EMCCD芯片結構

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

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出更多的載流子，從而對信號進行放大，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是幀轉移型(Frame Transfer)芯片，芯片結構如下圖所示。EMCCD主要有兩種工作模式：幀轉移模式(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。

幀轉移模式(Frame Transfer)

首先感光區域曝光指定的時間，曝光結束后電荷迅速轉移到幀轉移存儲區，感光區域立刻進入下一次曝光，與此同時，幀轉移存儲區的電荷從上到下逐行進入讀出寄存器進行放大和數字化。

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

幀轉移工作模式時序圖

在讀出過程，若選擇使用倍增模式，電荷即進入倍增寄存器，進行成百上千倍的放大，然后讀出并進行A/D轉換。

若選擇普通CCD模式，電荷即進入標準串行寄存器，然后讀出并進行A/D轉換。

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

全幀模式(Full Frame)

在全幀模式下，用戶可以設定任意的曝光時間，此處應該與幀轉移工作模式加以區分。

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、 曝光設定的時間;

3、 電荷從感光區轉移到幀轉移存儲區;

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，芯片感光區域不進行曝光，因此全幀模式的幀頻一般都低于幀轉移模式。

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