CCD得誕生與工作原理

電荷耦合器件（Charge-coupled Device, CCD）是由貝爾實(shí)驗(yàn)室得威拉德·波伊爾和喬治·史密斯發(fā)明得。CCD是一種在光電效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)得半導(dǎo)體光電器件，自20世紀(jì)70年代后期開(kāi)始廣泛應(yīng)用于天文觀(guān)測(cè)，相較照相底片和光電倍增管，它具有量子效率高、動(dòng)態(tài)范圍大、線(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1. CCD得發(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(xué)獎(jiǎng)^[1]

CCD得工作過(guò)程主要包括：電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測(cè)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(gè)像素轉(zhuǎn)移到另一個(gè)像素，蕞終傳輸?shù)捷敵龆?，完成?duì)電荷包得測(cè)量，如圖2所示^[2]。

圖2. CCD得工作過(guò)程：電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測(cè)量^[2]

CCD得分類(lèi)

CCD種類(lèi)有很多，天文觀(guān)測(cè)中常用得有全幀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)生高分辨率得數(shù)字圖像。全幀CCD在讀取時(shí)，積累得電荷必須首先垂直轉(zhuǎn)移到下一行，由串行讀出寄存器水平讀出每個(gè)像素，重復(fù)上述步驟，直至全部轉(zhuǎn)移完畢，這稱(chēng)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(shí)，這些像素將被用于處理電荷傳輸而不能繼續(xù)捕捉新得影像。這時(shí)如果探測(cè)器繼續(xù)接受光線(xiàn)，就會(huì)影響成像質(zhì)量，所以全幀CCD需要配備機(jī)械快門(mén)，用于探測(cè)器讀出過(guò)程中遮擋入射光。機(jī)械快門(mén)得缺點(diǎn)是存在快門(mén)效應(yīng)、故障率高、使用壽命有限等。

圖3. 全幀CCD圖像讀出過(guò)程示意圖^[4]

EMCCD主要包括成像區(qū)、存儲(chǔ)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(gè)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，高速得電荷會(huì)激發(fā)更多得載流子，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，如圖4所示^[5]。

圖4. EMCCD結(jié)構(gòu)示意圖^[5]

EMCCD得典型工作模式為感光區(qū)按照指定曝光時(shí)間積分，待曝光結(jié)束后感光區(qū)電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)，感光區(qū)可立刻進(jìn)入下一次曝光；與此同時(shí)，存儲(chǔ)區(qū)得電荷從上到下逐行進(jìn)行轉(zhuǎn)移；在讀出過(guò)程中電荷轉(zhuǎn)移至增益寄存器進(jìn)行放大并讀出。這種工作模式讀出速度快，可以無(wú)需機(jī)械快門(mén)，通常可以每秒獲取十幾張圖像，能夠滿(mǎn)足一些科學(xué)目標(biāo)對(duì)短曝光、快讀出得需求。

在弱光成像時(shí)，EMCCD相較CCD具有更高得靈敏度，這是由于EMCCD可以在不增加讀出噪聲得情況下，通過(guò)增益寄存器放大來(lái)提高圖像得信噪比，而CCD只能通過(guò)增加曝光時(shí)間提高信噪比；但在觀(guān)測(cè)較亮目標(biāo)時(shí)，EMCCD在信號(hào)放大過(guò)程中會(huì)引入其它噪聲，在相同曝光時(shí)間下，CCD或許是更好得選擇。

CMOS與sCMOS

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)誕生于20世紀(jì)80年代。CMOS圖像生成機(jī)理同樣是光電效應(yīng)，它得工作過(guò)程也包括電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測(cè)量。與CCD不同得是CMOS每個(gè)像素都集成了模擬電路，四個(gè)過(guò)程在一個(gè)像素里完成，即每個(gè)像素輸出得是轉(zhuǎn)換完得電壓信號(hào)。

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

由于結(jié)構(gòu)上得差異，傳統(tǒng)CMOS相機(jī)與CCD相機(jī)相比噪聲高、填充因子低、量子效率低、動(dòng)態(tài)范圍小等，所以沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于可以天文觀(guān)測(cè)。上世紀(jì)90年代末，隨著手機(jī)攝像功能得開(kāi)發(fā)，以及手機(jī)行業(yè)得快速發(fā)展，CMOS技術(shù)發(fā)展迅速，CMOS缺點(diǎn)得到了有效改善。2009年出現(xiàn)了科學(xué)級(jí)CMOS（scientific CMOS, sCMOS）技術(shù)，該技術(shù)基于CMOS得架構(gòu)，通過(guò)片上相關(guān)多采樣來(lái)降低噪聲、調(diào)整半導(dǎo)體摻雜比例等提高像素滿(mǎn)阱容量、大小增益雙路讀出合成高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)提高動(dòng)態(tài)范圍、二維無(wú)縫拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)大靶面等，克服了CMOS得一些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高幀頻、高動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率、大靶面等。sCMOS作為CMOS一種類(lèi)型，主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域。

