EMCCD的工作原理

EMCCD芯片结构

EMCCD(Electron Multiplying Charge Coupled Device)全称是电子倍增电耦合器件，它与普通CCD的最大区别在于多了一个片内倍增寄存器。

在倍增寄存器中分布有倍增电极，倍增电极的作用是加速载流子能量，速度很高的电子会激发出更多的载流子，从而对信号进行放大，相比之下读出噪声变得可以忽略，因此，EMCCD可以探测极其微弱的信号。

EMCCD是帧转移型(Frame Transfer)芯片，芯片结构如下图所示。EMCCD主要有两种工作模式：帧转移模式(Frame Transfer)和全帧模式(Full Frame)，下面为大家分别介绍一下EMCCD的工作原理。

帧转移模式(Frame Transfer)

首先感光区域曝光指定的时间，曝光结束后电荷迅速转移到帧转移存储区，感光区域立刻进入下一次曝光，与此同时，帧转移存储区的电荷从上到下逐行进入读出寄存器进行放大和数字化。

因此在帧转移工作模式下，芯片曝光时间可设定的值应该大于或等于每一幅图像的读出时间，下图为典型的帧转移工作模式时序图。

帧转移工作模式时序图

在读出过程，若选择使用倍增模式，电荷即进入倍增寄存器，进行成百上千倍的放大，然后读出并进行A/D转换。

若选择普通CCD模式，电荷即进入标准串行寄存器，然后读出并进行A/D转换。

倍增模式主要适用于信号较弱和需要高帧频的应用，普通CCD模式可获得较高的动态范围和较低的读出噪声。

全帧模式(Full Frame)

在全帧模式下，用户可以设定任意的曝光时间，此处应该与帧转移工作模式加以区分。

全帧工作模式与普通的全帧型CCD工作原理基本一致，主要包括以下几个步骤：

1、 清除CCD上的残余电荷;

2、 曝光设定的时间;

3、 电荷从感光区转移到帧转移存储区;

4、 电荷放大读出。

下图为典型的全帧工作模式时序图，需要注意的是：全帧工作模式下，在读出过程中，芯片感光区域不进行曝光，因此全帧模式的帧频一般都低于帧转移模式。

全帧工作模式时序图 全帧工作模式时序图

审核编辑：汤梓红