עוד שרגישות לאור היא נושא חשוב במפרט טכני של כל חישני תמונה, ליישומים מסוימים נדרשים התקנים בעלי יכולת פעולה בתנאים של תאורה נמוכה ביותר, מעבר לטווח שבו אפשר להשתמש בחישני תמונה סטנדרטיים. בין אם מדובר בגילוי סמן פלואורוצנטי שנצפה במיקרוסקופ, בתמונה של רשתית עין שנקלטת במצלמה לבדיקת קרקעית העין או בתמונה לפיקוח אבטחה המתקבלת בלילה חסר ירח ועננים, הטכנולוגיות שמאפשרות הדמאה בתאורה נמוכה ביותר – המאפשרות לכידה של תמונה ב-30 מסגרות בשנייה (fps) בעוצמות תאורה נמוכות שמגיעות עד 0.1 לוקס – יכולות להיות קריטיות להצלחה.
איור Intra-scene Switchable Gain Output .1
בעבר, טכנולוגיית התקני צימוד מטען בהכפלת אלקטרונים (EMCCD) אפשרה ללכוד תמונות (סצינות) בהצלחה רבה ברמות תאורה נמוכות. טכנולוגיה זו משתמשת במטען קטן ביותר, שגילויו נעשה בפיקסל הנתון בתאורה נמוכה, ומכפילה אותו פעמים רבות לפני שהוא מועבר למגבר של החיישן, ובכך מאפשרת להעלות את רמת האות הנמוכה, שמלכתחילה אינה ברורה דיה, אל מעל לרצפת הרעש של המגבר לצורך גילוי. בעוד שטכנולוגיה זו מצוינת בלכידת תמונה בתנאי תאורה נמוכה – אפילו עד כדי גילוי פוטונים בודדים – רצף הדרגות (cascade) של הכפלת האלקטרונים עלול להגיע למצב גלישה וליצור תופעות שווא (artifact) מסוג ׳פריחה׳ (blooming) אם רמות האות שנכנס לאוגר EMCCD גבוהות מדי, ובכך יגבילו את השימוש בחיישנים שפועלים בטכנולוגיה זו לתמונות שלא כוללות רכיבים בהירים, בכלל. בנוסף, הטכנולוגיה “העברת מסגרת שלמה” (Full Frame Transfer) שמשמשת באופן מסורתי בתכנוני EMCCD, מגבילה את הרזולוציה שמתקבלת מהתקנים אלו עד למגה פיקסל אחד או פחות, ומצמצמת את איכות התמונה המרחבית שמתקבלת כאשר הטכנולוגיה הזו משמשת ביישומי וידיאו.
טכנולוגיית EMCCD, עם העברה בין השורות (Interline Transfer), עונה על המגבלות האלו באופן ישיר, על ידי שילוב הרגישות לתאורה נמוכה שמתקבלת מאוגר המוצא להכפלת האלקטרונים עם אחידות תמונה, דרגת הרזולוציה והתריס האלקטרוני הכולל (global shutter) של התקן CCD, עם העברה בין שורות. שילוב זה מאפשר פיתוח חישני תמונה שיכולים ללכוד באופן רציף מצבי תאורה נמוכה ביותר ועד מצבי תאורה בעוצמה גבוהה, בתכנונים שיכולים להגיע עד רזולוציה של מגה פיקסלים מרובים.
לתכונת ההגבר הניתן למיתוג בתוך תמונה יש חשיבות רבה עבור טכנולוגיה זו, משום שהיא מונעת את הגלישה באוגר המוצא של התקן EMCCD בתנאים של תאורה בעוצמה גבוהה, על ידי כך שהיא מאפשרת להכפיל באופן בררני רק אותם חלקי תמונה, שלהם נדרשת הכפלה. התכנון של מוצא זה מוצג באיור 1, כאשר המטען המופק מכל פיקסל מועבר דרך צומת חישה ללא הרס, שאותו המעגל האלקטרוני שמשמש לבקרה של המצלמה יכול לקרוא, כדי לספק מדידה ראשונית של עוצמת האות של כל פיקסל. מידע זה משמש להפעלת מתג בחיישן שמנתב את חבילות המטען לאחד מבין שני מוצאים, בהתבסס על סף שנבחר על ידי המצלמה.
