Was ist eine EMCCD-Kamera?
Eine EMCCD-Kamera ist eine CCD-Kamera, die mit Hilfe eines elektronenvervielfältigenden CCD-Elements niedrige Lichtstärken erkennen kann.
Für die Erfassung von Licht durch eine gewöhnliche CCD-Kamera ist eine bestimmte Menge an hellem Licht erforderlich. Bei der Umwandlung von Licht in elektrische Signale wird ein gewisses Maß an Rauschen (unerwünschte Informationen, die nichts mit Licht zu tun haben) hinzugefügt.
Selbst wenn schwaches Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, geht es im Rauschen unter, sodass kein Bild mit ausreichender Intensität erzielt werden kann. Bei der Erkennung von Licht und dessen Umwandlung in elektrische Signale sind EMCCD-Kameras in der Lage, schwaches Licht zu erkennen, da der CCD-Sensor über eine elektronische Verdopplungsfunktion verfügt.
Anwendungen von EMCCD-Kameras
Die wichtigsten Anwendungsbereiche für EMCCD-Kameras sind Mikroskope und Teleskope. Der Beobachtungsbereich in einem Mikroskop ist sehr schmal, und die Helligkeit des Beobachtungsbereichs wird durch eine Blende und einen Reflektor erhöht, aber die Lichtmenge ist nicht ausreichend, wenn das Bild von einer gewöhnlichen CCD-Kamera aufgenommen wird.
Infolgedessen sind die aus dem Licht umgewandelten elektrischen Signale mit Rauschen behaftet. Eine EMCCD-Kamera hingegen kann schwaches Licht in elektrische Signale ausreichender Intensität umwandeln und verstärken. EMCCD-Kameras werden auch eingesetzt, um die geringe Lichtintensität beim Fotografieren lichtschwacher Objekte durch Teleskope auszugleichen.
Funktionsweise von EMCCD-Kameras
1. Mechanismus des CCD-Sensors
Ein CCD (Charge Coupled Device) ist ein ladungsgekoppeltes Gerät, das Licht in elektrische Signale umwandelt. Während herkömmliche Kameras auf Filmbasis (Kameras, die mit Film arbeiten) im lichtempfindlichen Bereich einen Silberhalogenidfilm verwenden, werden in vielen Digitalkameras CCD-Sensoren im lichtempfindlichen Bereich eingesetzt.
CCD-Sensoren bestehen aus kleinen Elementen (Fotodioden), die Pixel genannt werden. Die Fotodiode wandelt Licht in eine elektrische Ladung um, und der CCD-Sensor gibt die Ladung als elektrischen Strom aus, um ein Bild zu erzeugen.
2. EMCCD Funktionsweise
Aufgrund der rauschbedingten Eigenschaften des Stroms geht das elektrische Signal bei schwachen Lichtverhältnissen im Rauschen unter, sodass es unmöglich ist, ein angemessenes Bild zu erhalten. Der EMCCD-Sensor verdoppelt daher die aus dem Licht umgewandelte Ladung auf ein Niveau, auf dem sie nicht durch Rauschen beeinträchtigt wird.
Durch die Verdoppelung der Ladung wird auch das elektrische Signal verdoppelt, sodass die Schattierung des ausgegebenen Bildes deutlicher wird. Auf diese Weise können EMCCD-Kameras selbst in Mikroskopen, Teleskopen und anderen Anwendungen, bei denen geringe Lichtstärken erfasst werden müssen, Bilder mit ausreichender Schattierung aufnehmen, um von praktischem Nutzen zu sein.
Aufbau der EMCCD-Kamera
Eine EMCCD-Kamera besteht aus einem CCD-Sensorteil und zwei Mechanismen, die als Gain-Register bezeichnet werden.
1. CCD-Sensorteil
Durch das Anlegen unterschiedlicher Spannungen an Elektroden auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats der CCD-Sensoreinheit werden Potenzialtöpfe erzeugt. Wenn Licht von der CCD-Sensoreinheit empfangen wird, wird aufgrund des photoelektrischen Effekts eine Ladung erzeugt.
Nachdem die Ladung in der Potenzialmulde aufgefangen wurde, wird sie bei herkömmlichen CCDs durch einen Wechselstromwandler digitalisiert. Bei EMCCDs hingegen wird die Ladung vor der Digitalisierung zur Ladungsverdopplung in das Gain-Register transportiert.
2. Verstärkungsregister
Das Gain-Register ist ein Mechanismus zur Verdoppelung der vom CCD-Sensorteil gesendeten Ladung. Es macht sich das Phänomen zunutze (Stoßionisationsphänomen), bei dem während des Elektronentransfers ein hohes elektrisches Feld angelegt wird, um ein neues Elektron-Loch-Paar in einem hochenergetischen Zustand zu erzeugen.
Weitere Informationen über EMCCD-Kameras
Rauschfaktoren
Das EMCCD-Rauschen kann in die folgenden vier Kategorien eingeteilt werden, für die jeweils Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen.
1. Festes Musterrauschen
Hierbei handelt es sich um Rauschen, das durch Schwankungen in der Empfindlichkeit der einzelnen Pixel des CCD-Sensors entsteht.
2. Schussrauschen
Hierbei handelt es sich um Rauschen, das von der Anzahl der auf den CCD-Sensor auftreffenden Photonen abhängt. Wenn die Anzahl der Photonen zunimmt, nimmt auch das Schrotrauschen zu.
3. Dunkles Schrotrauschen
Der Strom, der im CCD-Sensor erzeugt wird, wenn keine Photonen eintreffen, wird als Dunkelstrom bezeichnet. Das Dark-Shot-Rauschen ist das durch den Dunkelstrom verursachte Rauschen und kann durch eine Reduzierung des Dunkelstroms verringert werden.
4. Ausleserauschen
Hierbei handelt es sich um Rauschen, das durch die Hardware der Kamera, einschließlich des CCD-Sensors, verursacht wird.