Elektronenvervielfachung führt zu zusätzlichem Rauschen und verringert das Signal-Rausch-Verhältnis. |
| Taktinduzierte Ladung (CIC) | Schnelle Ladebewegungen können falsche Signale erzeugen, die verstärkt werden. |
| Reduzierter Dynamikbereich | Eine hohe Verstärkung verringert das maximale Signal, das der Sensor verarbeiten kann, bevor er in die Sättigung gerät. |
| Große Pixelgröße | Gängige Pixelgrößen (13–16 μm) sind möglicherweise nicht mit vielen Anforderungen optischer Systeme vereinbar. |
| Hoher Kühlbedarf | Eine stabile Tiefenkühlung ist erforderlich, um eine gleichmäßige Multiplikation und geringes Rauschen zu erreichen. |
| Kalibrierungsbedarf | Die EM-Verstärkung nimmt mit der Zeit ab (Multiplikationsabfall), weshalb eine regelmäßige Kalibrierung erforderlich ist. |
| Instabilität bei kurzer Belichtung | Sehr kurze Belichtungszeiten können zu unvorhersehbarer Signalverstärkung und Rauschen führen. |
| Hohe Kosten | Aufwendige Fertigung und intensive Kühlung machen diese Sensoren teurer als sCMOS-Sensoren. |
| Begrenzte Lebensdauer | Das Elektronenvervielfachungsregister verschleißt und hält typischerweise 5–10 Jahre. |
| Herausforderungen im Export | Unterliegt aufgrund potenzieller militärischer Anwendungen strengen Vorschriften. |
● Begrenzte GeschwindigkeitSchnelle EMCCDs liefern etwa 30 Bilder pro Sekunde bei 1 MP, ähnlich wie CCDs, sind aber um Größenordnungen langsamer als CMOS-Kameras.
● Einführung in das Thema LärmDer durch die zufällige Elektronenvervielfachung verursachte „Überrauschfaktor“ kann im Vergleich zu einer rauscharmen sCMOS-Kamera mit gleicher Quanteneffizienz bei EMCCDs je nach Signalstärke zu einem drastisch höheren Rauschen führen. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von High-End-sCMOS-Sensoren ist typischerweise bei Signalen um 3e⁻ besser und bei höheren Signalstärken sogar noch besser.
● Taktinduzierte Ladung (CIC)Ungeachtet dessen kann die Bewegung von Ladungen über den Sensor zusätzliche Elektronen in die Pixel einbringen. Dieses Rauschen wird dann vom Elektronenmultiplikationsregister verstärkt. Höhere Ladungsbewegungsgeschwindigkeiten (Taktraten) führen zwar zu höheren Bildwiederholraten, aber auch zu mehr CIC (Close Interrupts in Charge).
● Reduzierter DynamikbereichDie sehr hohen Elektronenvervielfachungswerte, die zur Überwindung des Ausleserauschens des EMCCD erforderlich sind, führen zu einem stark reduzierten Dynamikbereich.
● Große PixelgrößeDie kleinste gängige Pixelgröße für EMCCD-Kameras beträgt 10 μm, am häufigsten sind jedoch 13 oder 16 μm. Dies ist viel zu groß, um die Auflösungsanforderungen der meisten optischen Systeme zu erfüllen.
● KalibrierungsanforderungenDer Elektronenvervielfachungsprozess führt mit der Zeit zu Verschleiß des EM-Registers und verringert dessen Multiplikationsfähigkeit (Elektronenvervielfachungszerfall). Dies bedeutet, dass sich die Verstärkung der Kamera ständig ändert und die Kamera für quantitative Bildgebung regelmäßig kalibriert werden muss.
● Unregelmäßige Belichtung bei kurzen ZeitenBei Verwendung sehr kurzer Belichtungszeiten können EMCCD-Kameras inkonsistente Ergebnisse liefern, da das schwache Signal vom Rauschen überlagert wird und der Verstärkungsprozess statistische Schwankungen mit sich bringt.
● Hoher KühlbedarfDer Elektronenvervielfachungsprozess wird stark von der Temperatur beeinflusst. Durch Kühlung des Sensors erhöht sich die verfügbare Elektronenvervielfachung. Daher ist eine tiefe Sensorkühlung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Temperaturstabilität entscheidend für reproduzierbare EMCCD-Messungen.
● Hohe KostenDie aufwendige Herstellung dieser Mehrkomponentensensoren in Verbindung mit der erforderlichen Tiefenkühlung führt dazu, dass die Preise in der Regel höher sind als bei Kameras mit sCMOS-Sensor höchster Qualität.
● Begrenzte LebensdauerDer Elektronenvervielfachungszerfall begrenzt die Lebensdauer dieser teuren Sensoren auf in der Regel 5-10 Jahre, abhängig vom Nutzungsniveau.
● Herausforderungen im ExportDer Import und Export von EMCCD-Sensoren stellt aufgrund ihres potenziellen Einsatzes in militärischen Anwendungen eine logistische Herausforderung dar.
