光灵敏度是所有图像传感器的一个重要指标,一些应用需要设备能在超出标准图像传感器能力范围的极微光条件下工作。无论是检测显微镜下看到的荧光标记物、眼科的眼底照相机捕获到的视网膜图像,还是无云无月的夜晚下的监控图像,采用能在低至0.1勒克斯的光照条件下捕获30fps图像的极微光成像技术,是成功的关键。

过去,电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)技术已成功地应用于极微光水平捕获场景。该技术在微光下测量像素内的极小电荷,并在到达传感器的放大器之前多次倍增,将最初无法解析的低信号电平提高到放大器底噪以上进行检测。虽然这种技术适于在低至单个光子的微光水平下捕获图像,但如果进入EMCCD寄存器的信号电平太高,电子倍增级联会溢出并产生晕状伪(blooming artifacts),采用这种技术的传感器仅限于在不含任何明亮元素的场景中使用。此外,通常用于EMCCD设计的全帧转移技术将这些设备的分辨率限制在1百万像素或更低的水平,也使视频应用中采用这种技术的空间图像质量受到了制约。

Interline Transfer EMCCD技术将电子倍增输出寄存器的微光灵敏度与图像均匀度、分辨率缩放、以及Interline Transfer CCD的电子全局快门功能结合起来,直接解决了上述问题,这促成了在达几百万像素分辨率的设计中使用能够连续捕获极微光到明亮光的图像传感器。

该技术性能的关键在于内部场景可切换增益特性,通过有选择地只对需要的场景进行倍增,来避免明亮光照条件下EMCCD输出寄存器的溢出。该输出设计如图1所示,其中每一像素的电荷通过一个可由摄像机控制电子器件读取的非破坏性传感节点,以提供每一像素信号电平的初始测量。此信息用于驱动传感器中的一个开关,根据摄像机选择的一个阈值,将电荷数据包路由到两个输出之一。

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图1:内部场景可切换的增益输出

具有高电荷电平的像素(对应于图像的明亮部分)被路由到一个标准的CCD输出以转换为电压,而具有低电荷电平的像素(对应于图像的黑暗部分)被路由到EMCCD输出以在转换为电压前额外放大。然后这两组数据集被合并以生成最终的图像。由于具有高电荷电平的像素电荷不进入EMCCD寄存器,采用这种输出架构,在极微光水平和明亮光水平下的图像都能够被检测到,避免了因EMCCD输出寄存器的溢出而产生图像伪影。

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图2显示了包括明亮光和极暗阴影的单个场景的图像捕获,其中图像最暗的部分仅有月光或星光照亮。

传统的图像传感器( 图2中的左图)很好地捕获了图像的明亮部分,但没有敏感地“看到”图像中最暗的部分。传统的EMCCD(中图)可以配置以便在场景中最暗的部分成像,但是当调大增益来促成微光成像时,场景明亮部分的伪影破坏了图像的完整性。Interline Transfer EMCCD技 术(右图)能从图像最明亮到最暗部分连续成像,甚至可以“暗”至只有月光或星光照明的情形。

从实验室到生产器件,Interline Transfer EMCCD技术一路走来,如今已用于越来越多的产品系列。安森美半导体的KAE-02150图像传感器采用Interline Transfer EMCCD技术,具备1080p解析度以及30fp s帧率,能够微光成像,适于安防、监控、以及需要以视频帧速率进行高灵敏度图像捕获的情境感知应用。

为了满足更高分辨率的需求,800万像素(2856×2856)KAE-08151图像传感器的设计采用对角线为22毫米的正方形,与许多科学显微镜和其它医疗设备的原光学格式相配。由于采用了Interline Transfer EMCCD新技术,这些设备是首批在微光条件下获得高性能的新一类图像传感器。

作者:Michael DeLuca,安森美半导体图像传感器部工业和安全分部市场营销经理

《电子技术设计》2016年12月刊版权所有,谢绝转载。

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