Interline Transfer EMCCD技术为低于1勒克斯的高动态范围成像开启大门收藏

　　无论什么市场或是应用，光照是捕获一个好图像的关键对于在摄影棚工作的专业摄影师以及工业成像应用如机器视觉的设计人员，往往可以完全控制应用的光照，无论我们的目标是开发一个具有均匀光照还是高对比度的场景光照可以根据需要调节、添加或修改，以优化整体捕获的场景。

　　但是，当无法控制场景中的光照时，情况变得更加复杂，例如在户外虽然在一个阳光灿烂的日子这可能不是一个显著的问题，但在场景中的光照不受控制的夜间正常地捕获可能更困难由于摄像机没有足够的探测能力，黑暗的阴影仍然是黑暗的，不可能判断一个物体（或一个人）是否隐藏在场景的区域中。

　　类似的情况存在于医学或科学显微镜，其中一个细胞结构可能被化学物质标记，所以当它们在紫外光下被照射时以不同的波长发射荧光这种荧光可以非常微弱，所以捕获在这种条件下的图像，同样需要一个可看到“阴影处”的摄像机，即使在最低的光照水平也非常灵敏。

　　为了在像这样具有挑战性的成像条件下工作—无论是看到黑暗小巷的阴影还是在荧光显微镜下看到显微镜里--有两个图像传感器参数非常重要第一个是灵敏度，它决定了摄像机可检测到的最低光照水平虽然灵敏度实际上是多个成像参数的组合，例如读取噪声、响应、量子效率，甚至是图像捕获的曝光时间，它们共同决定了摄像机可以“看到”的最低光水平。

对于一个30fps的图像捕获，一个标准的图像传感器可能有捕获低至个位数勒克斯水平的灵敏度，相当于黄昏或满月的可用光但对于上述情境，这可能是不够的，因为需要扩展图像捕获到低于1勒克斯的系统中，以便深入看到阴影中。

　　第二个关键参数是动态范围，这是对传感器在同一时间可检测到的光照水平范围的量度要想在不受控制的光照条件下捕获图像，如在夜间黑暗的小巷，需要同时具有灵敏度和动态范围—深入看到阴影的灵敏度，和延展图像捕获至场景最明亮的部分而不产生成像伪影或丢失图像细节的动态范围。

　　Interline Transfer EMCCD (IT-EMCCD)器件结合两种不同的技术–Interline Transfer CCD和Electron Multiplication CCD或EMCCD满足这些具有挑战性的微光成像应用的需求，在一个方案中保留两种技术各自最佳的特性。

Interline Transfer CCD为这技术提供高性能的基础，以高均匀度和全局快门（或电子快门）成像，可以捕获移动物体，而不产生运动伪影这项技术还可以扩展到非常高的分辨率，从而可开发出扩展到几百万像素器件的产品。

EMCCD倍增极低光照场景的信号至器件的固有噪声电平以上这驱动图像传感器的有效噪声电平到亚电子水平，和能检测极低的信号-或极低的光照水平通过结合这两种技术，IT-EMCCD器件提供灵活性，令单个摄像机能在有很暗部分的场景中成像，其中暗部光照水平低于1勒克斯，而同时另一区域是明亮的。

　　图1证示了该技术的性能这两幅图像都是在相同的曝光条件下拍摄的，光照水平为0.01力士，相当于明亮夜晚的半月光照对于采用标准CMOS图像传感器捕获的图像，图像中的细节因图像传感器的背景噪声而模糊，这在低信号（或微光）水平下很普遍。

相比之下，Interline Transfer EMCCD图像保留场景中更多的细节，即使在极微光条件下

图1 Standard CMOS：标准的CMOS　　图1：标准的CMOS和IT-EMCCD图像捕获这两幅图像都于0.01勒克斯光照水平下采用f2镜头拍摄，曝光时间为33毫秒　　图2通过显示动态范围在低于1勒克斯的系统的重要性来扩展这个示例。

图示的场景仅由左侧明亮的光照，因此图像中的光照度由左向右在下降一个标准的CCD很好地捕获图像中最亮的部分，但是在场景右边的阴影中有大量的噪声（如圈出的放大部分所示）使用一个标准的EMCCD图像传感器对这些阴影成像没有问题，但左边明亮的光在电子倍增寄存器中引发溢出级联，破坏了图像的完整性。

　　Interline Transfer EMCCD利用两种技术的最佳特性并将其结合，使用一个标准的CCD输出图像的亮部和一个EMCCD输出图像的暗部这扩展了器件的动态范围，超出了其中一种技术单独可提供的，能将场景的全部信息内容捕获在单个图像中。

图2：标准的CCD，标准的EMCCD，和IT-EMCCD图像捕捉　　Standard CCD：标准的CCD　　Standard EMCCD：标准的EMCCD　　IT-EMCCD: IT-EMCCD　　这扩展的动态范围是通过场景内可切换的增益实现的，该技术令个别像素的电荷以像素级的一个像素被发送到标准CCD输出或电子倍增输出。

