Ein entscheidendes Kriterium bei der Wahl eines Bildsensors ist dessen Lichtempfindlichkeit. Aus dieser wichtigen Kenngröße ergibt sich, ob ein Sensor auch unter schlechten Lichtverhältnissen beziehungsweise bei schlechter Ausleuchtung arbeiten kann.

eCKDATEN

Auf Basis der Interline-Transfer-EMCCD-Technik lassen sich Bildsensoren wie der KAE-08151 von On Semiconductor herstellen, die auch bei schlechten Lichtverhältnissen gute Aufnahmen ermöglichen und an die Bildaufbereitung in der professionellen Mikroskopie mit Lichtverhältnissen von Sub-Lux bis hellem Umgebungslicht angepasst sind.

Ob es um das Erkennen fluoreszierender Marker unter einem Mikroskop, ein Abbild der Netzhaut mit einer ophthalmologischen Funduskamera oder um Bilder eines Überwachungssystems in einer wolken- und mondlosen Nacht geht ist Technologie, die Bilder bei schlechtem Umgebungslicht mit 30 Bilder pro Sekunde bei einer Beleuchtung ab 0,1 Lux erassen kann, unabdingbar.

EMCCD-Technik

Die Aufbereitung solcher Bilder kann mit der EMCCD-Technik (Electron Multiplication Charge Coupled Device) erfolgen. Diese nutzt die sehr kleine Ladung, die in einem Pixel erfasst wird, und multipliziert sie um ein Vielfaches, bevor sie den Verstärker des Sensors erreicht. Zuvor nicht verarbeitbare Signale mit niedrigem Pegel lassen sich aufgrund der Verstärkung erfassen.

Bild 1: Szeneninterner schaltbarer Verstärkungsausgang.

Bild 1: Szeneninterner schaltbarer Verstärkungsausgang. On Semiconductor

Obwohl die EMCCD-Technik bei schlechten Lichtverhältnissen (selbst beim Erkennen einzelner Photonen) unübertroffen ist, kann ein Overflow in der Elektronenvervielfachungskaskade auftreten und Artefakte erzeugen, wenn zu hohe Signalpegel in das EMCCD-Register gelangen. Dies schränkt den Sensor auf Bereiche ein, die keine hellen Bestandteile beziehungsweise Komponenten enthalten. Hinzu kommt, dass die Full-Frame-Transfertechnik, wie sie in EMCCD-Designs zum Einsatz kommt, die mögliche Auflösung der Sensoren auf etwa ein Megapixel oder weniger verringert. Darunter leidet die räumliche Bildqualität in Video-Anwendungen.

IT-EMCCD-Technik

Lösen lässt sich diese Problematik mit der Interline-Transfer-EMCCD-Technik, die hohe Empfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen mithilfe eines Ausgangsregisters zur Elektronenvervielfachung mit Eigenschaften der Interline-Transfer-CCD-Technik kombiniert. Diese Kombination ermöglicht die Entwicklung von Bildsensoren, die durchgehend – von schlechten Lichtverhältnissen bis hin zu hellem Licht – auch in Designs mit Auflösungen von mehreren Megapixel zum Einsatz kommen können.

Entscheidend dafür ist eine szeneninterne schaltbare Verstärkungsfunktion (Intra Scene Switchable Gain), die einen Überlauf im EMCCD-Ausgangsregister bei heller Beleuchtung verhindert, indem eine selektive Vervielfachung der Bereiche erfolgt, für die diese erforderlich ist. Bild 1 beschreibt diesen Aufbau, wobei Ladung von jedem Pixel durch einen nicht-destruktiven Sensorknoten fließt, die von der Kameraelektronik erfasst wird, um eine erste Messung des Signalpegels für jedes Pixel durchzuführen. Diese Information steuert einen Schalter im Sensor, der Ladungspakete je nach kameraseitig gewähltem Schwellenwert an einen oder zwei Ausgänge weiterleitet.

Dunkle und helle Bildbereiche erkennen

Pixel mit großen Ladungswerten (helle Bildbereiche) gelangen an einen Standard-CCD-Ausgang und werden in eine Spannung gewandelt. Pixel mit niedrigen Ladungswerten (dunkle Bildbereiche) werden an den EMCCD-Ausgang geleitet und weiter verstärkt, bevor die Umwandlung in eine Spannung erfolgt. Beide Datensätze werden dann zum Erstellen des eigentlichen Bildes miteinander vereint. Da die Ladung von Pixeln mit großen Ladungswerten nicht in das EMCCD-Register gelangt, erkennt dieser Ausgang sowohl sehr dunkle als auch sehr helle Bereiche, was Artefakte in Bezug auf einen Überlauf des EMCCD-Registers vermeidet.

Bild 2a: Eine Aufnahme mit hellen und dunklen Bereichen, aufgenommen mit einem Standard IT-CCD.

Bild 2a: Eine Aufnahme mit hellen und dunklen Bereichen, aufgenommen mit einem Standard IT-CCD.

On Semiconductor

Bild 2b: Aufnahme mit einem Standard-EMCCD.

Bild 2b: Aufnahme mit einem Standard-EMCCD. On Semiconductor

Bild 2c: Aufnahme mit einem Interline-EMCCD-Baustein.

Bild 2c: Aufnahme mit einem Interline-EMCCD-Baustein. On Semiconductor

Bild 2 verdeutlicht die Eigenschaften dieser Technologie. Zu sehen ist eine Aufnahme mit hellen Bereichen und dunklen Schatten, wobei der dunkelste Bereich einer Beleuchtung durch Mond- oder Sternenlicht entspricht.

Ein herkömmlicher Bildsensor (Bild 2, links) stellt den hellen Bildteil gut dar, verfügt aber nicht über die Empfindlichkeit, die dunkelsten Teile des Bildes zu erkennen. Ein herkömmlicher EMCCD (Bild 2, Mitte) ist so konfigurierbar, dass er die dunkelsten Bereiche eines Bildes darstellt. Bei einer erhöhten Verstärkung zur Darstellung des Bildes bei schlechten Lichtverhältnissen stören Artefakte aus dem hellen Bildteil die Bildintegrität. Interline-Transfer-EMCCD-Technologie (Bild 2, rechts) ermöglicht eine durchgehende Darstellung vom hellsten bis zum dunkelsten Bildteil. Dunkel lässt sich dabei mit Beleuchtungsstärken unter Mond- oder Sternenlicht interpretieren.

1080p und 30 Bilder pro Sekunde

Nach dem Übergang von der Forschung in die Serienfertigung basieren nun immer mehr Bildsensoren auf der Interline-Transfer-EMCCD-Technologie. So zum Beispiel der Bildsensor KAE-02150 von On Semiconductor, der Aufnahmen mit einer Auflösung von 1080p (1920 Pixel x 1080 Pixel) und 30 Bilder pro Sekunde bei schlechten Lichtverhältnissen ermöglicht. Der Sensor eignet sich für Sicherheits- und Überwachungsanwendungen sowie zur Situationserkennung, was eine hochempfindliche Bilderfassung mit Video-Bildraten erfordert.

Für höhere Auflösungen steht der Bildsensor KAE-08151 mit 8 Megapixel (2856 Pixel x 2856 Pixel) zur Verfügung, der ein quadratisches Seitenverhältnis mit einer Diagonalen von 22 mm aufweist und sich somit für das optische Format von wissenschaftlichen Mikroskopen und anderer medizinischer Geräte eignet.