EMCCD芯片結(jié)構(gòu)

EMCCD(Electron Multiplying Charge Coupled Device)全稱是電子倍增電耦合器件，它與普通CCD的最大區(qū)別在于多了一個片內(nèi)倍增寄存器。

在倍增寄存器中分布有倍增電極，倍增電極的作用是加速載流子能量，速度很高的電子會激發(fā)出更多的載流子，從而對信號進(jìn)行放大，相比之下讀出噪聲變得可以忽略，因此，EMCCD可以探測極其微弱的信號。

EMCCD是幀轉(zhuǎn)移型(Frame Transfer)芯片，芯片結(jié)構(gòu)如下圖所示。EMCCD主要有兩種工作模式：幀轉(zhuǎn)移模式(Frame Transfer)和全幀模式(Full Frame)，下面為大家分別介紹一下EMCCD的工作原理。

幀轉(zhuǎn)移模式(Frame Transfer)

首先感光區(qū)域曝光指定的時間，曝光結(jié)束后電荷迅速轉(zhuǎn)移到幀轉(zhuǎn)移存儲區(qū)，感光區(qū)域立刻進(jìn)入下一次曝光，與此同時，幀轉(zhuǎn)移存儲區(qū)的電荷從上到下逐行進(jìn)入讀出寄存器進(jìn)行放大和數(shù)字化。

因此在幀轉(zhuǎn)移工作模式下，芯片曝光時間可設(shè)定的值應(yīng)該大于或等于每一幅圖像的讀出時間，下圖為典型的幀轉(zhuǎn)移工作模式時序圖。

幀轉(zhuǎn)移工作模式時序圖

在讀出過程，若選擇使用倍增模式，電荷即進(jìn)入倍增寄存器，進(jìn)行成百上千倍的放大，然后讀出并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

若選擇普通CCD模式，電荷即進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)串行寄存器，然后讀出并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

倍增模式主要適用于信號較弱和需要高幀頻的應(yīng)用，普通CCD模式可獲得較高的動態(tài)范圍和較低的讀出噪聲。

全幀模式(Full Frame)

在全幀模式下，用戶可以設(shè)定任意的曝光時間，此處應(yīng)該與幀轉(zhuǎn)移工作模式加以區(qū)分。

全幀工作模式與普通的全幀型CCD工作原理基本一致，主要包括以下幾個步驟：

1、 清除CCD上的殘余電荷;

2、 曝光設(shè)定的時間;

3、 電荷從感光區(qū)轉(zhuǎn)移到幀轉(zhuǎn)移存儲區(qū);

4、 電荷放大讀出。

下圖為典型的全幀工作模式時序圖，需要注意的是：全幀工作模式下，在讀出過程中，芯片感光區(qū)域不進(jìn)行曝光，因此全幀模式的幀頻一般都低于幀轉(zhuǎn)移模式。

全幀工作模式時序圖 全幀工作模式時序圖

審核編輯：湯梓紅