内容介绍
CCD的诞生和工作原理
电荷耦合器件(CCD)是贝尔实验室的威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明的。CCD是在光电效应基础上发展起来的半导体光电器件，从20世纪70年代末开始广泛应用于天文观测。与照相底片和光电倍增管相比，CCD具有量子效率高、动态范围大、线性度好等优点。
图一。CCD的发明者威拉德·博伊尔(左)和乔治·史密斯(右)，他们因为他们的工作获得了2009年诺贝尔物理学奖[1]。
CCD的工作过程主要包括:电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。入射到CCD上的光子激发光电子，光电子汇集在一起形成电荷包，依次从一个像素转移到另一个像素，最后传输到输出端，完成电荷包的测量，如图2 [2]所示。
图二。CCD的工作过程:电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量[2]
CCD的分类
CCD有很多种，比如CCD(全帧CCD，FFCCD)，电子倍增CCD (EMCCD)等等。
全帧CCD具有高密度的像素阵列，可以产生高分辨率的数字图像。读取全帧CCD时，积累的电荷首先要垂直转移到下一行，由串行读出寄存器水平读取每个像素，重复上述步骤，直到全部转移完成，称为“逐行扫描”，如图3所示。因为全帧CCD的所有像素都参与光感，这些像素会被用来处理电荷传输，无法在电荷传输过程中继续捕捉新的图像。此时，如果探测器继续受光，会影响成像质量，所以全帧CCD需要配备机械快门，在探测器读取过程中阻挡入射光。机械快门的缺点是快门效应，故障率高，使用寿命有限。
图3。全帧CCD图像读取过程示意图[4]
EMCCD主要包括成像区、存储区和输出放大器。与全帧CCD不同，EMCCD在串行读出寄存器和输出放大器之间有数百个增益寄存器，倍增电极分布在增益寄存器中加速载流子。高速充电会激发很多的载流子，从而实现信号放大，如图4 [5]。
图4。emccd结构示意图[5]
EMCCD典型的工作模式是感光区按照规定的曝光时间进行积分，曝光后感光区的电荷迅速转移到存储区，感光区可以立即进入下一次曝光；同时，存储区的电荷自上而下逐行转移；在读取过程中，电荷被转移到增益寄存器进行放大和读取。这种工作模式读取速度快，不需要机械快门就可以获得每秒十几张的图像，可以满足一些科学目标短曝光、快速读取的需要。
在弱光成像中，EMCCD比CCD具有更高的灵敏度，因为EMCCD可以在不增加读取噪声的情况下，通过放大增益寄存器来提高图像的信噪比，而CCD只能通过增加曝光时间来提高信噪比。但在观测亮目标时，EMCCD在信号放大过程中会引入其他噪声。在差不多曝光时间下，CCD可能是更好的选择。
CMOS和sCMOS
互补金属氧化物半导体(CMOS)诞生于20世纪80年代。CMOS图像产生的机理也是光电效应，其工作过程还包括电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。与CCD不同的是，CMOS在每个像素中都集成了模拟电路，一个像素完成四个工艺，即每个像素输出一个转换后的电压信号。
图5。CCD将电荷逐行扫描到输出放大器，然后转换成电压信号；CMOS将电荷转换成像素中的电压信号[6]。
由于结构上的差异，与CCD相机相比，传统CMOS相机的噪声更高，填充因子更低，量子效率更低，动态范围更小，因此在专业天文观测中应用并不广泛。90年代后续，随着手机拍照功能的发展和手机行业的快速发展，CMOS技术迅速发展，其缺点得到有效改善。2009年，科学CMOS (S CMOS)技术出现。它基于CMOS的架构，通过片内相关多采样降低噪声，通过调整半导体的掺杂比例提高像素的全阱容量，通过大小增益合成高动态范围图像提高动态范围，通过二维无缝拼接技术实现大目标面，克服了CMOS的一些缺点，实现了低噪声、高帧率、高动态范围、高分辨率、大目标面。作为CMOS的一种，sCMOS主要用于科学研究。
CMOS使用电子快门，如卷帘快门和全局快门。对于卷帘快门来说，图像是逐行读出的，和机械快门很像。拍摄快速移动的物体时，会出现斜坡影像、抖动等现象。全局快门像素在曝光时间内积累电荷。曝光后，所有像素同时复位，传输到存储区，同时读出，所以拍摄快速移动的物体没有变形。相比全局快门像素，卷帘式快门像素读取噪点低，读取速度快，适用于拍摄与相机相对静止或要求低噪点高帧率的目标图像。全局快门像素更适合用相机拍摄相对高速运动的目标图像。与机械快门相比，电子快门不需要考虑快门效果和快门寿命。在实际使用中可以实现短曝光，便于维护和维修。
图6。卷帘快门在拍摄快速移动的物体时会变形，而全局快门不会[7]。
当前，sCMOS已经广泛应用于生物、物理等科研领域，而CMOS已经取代CCD，成为民用领域最重点的光敏器件。天文相机和消费级数码相机有很大的区别。主要区别如下:1。天文相机使用的感光芯片像素大(像素越大通常全阱电荷越大)，噪声低，所以动态范围大；使用16位模拟/数字转换器，可以获得16位数字图像。另外，它还具有线性度好、量子效率高的优点。2.天文相机通常需要对感光芯片进行深度制冷以降低暗电流，芯片需要封装在封闭的空室内，因此体积较大，结构复杂。3.天文专用相机需要连接电脑，用专用控制软件进行设置、拍摄和显示。
图7。左边是科学天文专用相机，右边是消费级数码相机(图片来源:网络)。
图8。用天文专用相机拍摄的“梅西耶天体M81和M82”(图片来源:邱鹏，设备:106mm望远镜，LRGB滤光片，天文专用制冷CCD，LRGB四通道总曝光时间约28小时，单次最长曝光时间30分钟)。
图9。数码单反相机拍摄的《沙漠中的银河》(图片来源:邱鹏，设备:数码单反相机，参数设置:焦距14mm，光圈f/2.8，ISO6400，曝光时间30秒)。
总结
作为半导体光敏器件，全帧CCD、EMCCD、CMOS、sCMOS由于结构不同，具有不同的特性。在实际天文观测中，只有依据观测要求选择合适的探测器，才能事半功倍。
参考资料:
[1]http://tech . Sina . com . cn/digi/DC/2009-10-09/05373490569 . shtml
[2]詹姆斯·詹尼斯克。决斗探测器。SPIE，2002年:第30-33页
[3] C. R. Kitchin，，胡，等译。天体物理学方法。原书的第四版。科学出版社，2009，1-23，149-160。
[4]CCDs简介，
http://spiff . rit . edu/classes/ast 613/lectures/CCDs _ kids/CCDs _ kids . html
[5]什么是电子倍增CCD (EMCCD)相机，
https://andor . oxi NST . com/learning/view/article/electronic-multiplied-CCD-camera
[6]戴夫·利特维勒，达尔萨。CMOS与CCD:成熟的技术，成熟的市场。光子光谱。2005
【7】卷帘快门VS全局快门，
https://www . premium beat . com/blog/know-the-basics-of-global-shutter vs . rolling-shutter/
作者简介:邱鹏，中国科学院国家天文台工程师，主要从事科学天文探测器的性能测试与应用、天文望远镜的控制、天文技术与方法的研究。
编辑:赵
资料来源:Guangming.com
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