פיקסלים עם רמות מטען גבוהות (שמתאימות לחלקים בהירים של התמונה) מנותבים למוצא של התקן CCD סטנדרטי לצורך המרה למתח, לעומת פיקסלים עם רמות מטען נמוכות (שמתאימות לחלקים כהים של התמונה) מנותבים למוצא של התקן EMCCD לצורך הגברה נוספת, לפני המרה למתח. שני מערכי נתונים אלו, עוברים לאחר מכן מיזוג אשר יוצר את התמונה הסופית. מאחר שהמטען מהפיקסלים עם רמות המטען הגבוהות לא מועבר אל אוגר EMCCD, ארכיטקטורת המוצא הזו מאפשרת גילוי של רמות תאורה נמוכות מאוד וגם רמות תאורה גבוהות, ועם זאת מניעה מתופעות שווא בתמונה, הכרוכות בגלישה של אוגר המוצא של התקן EMCCD.
אפשר לראות את היכולת הרבה של טכנולוגיה זו באיור 2 שבו מוצגות תמונות שנלכדו של סצנה יחידה שכוללת אור בהיר וצללים חשוכים, כאשר החלק החשוך ביותר בתמונה מואר רק באור ירח או באור כוכבים.
חיישן תמונה מסורתי (התמונה השמאלית באיור 2) מציג היטב את החלק הבהיר של התמונה, אבל הוא חסר את הרגישות “לראות” את החלק החשוך ביותר של התמונה. את הקונפיגורציה של התקן EMCCD מסורתי (באמצע) אפשר להגדיר כך שיציג את החלק החשוך מאוד של התמונה, אבל כאשר ההגבר מכוון באופן שמאפשר הדמאה בתאורה כה נמוכה, תופעות שווא מהחלק הבהיר של התמונה יהרסו את שלמות התמונה. טכנולוגיית EMCCD עם העברה בין השורות (מימין) מאפשרת ליצור הדמאה רציפה של התמונה מהחלק הבהיר ביותר אל החלק החשוך ביותר של התמונה, כאשר אפשר להרחיב את החלק “החשוך” עד לעוצמת הארה של אור ירח או אור כוכבים בלבד.
איור A scene with both bright and very dark components, imaged by .2
a standard IT-CCD (left), a standard EMCCD (center), and an Interline
Transfer EMCCD device (right(
טכנולוגיית EMCCD עם העברה בין שורות, שעברה ממעבדות המחקר לשימוש בהתקנים שבייצור, משמשת כיום במשפחה מתרחבת של מוצרים. בחיישן התמונה KAE-02150 של On Semiconductor משתמשים בטכנולוגיית EMCCD עם העברה בין השורות כדי לאפשר לכידה של תמונה בתאורה נמוכה ברזולוציה של 1080 פיקסלים (1920X1080) תוך כדי פעולה ב- 30 מסגרות בשנייה, ולכן הוא מתאים לשימוש ביישומים של אבטחה, פיקוח ומודעות למצבים (situational awareness) שלהם נדרשת יכולת לכידת תמונה ברגישות גבוהה עם קצבים של העברת מסגרות וידיאו. למקרים בהם יש צורך ברזולוציה גבוהה יותר, חיישן התמונה KAE-08151 , בעל רזולוציה של 8 מגה פיקסל (2856X2856) מתוכנן עם יחס רוחב גובה (aspect ratio) ריבועי ועם אלכסון של 22 מ”מ, שמותאם למבנה האופטי המובנה של מיקרוסקופים מדעיים רבים או של ציוד רפואי אחר. בהתבסס על השיפורים המסופקים באמצעות טכנולוגיית EMCCD עם העברה בין שורות, ההתקנים האלו הופכים להיות הראשונים ברמה החדשה של חישני תמונה, שמגיעים לרמות גבוהות של ביצועים בתנאים של תאורה נמוכה.
