No pain, no gain – Fachterminologie kurz erklärt

Ausgabe 170 (9/2023)

No pain, no gain – Fachterminologie kurz erklärt

Wenn Sie auch Schmerzen beim Lesen von Detektor-Datenblättern empfinden, dann ist dieser Artikel vielleicht goldrichtig. Auf einen häufig vorkommenden Begriff möchten wir näher eingehen. Der aus dem Sport entlehnte Titel deutet es an: Es soll um den gain gehen. Der gain, englisch für Gewinn, bezeichnet den Umrechnungsfaktor zwischen Elektronen und A/D counts. Etwas genauer beschreibt der pre-amplifier gain die Sensitivität der A/D-Wandlung. Diese Größe wird vom Hersteller in der Einheit counts/e- oder reziprok in e-/count angegeben. Sie ist abhängig von anderen Größen, wie dem Fassungsvermögen eines Pixels für Elektronen (pixel well capacity) und dem Ausleserauschen (read noise). Das Verhältnis aus der maximalen Pixelkapazität und dem minimalen Ausleserauschen bezeichnet man als dynamischen Bereich. Es ist sinnvoll, diesen Bereich auf die zur Verfügung stehende Anzahl von Graustufen abzubilden. Bei einem 16 bit A/D-Wandler sind das 65536 Werte. Eine typische Wahl für den pre-amplifier gain bei Sensoren mit 26 µm großen Pixeln liegt ungefähr beim Wert 15 e-/counts, weil das Fassungsvermögen der Registerpixel circa 106 Elektronen beträgt. Eine weitere Möglichkeit, den gain einzustellen, ist für den Fall vorgesehen, möglichst empfindlich zu messen. Dafür ist es nötig, den Faktor auf einen Wert unterhalb des Ausleserauschens festzulegen, um sehr kleine Intensitäten ausreichend genau zu bestimmen. Bei dieser Einstellung ist jedoch selten die maximale Pixelkapazität messbar, weil sie außerhalb des 16-bit zählenden Wertebereichs liegt.
Darüber hinaus ist das Ausleserauschen, bei einigen Sensoren auch die Pixelkapazität, geschwindigkeitsabhängig. Viele wissenschaftliche Kameras lassen sich mit unterschiedlichen Ausleseraten auslesen, um entweder die Bildrate zu erhöhen oder das Rauschen zu verringern. Weil die Ausleserate das Rauschen und damit den minimal messbaren Wert beeinflusst, wird der gain für jede Ausleserate getrennt angepasst. Der anschließend bestimmte gemessene Wert wird später benötigt, um aus den Bilddaten physikalisch vergleichbare Intensitätswerte zu gewinnen. Er ist im Testprotokoll, das jeder Andor Kamera beiliegt, dokumentiert. Das ist der Grund, warum bei vielen CCD-Detektoren zwei oder sogar drei unterschiedliche Gain-Einstellungen pro Ausleserate wählbar sind. Die optimale Wahl besteht meistens darin, einen Kompromiss zwischen Bildrate oder der erforderlichen Dynamik (d.h. hohe und niedrige Intensitäten) und dem kleinsten Ausleserauschen zu finden.
Der gain lässt sich experimentell bestimmen, indem man in einer homogen ausgeleuchteten Region den Mittelwert bestimmt, um den Bias-Offset korrigiert und anschließend gegen die Varianz der betrachteten Pixel in einem Diagramm aufträgt. Die Steigung der angepassten Geraden ist der gain (siehe Abb.). Bevor Sie aktiv werden und das Experiment selbst durchführen, lassen Sie sich gewarnt sein: In der Praxis funktioniert diese einfache Methode nicht. Die experimentell ermittelte Varianz ist aufgrund von herstellungsbedingten Abweichungen der CCD-Oberfläche größer als der tatsächliche Wert und führt zu einer Unterschätzung. Außerdem lässt sich eine inhomogene Ausleuchtung nicht vollständig vermeiden.
Bei Kameras mit eingebauter Verstärkung gibt es auch den sogenannten EM gain (bei electron multiplying CCDs) und den MCP gain (bei ICCDs). Diese unterscheiden sich dadurch, dass sie die registrierten Photoelektronen tatsächlich physikalisch verstärken. Bei EMCCDs geschieht dies im Ausleseregister auf dem Sensor selbst, bei ICCDs im Bildverstärker, der über einen Phosphorschirm optisch mit dem Bildsensor gekoppelt ist. Diese echte Verstärkung liegt typischerweise zwischen einem Faktor 1 und 1000 und kann linear oder nicht-linear sein. MCP gain erhöht die Signalstärke auf Kosten der Dynamik, während es bei EMCCDs einen kleinen Bereich gibt, in dem die Dynamik sogar steigt. Dies liegt am größeren Fassungsvermögen der Registerpixel im Vergleich zu Pixeln im Bildbereich.
Also merke: Gain ist nicht gleich gain, und ohne Schmerzen kein Gewinn. Das gilt für die Elektronik, genauso wie im Sport und auch im Geschäftlichen. Ich hoffe, damit etwas Licht auf diesen häufig verwendeten Fachbegriff geworfen zu haben. Für weitere Fragen zu den Kameras und Detektoren unserer Lieferanten ANDOR und ADVACAM stehen unsere Mitarbeiter gerne zur Verfügung. Bitte wenden Sie sich an Ihren regional zuständigen Ansprechpartner aus der Abteilung Spektroskopie & Imaging: