CCD的誕生與工作原理

電荷耦合器件（Charge-coupled Device, CCD）是由貝爾實驗室的威拉德·波伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的。CCD是一種在光電效應基礎上發(fā)展起來的半導體光電器件，自20世紀70年代后期開始廣泛應用于天文觀測，相較照相底片和光電倍增管，它具有量子效率高、動態(tài)范圍大、線性好等優(yōu)點。

圖1. CCD的發(fā)明人威拉德·波伊爾（左）和喬治·史密斯（右），二人因此工作獲得2009年諾貝爾物理學獎[1]

CCD的工作過程主要包括：電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉移和電荷包測量。光子入射到CCD上激發(fā)光電子，光電子被收集在一起形成電荷包，電荷包依次從一個像素轉移到另一個像素，最終傳輸?shù)捷敵龆耍瓿蓪﹄姾砂臏y量，如圖2所示[2]。

圖2. CCD的工作過程：電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉移和電荷包測量[2]

CCD的分類

CCD種類有很多，天文觀測中常用的有全幀CCD (Full-Frame CCD, FFCCD)，電子倍增CCD (Electron-Multiplying CCD, EMCCD)等。

全幀CCD具有高密度像素陣列，能夠產(chǎn)生高分辨率的數(shù)字圖像。全幀CCD在讀取時，積累的電荷必須首先垂直轉移到下一行，由串行讀出寄存器水平讀出每個像素，重復上述步驟，直至全部轉移完畢，這稱為逐行掃描，如圖3所示。由于全幀CCD所有像素都參與感光，因此在電荷傳輸時，這些像素將被用于處理電荷傳輸而不能繼續(xù)捕捉新的影像。這時如果探測器繼續(xù)接受光線，就會影響成像質量，所以全幀CCD需要配備機械快門，用于探測器讀出過程中遮擋入射光。機械快門的缺點是存在快門效應、故障率高、使用壽命有限等。

圖3. 全幀CCD圖像讀出過程示意圖[4]

EMCCD主要包括成像區(qū)、存儲區(qū)和輸出放大器。不同于全幀CCD，EMCCD在串行讀出寄存器和輸出放大器之間有數(shù)百個增益寄存器，在增益寄存器中分布有倍增電極，作用是加速載流子，高速的電荷會激發(fā)更多的載流子，從而實現(xiàn)信號放大，如圖4所示[5]。

圖4. EMCCD結構示意圖[5]

EMCCD的典型工作模式為感光區(qū)按照指定曝光時間積分，待曝光結束后感光區(qū)電荷迅速轉移到存儲區(qū)，感光區(qū)可立刻進入下一次曝光；與此同時，存儲區(qū)的電荷從上到下逐行進行轉移；在讀出過程中電荷轉移至增益寄存器進行放大并讀出。這種工作模式讀出速度快，可以無需機械快門，通常可以每秒獲取十幾張圖像，能夠滿足一些科學目標對短曝光、快讀出的需求。

在弱光成像時，EMCCD相較CCD具有更高的靈敏度，這是由于EMCCD可以在不增加讀出噪聲的情況下，通過增益寄存器放大來提高圖像的信噪比，而CCD只能通過增加曝光時間提高信噪比；但在觀測較亮目標時，EMCCD在信號放大過程中會引入其它噪聲，在相同曝光時間下，CCD或許是更好的選擇。

CMOS與sCMOS

互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)誕生于20世紀80年代。CMOS圖像生成機理同樣是光電效應，它的工作過程也包括電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉移和電荷包測量。與CCD不同的是CMOS每個像素都集成了模擬電路，四個過程在一個像素里完成，即每個像素輸出的是轉換完的電壓信號。

圖5. CCD將電荷逐行掃描至輸出放大器，然后將其轉換為電壓信號; CMOS則在像素內(nèi)將電荷轉換為電壓信號[6]