当读取图像传感器阵列时（图3），每个像素的电荷通过感测节点，令电荷大小以无损的方式被测量这些信息可以通过摄像机的控制电子被读取，为各像素提供信号电平的初始测量，实质上“标记”像素为亮或暗然后，该信息被用于驱动传感器中的一个开关，根据该信号电平将电荷包路由到两个输出之一。

　　Pixel Array：像素阵列　　Output Register：输出寄存器　　Non-Destructive Sensing Node：无损的感测节点　　Camera Control：摄像机控制

　　Standard Output：标准的输出　　Bright：亮　　Pixel level Switch：像素级开关　　Dark：暗

图3：场景内可切换的增益　　高电荷水平的像素（图像的亮部）被路由到一个标准的CCD输出转换为电压，而低电荷水平的像素（图像的暗部）被路由到EMCCD输出，被额外的放大再转换为电压然后结合这两个数据集生成同时捕获场景的亮部和极暗的阴影的最终图像，同时避免了EMCCD输出寄存器溢出相关的图像伪影。

　　总的来说，Interline Transfer EMCCD技术提供了任何单一的成像技术无与伦比的组合的特性电子倍增寄存器实现出色的微光成像，捕获光照水平低于1勒克斯的场景信息Interline Transfer CCD设计提供在一个易于可扩展到高分辨率或彩色成像的架构中的高的图像均匀度。

场景内可切换的增益令器件提供宽线性动态范围-高达92分贝，或40,000:1的范围这使得基于这种技术的器件非常适合微光应用，如监控和智能交通系统、医疗成像如眼科或透视或科学显微镜–要求以非常低的信号电平捕获图像的任何应用，或延展从微光到明亮的光的捕获。

　　如今，安森美半导体的IT-EMCCD产品系列，基于四个独立的器件，涵盖从1080p（或200万像素）到800万像素的分辨率，并提供达30fps的静态或视频捕获具有不同的光灵敏度的选择和摄像机集成选择，能为给定的应用选择最合适的图像传感器。

此外，该系列提供两种不同的像素大小，较大的像素以降低分辨率为代价，为给定的光学格式提供增强的光灵敏度，如图4所示

图4：KAE-08151（5.5微米像素）和KAE-04471（7.4微米像素）图像捕获　　8 megapixel, 5.5 um pixel：800万像素，5.5微米像素　　4 megapixel, 7.4 um pixel：400万像素，7.4微米像素

　　两幅图像都在0.勒克斯的光照下采用f1.4镜头捕获，曝光时间81.5毫秒　　该系列可提供的另一个选择是像素设计增强近红外波长的检测，而不降低图像的清晰度（调制传递函数）这种改进的设计使图像传感器对近红外波长（如850纳米）的灵敏度加倍，这在检测近红外光的应用中很重要。

例如，图5中的两幅图像都是在晚上850纳米的光照下拍摄，显示了汽车牌照和汽车前部由于美国（以及世界上大部分地区）的牌照都设计为反射近红外光，所以它们是显示在这个区域工作的图像传感器性能的一个很好的目标KAE-02152图像中车牌的额外的亮度直接来自该新的像素设计增强的近红外灵敏度。

由于这两个1080p器件彼此完全引脚兼容，所以摄像机制造商易于开发出单个设计来支持这一分辨率节点的两种选择 　　Standard 5.5 um pixel：标准的5.5微米像素　　NIR Enhanced 5.5 um pixel：增强的近红外5.5微米像素

图5：KAE-02150和KAE-02152图像捕获　　两幅图像都是在半月850nm的光照下用f1.4镜头拍摄，曝光时间39毫秒　　IT-EMCCD器件还采用直接集成一个热电冷却器到封装的配置这种冷却——将工作温度降低到10°C或更低——对在极微光条件下工作的器件的性能至关重要，因为它减少了传感器产生的杂散背景信号。

这种集成的封装设计简化了开发冷却的摄像机所需的工作，有助于摄机制造商加快上市进程和提高整体成像性能，而无需关于冷却的摄像机的大量设计专知——所有这些都有助于降低终端用户的摄像机成本

冷却时的封装配置　　Coverglass(taped)：盖玻片 (捆扎)　　Image Sensor Die：图像传感器裸片　　Thermoelectric Cooler：热电冷却器　　Heat Sink in package：封装中的散热器

　　目前该Interline Transfer EMCCD系列共有近30种不同的可订购的器件–分辨率从1080p到800万像素，提供大像素和增强的近红外灵敏度的选择，集成的冷却等等由于不同应用可能有截然不同的特定的成像需求，该系列提供的广泛度对于确定最合适的图像传感器并匹配特定应用的需求至关重要。

　　Interline Transfer EMCCD技术为微光成像打开新的大门，提供所需的高灵敏度以在低于1勒克斯的光照条件下成像，以及所需的灵活性和高动态范围以延展到强光的成像这类新的图像传感器技术使新的选择和新的方案用于最具挑战性的微光成像应用。

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