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2026-01-05T21:38:41Z

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[[Datei:Emccd readout diag.png|mini|hochkant=2|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]].]]
Ein {{lang|en|'''''electron-multiplying charge-coupled device'''''}} ({{enS}}, '''EMCCD''') – auch bekannt als Low Light Level<ref name="Jerram2001">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]]</ref> CCD, LLLCCD<ref name="Jerram2001"/>, L3CCD<ref>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]]</ref>, oder {{lang|en|Impactron<ref>Jaroslav Hynecek: ''Impactron—A New Solid State Image Intensifier''. In: IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 48, issue 10, S. 2238–2241 (2001), [[doi:10.1109/16.954460]]</ref> CCD}} – ist ein [[CCD-Sensor|CCD]], bei dem eine Elektronen-Multiplikator-Strecke direkt vor dem Ausgangsverstärker implementiert ist (daher der Begriff ''electron multiplication'', auf Deutsch Elektronen-Vervielfachung).

== Aufbau und Funktion ==
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 <math>(P < 2 \%)</math>, aber da die Anzahl der Stufen <math>N</math> groß (typisch > 500) ist, kann die Gesamtverstärkung <math>g = (1 + P)^N</math> 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:

:<math>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 )</math> für <math>n \ge m~, </math>

[[Datei:Output vs input electrons.png|mini|hochkant=2|[[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 [[Logarithmische Darstellung|logarithmisch dargestellt]]. Zum Vergleich dargestellt sind die Resultate der [[Empirie|empirischen]] Formel auf dieser Seite.]]

wobei <math>P(n)</math> die Wahrscheinlichkeit für <math>n</math> Ausgangselektronen bei <math>m</math> Eingangselektronen und einer Gesamtverstärkung von <math>g</math> 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 {{lang|en|''[[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-Verhältnis]]ses 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 ==
EMCCDs werden beispielsweise in [[Nachtsichtgerät]]en, bei der [[Beobachtende Astronomie#Optische Teleskope|astronomischen Beobachtung]] und in der [[Fluoreszenzmikroskopie]] eingesetzt und konkurrieren hier mit dem [[Intensified charge-coupled device]].

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
* [http://www.e2v.com/products/imaging/emccd-image-sensors-for-space-and-ground-based-astronomy e2v (e2v technologies): Entwickler der ersten EMCCDs (L3Vision), Nachfolger von Marconi Applied Technologies, vormals auch unter dem Namen eev (English Electric Valve Company) verzeichnet], auf Englisch

* [https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?FT=D&date=19980923&DB=EPODOC&locale=de_EP&CC=EP&NR=0866501A1&KC=A1&ND=4 Link zum Patent von eev aus dem Jahre 1998]

* [https://www.ti.com/sc/docs/news/2001/01024.htm Texas Instruments: Entwickler der ersten EMCCDs (Impactron), 2001], auf Englisch

* [http://www.ast.cam.ac.uk/research/instrumentation.surveys.and.projects/lucky.imaging/l3ccd.technology L3CCD Technology], auf Englisch

[[Kategorie:Bildsensor]]
[[Kategorie:Halbleiterbauelement]]
[[Kategorie:Optische Teleskoptechnik]]

[[en:Electron-multiplying CCD]]

Electron multiplying charge-coupled device - Versionsgeschichte

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