光靈敏度是所有影像感測器的一個重要指標,一些應用需要設備能在超出標準影像感測器能力範圍的極微光條件下工作。無論是檢測顯微鏡下看到的螢光標記物、眼科的眼底照相機捕獲到的視網膜影像,還是無雲無月的夜晚下的監控影像,採用能在低至0.1流明(lux)的光照條件下捕獲30fps影像的極微光成像技術,是成功的關鍵。

過去,電子倍增電荷耦合元件(electron multiplying charge-coupled device,EMCCD)技術已成功地應用於極微光水準擷取畫面。該技術在微光下測量畫素內的極小電荷,並在到達感測器的放大器之前多次倍增,將最初無法解析的低訊號電平提高到放大器雜訊基準(Noise Floor)以上進行檢測。雖然這種技術適於在低至單個光子的微光水準下捕獲影像,但如果進入EMCCD暫存器的訊號電平太高,電子倍增級聯會溢出並產生暈狀偽影(blooming artifacts),採用這種技術的感測器僅限於在不含任何明亮元素的場景中使用。此外,通常用於EMCCD設計的全幀轉移技術將這些設備的解析度限制在100萬畫素或更低的水準,也使視頻應用中採用這種技術的空間影像品質受到了制約。

行間轉移EMCCD(Interline Transfer EMCCD,IT-EMCCD)技術將電子倍增輸出暫存器的微光靈敏度與影像均勻度、解析度縮放,以及Interline Transfer CCD的電子全域快門功能結合,直接解決上述問題。這促成了在達幾百萬畫素解析度的設計中使用能夠連續捕獲極微光到明亮光的影像感測器。

該技術性能的關鍵在於內部場景可切換增益特性,透過有選擇地只對需要的場景進行倍增,來避免明亮光照條件下EMCCD輸出暫存器的溢出。該輸出設計如圖1所示,其中每一畫素的電荷透過一個可由攝影機控制電子元件讀取的非破壞性傳感節點,以提供每一畫素訊號電平的初始測量。此資訊用於驅動感測器中的一個開關,根據相機選擇的一個閾值,將電荷資料包路由到兩個輸出之一。

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圖 1 內部場景可切換增益輸出。



具有高電荷電平的畫素(對應於影像的明亮部分)被路由到一個標準的CCD輸出以轉換為電壓,而具有低電荷電平的畫素(對應於影像的黑暗部分)被路由到EMCCD輸出以在轉換為電壓前額外放大,然後這兩組資料集被合併以生成最終的影像。由於具有高電荷電平的畫素電荷不進入EMCCD暫存器,採用這種輸出架構,在極微光水準和明亮光水準下的影像都能夠被檢測到,避免因EMCCD輸出暫存器的溢出而產生影像偽影。

圖2顯示了包括明亮光和極暗陰影的單個場景的影像擷取,其中影像最暗的部分僅有月光或星光照亮。

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圖2 具有明亮和極暗光的場景,分別由標準IT-CCD(左)、標準EMCCD(中)、和Interline Transfer EMCCD元件(右)成像。



傳統的影像感測器(圖2左圖)很好地捕捉影像的明亮部分,但沒有敏感地「看到」影像中最暗的部分。傳統的EMCCD(中)可以配置以便在場景中最暗的部分成像,但是當調大增益來促成微光成像時,場景明亮部分的偽影破壞影像的完整性。Interline Transfer EMCCD技術(右圖)能從影像最明亮到最暗部分連續成像,甚至可以「暗」至只有月光或星光照明。

從實驗室到生產元件,Interline Transfer EMCCD技術一路走來,已有越來越多應用導入。由於採用 Interline Transfer EMCCD新技術,許多應用設備能在微光條件下獲得高性能。