CMOS應用電子快門，如卷簾快門和全局快門。對于卷簾快門來說，圖像是逐行讀出的，這與機械快門很像，在拍攝快速移動的物體時會出現(xiàn)斜坡圖像、晃動等現(xiàn)象。全局快門像素在曝光時間積累電荷，曝光結束后所有像素同時重置、同時傳輸?shù)酱鎯^(qū)域并讀出，所以拍攝快速移動物體沒有變形。相比全局快門像素，卷簾快門像素讀出噪聲低、讀出速度快，適合拍攝與相機相對靜止或者一些要求低噪聲和高幀頻的目標圖像；全局快門像素則更適合拍攝與相機之間具有相對高速運動的目標圖像。電子快門相較機械快門，無需考慮快門效應和快門壽命，在實際使用中可以實現(xiàn)短曝光，同時維護、維修方便。

圖6. 使用卷簾快門在拍攝快速移動物體時會出現(xiàn)變形，全局快門則不會[7]

目前sCMOS已被廣泛應用于生物、物理等科研領域，而CMOS則取代了CCD，成為了民用領域最主要的感光器件。天文專用相機與生活中常見的消費級數(shù)碼相機差別較大，主要區(qū)別有：1. 天文專用相機使用的感光芯片像素較大（較大的像素通常具有較大的滿阱電荷）、噪聲較低，所以具有較大的動態(tài)范圍；使用16-bit模擬/數(shù)字轉換器，可以獲得16-bit的數(shù)字圖像；除此之外，還具有線性好、量子效率高等優(yōu)點；2.天文專用相機通常需要對感光芯片進行深度制冷，來降低暗電流，芯片需封裝在密閉空間里，所以體型較大、結構復雜等；3.天文專用相機需要連接電腦，使用專用控制軟件對其設置、拍攝及顯示等。

圖7. 左為科學級天文專用相機，右為消費級數(shù)碼相機（圖源：網(wǎng)絡）

圖8. 使用天文專用相機拍攝的梅西耶天體M81和M82（圖源：邱鵬 攝，使用器材：106mm口徑望遠鏡、LRGB濾光片和天文專用制冷 CCD，LRGB四通道總曝光時間約28小時，單次最長曝光時間30分鐘）

圖9. 使用數(shù)碼單反相機拍攝的沙漠中的銀河（圖源：邱鵬 攝，使用器材：數(shù)碼單反相機，參數(shù)設置：焦距14mm、光圈f/2.8、ISO6400、曝光時間30秒）

小結

全幀CCD、EMCCD，CMOS和sCMOS作為半導體感光器件，因其結構不同，特點不同。在實際天文觀測中，根據(jù)觀測需求選擇合適的探測器，才能事半功倍。

參考文獻：

[1] http://tech.sina.com.cn/digi/dc/2009-10-09/05373490569.shtml

[2] James Janesick. Dueling Detectors. SPIE, 2002: pp30-33

[3] C.R Kitchin編著，楊大衛(wèi)等譯，胡景耀等校. 天體物理方法. 原書第四版. 科學出版社，2009，1-23,149-160

[4] Introduction to CCDs，

http://spiff.rit.edu/classes/ast613/lectures/ccds_kids/ccds_kids.html

[5] What is an Electron Multiplying CCD (EMCCD) Camera,

https://andor.oxinst.com/learning/view/article/electron-multiplying-ccd-cameras

[6] Dave Litwiller, Dalsa. CMOS vs. CCD: Maturing Technologies, Maturing Markets. Phoeonics Spectra. 2005

[7] Rolling shutter VS Global shutter,

https://www.premiumbeat.com/blog/know-the-basics-of-global-shutter-vs-rolling-shutter/

作者簡介：邱鵬，中國科學院國家天文臺工程師，主要從事科學級天文探測器性能檢測與應用、天文望遠鏡控制、天文技術與方法研究。

文稿編輯：趙宇豪

來源： 光明網(wǎng)