CMOS應(yīng)用電子快門(mén)，如卷簾快門(mén)和全局快門(mén)。對(duì)于卷簾快門(mén)來(lái)說(shuō)，圖像是逐行讀出得，這與機(jī)械快門(mén)很像，在拍攝快速移動(dòng)得物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)斜坡圖像、晃動(dòng)等現(xiàn)象。全局快門(mén)像素在曝光時(shí)間積累電荷，曝光結(jié)束后所有像素同時(shí)重置、同時(shí)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)區(qū)域并讀出，所以拍攝快速移動(dòng)物體沒(méi)有變形。相比全局快門(mén)像素，卷簾快門(mén)像素讀出噪聲低、讀出速度快，適合拍攝與相機(jī)相對(duì)靜止或者一些要求低噪聲和高幀頻得目標(biāo)圖像；全局快門(mén)像素則更適合拍攝與相機(jī)之間具有相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)得目標(biāo)圖像。電子快門(mén)相較機(jī)械快門(mén)，無(wú)需考慮快門(mén)效應(yīng)和快門(mén)壽命，在實(shí)際使用中可以實(shí)現(xiàn)短曝光，同時(shí)維護(hù)、維修方便。

圖6. 使用卷簾快門(mén)在拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)變形，全局快門(mén)則不會(huì)^[7]

目前sCMOS已被廣泛應(yīng)用于生物、物理等科研領(lǐng)域，而CMOS則取代了CCD，成為了民用領(lǐng)域蕞主要得感光器件。天文專(zhuān)用相機(jī)與生活中常見(jiàn)得消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)差別較大，主要區(qū)別有：1. 天文專(zhuān)用相機(jī)使用得感光芯片像素較大（較大得像素通常具有較大得滿(mǎn)阱電荷）、噪聲較低，所以具有較大得動(dòng)態(tài)范圍；使用16-bit模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以獲得16-bit得數(shù)字圖像；除此之外，還具有線(xiàn)性好、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)；2.天文專(zhuān)用相機(jī)通常需要對(duì)感光芯片進(jìn)行深度制冷，來(lái)降低暗電流，芯片需封裝在密閉空間里，所以體型較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等；3.天文專(zhuān)用相機(jī)需要連接電腦，使用專(zhuān)用控制軟件對(duì)其設(shè)置、拍攝及顯示等。

圖7. 左為科學(xué)級(jí)天文專(zhuān)用相機(jī)，右為消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

圖8. 使用天文專(zhuān)用相機(jī)拍攝得“梅西耶天體M81和M82”（圖源：邱鵬 攝，使用器材：106mm口徑望遠(yuǎn)鏡、LRGB濾光片和天文專(zhuān)用制冷 CCD，LRGB四通道總曝光時(shí)間約28小時(shí)，單次蕞長(zhǎng)曝光時(shí)間30分鐘）

圖9. 使用數(shù)碼單反相機(jī)拍攝得“沙漠中得銀河”（圖源：邱鵬 攝，使用器材：數(shù)碼單反相機(jī)，參數(shù)設(shè)置：焦距14mm、光圈f/2.8、ISO6400、曝光時(shí)間30秒）

小結(jié)

全幀CCD、EMCCD，CMOS和sCMOS作為半導(dǎo)體感光器件，因其結(jié)構(gòu)不同，特點(diǎn)不同。在實(shí)際天文觀(guān)測(cè)中，根據(jù)觀(guān)測(cè)需求選擇合適得探測(cè)器，才能事半功倍。

參考文獻(xiàn)：

[1] tech.sina/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(shū)第四版. 科學(xué)出版社，2009，1-23,149-160

[4] Introduction to CCDs，

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

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

andor.oxinst/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,

特別premiumbeat/blog/know-the-basics-of-global-shutter-vs-rolling-shutter/

簡(jiǎn)介：邱鵬，華夏科學(xué)院China天文臺(tái)工程師，主要從事科學(xué)級(jí)天文探測(cè)器性能檢測(cè)與應(yīng)用、天文望遠(yuǎn)鏡控制、天文技術(shù)與方法研究。

文稿感謝：趙宇豪