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Electron multiplying charge coupled device Ein electron multiplying charge coupled device englisch EMCCD auch bekannt al

Electron multiplying charge-coupled device

Ein electron-multiplying charge-coupled device (englisch, EMCCD) – auch bekannt als Low Light Level CCD, LLLCCD, L3CCD, oder Impactron CCD – ist ein CCD, bei dem eine Elektronen-Multiplikator-Strecke direkt vor dem Ausgangsverstärker implementiert ist (daher der Begriff electron multiplication, auf deutsch Elektronen-Vervielfachung).

Die Verstärkerstufe eines EMCCD besteht aus einer Reihe von Multiplikationsregistern, die die im CCD erzeugten Photo-Elektronen sukzessive durchwandern. Die hohe Spannung, die an die Register angelegt wird, induziert weitere Elektronen durch Stoßionisation.

Aufbau und Funktion Bearbeiten

Die Verstärkerstrecke besteht aus einer großen Anzahl ladungsgekoppelter Schieberegister. In jedem Schieberegister wird die Anzahl der Elektronen durch Stoßionisation, ähnlich dem Effekt bei einer Avalanchediode, erhöht. Die Wahrscheinlichkeit einer Stoßionisation in jeder Stufe ist relativ klein , aber da die Anzahl der Stufen groß (typisch > 500) ist, kann die Gesamtverstärkung große Werte annehmen: ein Elektron am Eingang erzeugt tausende Elektronen am Ausgang. Das Verstärkungsverhalten von Multiplikationsregistern mit vielen Stufen und einer hohen Gesamtverstärkung kann durch die folgende stochastische Gleichung gut angenähert werden:

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Anzahl der aus der Verstärkerstufe mit Verstärkungsfaktor=1000 austretenden Elektronen für 1–8 eintretende Elektronen. Auf der Abszisse aufgetragen ist die Anzahl der austretenden Elektronen; die Ordinate zeigt die Wahrscheinlichkeit für diese Anzahl und ist logarithmisch dargestellt. Zum Vergleich dargestellt sind die Resultate der empirischen Formel auf dieser Seite.

wobei die Wahrscheinlichkeit für Ausgangselektronen bei Eingangselektronen und einer Gesamtverstärkung von ist.

Das Ausleserauschen von CCDs liegt typischerweise bei einigen Elektronen, während das Signal von EMCCDs aufgrund der Verstärkung im Gegensatz zu normalen CCDs deutlich darüber liegt. Auf diese Weise erhält man Bilder mit vernachlässigbarem Ausleserauschen. Letztlich ist das effektive Ausleserauschen im Signal-zu-Rausch Verhältnis um den Multiplikationsfaktor kleiner. Dadurch können selbst einzelne Photonen nachgewiesen werden.

EMCCDs besitzen eine ähnlich hohe, teilweise auch größere Empfindlichkeit als ein intensified charge-coupled device (iCCD). Bei beiden variiert jedoch aufgrund des stochastischen Verstärkungsprozesses die Verstärkung; die exakte Verstärkung einer Pixelladung schwankt von Mal zu Mal. Bei hohen Verstärkungen (> 30) hat diese Schwankung den gleichen Effekt bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnisses wie eine Halbierung der Quanteneffizienz. Bei geringen Beleuchtungsintensitäten (bei denen die Empfindlichkeit am wichtigsten ist) überwiegt jedoch der Vorteil, den man durch das geringere Ausleserauschen erhält. Insbesondere in Anwendungen, bei denen man davon ausgehen kann, dass ein Pixel bei einer Belichtung maximal ein Elektron enthält, können diese zuverlässig detektiert werden. Durch wiederholte Aufnahmen kann auf diese Weise sehr präzise die Anzahl der Photonen bestimmt werden.

Anwendungen Bearbeiten

EMCCDs werden beispielsweise in Nachtsichtgeräten, bei der astronomischen Beobachtung und in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt und konkurrieren hier mit dem Intensified charge-coupled device.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ Paul Jerram; Peter J. Pool; Ray Bell; David J. Burt; Steve Bowring; Simon Spencer; Mike Hazelwood; Ian Moody; Neil Catlett; Philip S. Heyes: The LLLCCD: Low Light Imaging without the need for an intensifier. In: SPIE 4306, p. 178 (2001), doi:10.1117/12.426953
  2. Olivier Daigle; Jean-Luc Gach; Christian Guillaume; Claude Carignan; Philippe Balard; Olivier Boisin: L3CCD results in pure photon-counting mode. In: SPIE 5499, p. 220 (2004), doi:10.1117/12.552411
  3. Jaroslav Hynecek: Impactron—A New Solid State Image Intensifier. In: IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 48, issue 10, pp. 2238-2241 (2001), doi:10.1109/16.954460

