电子倍增CCD成像自动增益控制算法及其实现(3)
电子倍增CCD是迄今为止真正意义上的固态电荷雪崩成像器件。
Jaroslav Hynecek[10]和Paul Jerram[11]等人的论文论述了EMCCD的基本结构，论述了EMCCD内载流子倍增的基本原理，但没有给出载流子倍增寄存器的倍增模型；Mark Stanford Robbins[12]和Takahiro Nishiwaki[13]则根据噪声因子的定义，推导了EMCCD的噪声因子的理论表达式，同时通过实验测试证明了EMCCD的良好性能。
目前英美等国几家公司已经应用电子倍增技术研发不少器件。英国E2V Technologies公司成功推出了名为L3Vison的电子倍增CCD，宣告了全固态微光成像CCD的诞生，是微光成像领域的划时代革命。美国德克萨斯仪器（Texas Instruments 简称为TI）于1990-3-27 和1994-8-9 申请了美国专利，经过将近十年的探索，TI 推出商业样机系列TC237，TC253 等，商标名为Impactron。其性能已经被证实优于现有微光像增强技术。该技术的特点是高量子效率、高灵敏度、高信噪比、高空间分辨率、高读出速率、高帧速工作和可变的增益控制，可用于制造单光子检测的科学CCD 照相机[14]。
虽然能制造电子倍增CCD芯片的公司仅有E2V和TI，但已有很多公司开始了基于电子倍增CCD探测器芯片的低照度摄像机产品的研发，主要应用在最需要微光和大动态范围的场景，如单分子探测、天文探测、自适应光学、层析摄影、断层摄影、等离子体诊断等。2001年，英国Andor Technology公司发布了世界上第一台基于电子倍增CCD的超高灵敏度相机——iXON,随后又推出了用于光谱学成像的Newton相机。2005年，Andor Technology公司研制出了高性价比的Luca相机，适合普通实验室使用。
2.2 EMCCD的结构与工作原理
2.2.1 EMCCD的结构
典型的帧转移电子倍增CCD由成像区、存储区、读出寄存器、倍增寄存器、倍增寄存器和输出放大器五部分组成，如图2-1所示。成像区与存储区的列数及位数均相同，而且每一列是相互衔接的，不同之处是成像区的面积略大于存储区，存储区、读出寄存器和倍增寄存器表面均有铝层覆盖以实现光屏蔽。
图2-1 EMCCD结构示意图
2.2.2 EMCCD的电荷倍增特性
电子倍增CCD的工作过程如下：
（1）在场正程期间，电子倍增CCD进入积分周期，入射光到达成像区光敏面，经光电转换成信号电荷，成像区的某一相电极加有适当的偏压，信号电荷将被收集到这些电极下方的势阱里。积分周期结束后，进入场逆程。
（2）在场逆程期间，加在成像区和存储区电极上的时钟脉冲将成像区所积累的信号电荷迅速转移到存储区。
（3）场逆程结束后又进入下一场的场正程时间，在场正程时间，成像区再次进入积分状态。存储区与读出寄存器在场正程期间按行周期工作。
（4）在行逆程期间，存储区的驱动脉冲使存储区的信号电荷一行一行垂直移动到读出寄存器中，位于存储区最下面一行的信号电荷首先被转移到读出寄存器中，第N行的信号转移到第N-1行中。
（5）在行正程期间，存储区的电平保持不变，读出寄存器在读出脉冲的作用下将一行信号电荷水平转移到倍增寄存器进行放大增强，最后由低噪声输出放大器转换成电压信号输出。
这样在场正程期间，连续输出一场图像信号。当第一场的信号被读出的同时，第二场的信号电荷通过积分周期又收集到成像区的势阱中。当第一场的信号被全部读出后，第二场的信号马上就会传送给水平寄存器，使之连续地读出[2]。
EMCCD的成像区、存储区和读出寄存器都和普通帧转移CCD 结构相同，但是在读出寄存器和输出放大器间多出了一串倍增寄存器。其倍增寄存器电荷转移过程如图2-2所示。
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