Warum EMCCD der Nachfolger von CCD ist
| Besonderheit | CCD | EMCCD |
| Empfindlichkeit | Hoch | Ultrahoch (insbesondere bei schwachem Licht) |
| Ausleserauschen | Mäßig | Extrem niedrig (aufgrund der Verstärkung) |
| Dynamikbereich | Hoch | Mäßig (durch die Verstärkung begrenzt) |
| Kosten | Untere | Höher |
| Kühlung | Optional | Für eine optimale Leistung in der Regel erforderlich. |
| Anwendungsfälle | Allgemeine Bildgebung | Detektion einzelner Photonen bei schwachem Licht |
EMCCD-Sensoren bauen auf der herkömmlichen CCD-Technologie auf und integrieren einen Elektronenvervielfachungsschritt. Dadurch wird die Fähigkeit zur Verstärkung schwacher Signale und zur Rauschreduzierung verbessert, was EMCCDs zur bevorzugten Wahl für Bildgebungsanwendungen bei extrem schwachem Licht macht, wo CCD-Sensoren an ihre Grenzen stoßen.
Wichtigste Anwendungsgebiete von EMCCD-Sensoren
EMCCD-Sensoren werden häufig in wissenschaftlichen und industriellen Bereichen eingesetzt, die eine hohe Empfindlichkeit und die Fähigkeit zum Nachweis schwacher Signale erfordern:
● Life Science Imaging: Für Anwendungen wie Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie und Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF).
● AstronomieWird zur Erfassung schwachen Lichts von fernen Sternen, Galaxien und zur Erforschung von Exoplaneten eingesetzt.
● QuantenoptikFür Experimente zur Photonenverschränkung und Quanteninformation.
● Forensik und Sicherheit: Wird eingesetzt bei Überwachungsmaßnahmen unter schlechten Lichtverhältnissen und bei der Spurenanalyse.
● Spektroskopie: In der Raman-Spektroskopie und der Fluoreszenzdetektion niedriger Intensität.
Wann sollte man sich für einen EMCCD-Sensor entscheiden?
Durch die Verbesserungen an CMOS-Sensoren in den letzten Jahren hat sich der Vorteil von EMCCD-Sensoren hinsichtlich des Ausleserauschens verringert, da mittlerweile selbst sCMOS-Kameras ein Ausleserauschen im Subelektronenbereich erreichen und darüber hinaus zahlreiche weitere Vorteile bieten. Wurden in einer Anwendung bisher EMCCDs eingesetzt, lohnt es sich daher, angesichts der Entwicklungen im Bereich sCMOS zu prüfen, ob dies noch die beste Wahl ist.
Historisch gesehen konnten EMCCDs die Photonenzählung noch erfolgreicher durchführen, neben einigen anderen Nischenanwendungen mit typischen Signalpegeln von weniger als 3–5 e⁻ pro Pixel im Spitzenbereich. Mit der Verfügbarkeit größerer Pixelgrößen und eines Ausleserauschens unterhalb der Elektronengrenze inwissenschaftliche KamerasAuf Basis der sCMOS-Technologie ist es möglich, dass auch diese Anwendungen schon bald mit High-End-sCMOS realisiert werden können.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die minimale Belichtungszeit für Frame-Transfer-Kameras?
Bei allen Frame-Transfer-Sensoren, einschließlich EMCCDs, ist die Frage der minimal möglichen Belichtungszeit komplex. Bei Einzelbildaufnahmen kann die Belichtung durch schnelles Überführen der erfassten Ladungen in den maskierten Auslesebereich beendet werden, wodurch kurze (Sub-Mikrosekunden-) minimale Belichtungszeiten möglich sind.
Sobald die Kamera jedoch mit voller Geschwindigkeit streamt, d. h. mehrere Einzelbilder bzw. einen Film mit voller Bildrate aufnimmt, wird der maskierte Bereich, sobald das erste Bild belichtet ist, von diesem Bild belegt, bis die Auslesung abgeschlossen ist. Die Belichtung kann daher nicht beendet werden. Das bedeutet, dass unabhängig von der in der Software angeforderten Belichtungszeit die tatsächliche Belichtungszeit der nachfolgenden Einzelbilder nach dem ersten Bild einer Serienbildaufnahme mit voller Geschwindigkeit durch die Bildrate der Kamera (1 / Bildfrequenz) bestimmt wird.
Ersetzt die sCMOS-Technologie EMCCD-Sensoren?
EMCCD-Kameras wiesen zwei Merkmale auf, die ihnen halfen, ihren Vorteil bei extrem schwachen Lichtverhältnissen (mit Spitzensignalpegeln von 5 Photoelektronen oder weniger) zu bewahren. Erstens ihre großen Pixel mit bis zu 16 μm und zweitens ihr Ausleserauschen von unter 1e⁻.
Eine neue Generation vonsCMOS-KameraEs gibt mittlerweile Kameras, die dieselben Eigenschaften bieten, jedoch ohne die zahlreichen Nachteile von EMCCDs, insbesondere das hohe Rauschen. Kameras wie die Aries 16 von Tucsen verfügen über 16 μm große, rückseitig belichtete Pixel mit einem Ausleserauschen von 0,8e-. Dank des geringen Rauschens und der von Natur aus großen Pixeln übertreffen diese Kameras aufgrund des Zusammenhangs zwischen Pixel-Binning und Ausleserauschen auch die meisten sCMOS-Kameras mit Pixel-Binning.
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Kann der EMCCD ersetzt werden und würden wir das jemals wollen?