Weblinks Bearbeiten

  • Link zum Patent von eev aus dem Jahre 1998
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Veröffentlichungsdatum:
Ein electron multiplying charge coupled device englisch EMCCD auch bekannt als Low Light Level 1 CCD LLLCCD 1 L3CCD 2 oder Impactron 3 CCD ist ein CCD bei dem eine Elektronen Multiplikator Strecke direkt vor dem Ausgangsverstarker implementiert ist daher der Begriff electron multiplication auf deutsch Elektronen Vervielfachung Die Verstarkerstufe eines EMCCD besteht aus einer Reihe von Multiplikationsregistern die die im CCD erzeugten Photo Elektronen sukzessive durchwandern Die hohe Spannung die an die Register angelegt wird induziert weitere Elektronen durch Stossionisation Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau und Funktion 2 Anwendungen 3 Einzelnachweise 4 WeblinksAufbau und Funktion BearbeitenDie Verstarkerstrecke besteht aus einer grossen Anzahl ladungsgekoppelter Schieberegister In jedem Schieberegister wird die Anzahl der Elektronen durch Stossionisation ahnlich dem Effekt bei einer Avalanchediode erhoht Die Wahrscheinlichkeit einer Stossionisation in jeder Stufe ist relativ klein P lt 2 displaystyle P lt 2 nbsp aber da die Anzahl der Stufen N displaystyle N nbsp gross typisch gt 500 ist kann die Gesamtverstarkung g 1 P N displaystyle g 1 P N nbsp grosse Werte annehmen ein Elektron am Eingang erzeugt tausende Elektronen am Ausgang Das Verstarkungsverhalten von Multiplikationsregistern mit vielen Stufen und einer hohen Gesamtverstarkung kann durch die folgende stochastische Gleichung gut angenahert werden P n n m 1 m 1 m 1 g 1 1 m m exp n m 1 g 1 1 m displaystyle P left n right frac left n m 1 right m 1 left m 1 right left g 1 frac 1 m right m exp left frac n m 1 g 1 frac 1 m right nbsp fur n m displaystyle n geq m nbsp nbsp Wahrscheinlichkeitsverteilung der Anzahl der aus der Verstarkerstufe mit Verstarkungsfaktor 1000 austretenden Elektronen fur 1 8 eintretende Elektronen Auf der Abszisse aufgetragen ist die Anzahl der austretenden Elektronen die Ordinate zeigt die Wahrscheinlichkeit fur diese Anzahl und ist logarithmisch dargestellt Zum Vergleich dargestellt sind die Resultate der empirischen Formel auf dieser Seite wobei P n displaystyle P n nbsp die Wahrscheinlichkeit fur n displaystyle n nbsp Ausgangselektronen bei m displaystyle m nbsp Eingangselektronen und einer Gesamtverstarkung von g displaystyle g nbsp ist Das Ausleserauschen von CCDs liegt typischerweise bei einigen Elektronen wahrend das Signal von EMCCDs aufgrund der Verstarkung im Gegensatz zu normalen CCDs deutlich daruber liegt Auf diese Weise erhalt man Bilder mit vernachlassigbarem Ausleserauschen Letztlich ist das effektive Ausleserauschen im Signal zu Rausch Verhaltnis um den Multiplikationsfaktor kleiner Dadurch konnen selbst einzelne Photonen nachgewiesen werden EMCCDs besitzen eine ahnlich hohe teilweise auch grossere Empfindlichkeit als ein intensified charge coupled device iCCD Bei beiden variiert jedoch aufgrund des stochastischen Verstarkungsprozesses die Verstarkung die exakte Verstarkung einer Pixelladung schwankt von Mal zu Mal Bei hohen Verstarkungen gt 30 hat diese Schwankung den gleichen Effekt bezuglich des Signal Rausch Verhaltnisses wie eine Halbierung der Quanteneffizienz Bei geringen Beleuchtungsintensitaten bei denen die Empfindlichkeit am wichtigsten ist uberwiegt jedoch der Vorteil den man durch das geringere Ausleserauschen erhalt Insbesondere in Anwendungen bei denen man davon ausgehen kann dass ein Pixel bei einer Belichtung maximal ein Elektron enthalt konnen diese zuverlassig detektiert werden Durch wiederholte Aufnahmen kann auf diese Weise sehr prazise die Anzahl der Photonen bestimmt werden Anwendungen BearbeitenEMCCDs werden beispielsweise in Nachtsichtgeraten bei der astronomischen Beobachtung und in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt und konkurrieren hier mit dem Intensified charge coupled device Einzelnachweise Bearbeiten a b Paul Jerram Peter J Pool Ray Bell David J Burt Steve Bowring Simon Spencer Mike Hazelwood Ian Moody Neil Catlett Philip S Heyes The LLLCCD Low Light Imaging without the need for an intensifier In SPIE 4306 p 178 2001 doi 10 1117 12 426953 Olivier Daigle Jean Luc Gach Christian Guillaume Claude Carignan Philippe Balard Olivier Boisin L3CCD results in pure photon counting mode In SPIE 5499 p 220 2004 doi 10 1117 12 552411 Jaroslav Hynecek Impactron A New Solid State Image Intensifier In IEEE Transactions on Electron Devices vol 48 issue 10 pp 2238 2241 2001 doi 10 1109 16 954460Weblinks Bearbeitene2v e2v technologies Entwickler der ersten EMCCDs L3Vision Nachfolger von Marconi Applied Technologies vormals auch unter dem Namen eev English Electric Valve Company verzeichnet auf englischLink zum Patent von eev aus dem Jahre 1998Texas Instruments Entwickler der ersten EMCCDs Impactron 2001 auf englischL3CCD Technology auf englisch Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Electron multiplying charge coupled device amp oldid 208837676