先进 CMOS 天文探测

概述

地基天文学提供了一种可及的太空天体成像方式。由于太空中大多数天体可在可见波长范围（380-700 nm）内观测，光学天文学一直处于天文观测的前沿。太空中许多天体非常微弱，需要高灵敏度、低噪声的相机才能检测其弱信号。

引言

数十年来，可见光范围内量子效率（QE）>95% 的背照 CCD 一直是天文观测的首选探测器。太空中天体的微弱信号通常需要长曝光时间以确保检测。图 1 显示了两幅由 CCD 相机拍摄的图像，一幅为昴宿星团，另一幅为银河系中的引力波。

检测该信号的能力受各种噪声源限制，这一限制通常由信噪比（SNR）定义。通常 SNR 越高，图像越好。存在若干噪声源，包括来自光源和天空背景的散粒噪声，这些是地基观测固有的 [1]。

另外两个噪声源是相机固有的：读出噪声和热噪声。读出噪声本质上是图像的"噪声底"，通过适当的电子设计可降低。热噪声或暗电流是由热源产生的噪声，与温度和曝光直接相关。无论相机技术如何，暗电流都会随长曝光（数分钟及更长）而增加。为显著降低暗电流并改善 SNR，背照 CCD 被深度冷却以减少对信号贡献的热噪声 [2]。因此，当需要很长曝光以捕获微弱信号时，CCD 相机一直是最佳选择。

地基天文学还有其他应用，CCD 并非最佳方案。其中之一是要求成像传感器在更快时间尺度上运行。时域天文学和空间碎片跟踪等应用需要更快的时间尺度，以尽可能多地捕获动态天体或事件的信息。

更快的时间尺度由曝光与读出速度的组合决定。对于 CCD，光子转换为光电子，读出期间检测到的光电子需移至一个（或有时几个）读出节点，造成瓶颈从而减慢读出。CCD 快速读出需要在读出节点以极高速度测量信号，由模数转换器（ADC）完成。这种高速测量会引入高读出噪声从而降低信号质量 [3]。具有大传感器面积和高像素数（4k x 4k 或更大）的探测器即使以较高 ADC 速率也有长读出时间，期间无法采集信号，从数秒到数十秒不等。

天文学中常用的全帧 CCD 在读出期间需要机械快门以完全阻挡入射光 [4]。机械快门寿命有限，相机大量使用时常需频繁更换。这对偏远天文台可能成问题，维护具有挑战性。此外，开合机械快门相对较慢，导致帧率降低并在较短曝光时间引入定量误差。

EMCCD 是另一种传感器技术，通常用于更具挑战性的动态观测。EMCCD 使用片上放大将信号提升至读出噪声之上。凭借低或可忽略的有效读出噪声，EMCCD 可在更高帧率下运行，更适合捕获动态事件的演变同时保持所需 SNR。图 2 显示 EMCCD 传感器架构示意图，展示片上放大如何将信号提升至读出噪声之上。

许多 EMCCD 具有快速电子快门，通过在读出前将检测到的光电子移入帧存储区来停止曝光。电子快门不仅比机械快门更精确，还降低探测器死区时间（相机未对光曝光的时间），因为可在从存储区读出信号的同时开始后续曝光。这称为"高占空比"。

尽管 EMCCD 可在更高帧率和占空比下运行，且非常适合检测极弱信号，但受过剩噪声限制。这一额外噪声源由片上放大过程的随机性引起，对每像素大于几个光子的信号会牺牲整体灵敏度。有关这些限制的更多信息，请参阅我们的文章 Types of Camera Sensor [5]。

Figure 1: Images of A) the Pleiades and B) gravity waves and the Milky Way taken using a CCD camera. — 图 1 · 使用 CCD 相机拍摄的 A) 昴宿星团和 B) 引力波与银河系图像。图片分别由 Rozhen National Astronomical Observatory 和 Korea Polar Research Group 提供。

Figure 2: Schematic showing an EMCCD sensor. Photons are collected and converted into photoelectrons — 图 2 · EMCCD 传感器示意图。光子在图像采集区收集并转换为光电子，然后转移至存储区。这些电子在扩展倍增寄存器中被放大，在不增加读出噪声的情况下提高产生的信号。

The Advantages of Advanced CMOS Technology

传统 CMOS 传感器未被广泛考虑用于天文观测，因为它们是前照式，通常 QE 较低，读出噪声较高，线性度（检测信号与数字信号的比例关系）较 CCD 和 EMCCD 传感器差。然而，CMOS 技术的进步使 CMOS 不仅能匹配 CCD 和 EMCCD 传感器的这些参数，还能克服这些技术的常见限制。

Back-Illuminated CMOS Technology

背照 CMOS 传感器的引入显著提高了 QE，可见波长可达 >90%。此外，先进的 CMOS 传感器设计，如 Teledyne Imaging 的 LACera™ 技术，相比典型 CCD 在 UV 具有更高灵敏度（见图 3）。这使先进 CMOS 探测器不仅适合可见波长范围观测，也适合利用 UV 光谱的观测。

Figure 3: Quantum efficiency curve of an advanced CMOS sensor and a typical back-illuminated CCD sen — 图 1 · 先进 CMOS 传感器与典型背照 CCD 传感器的量子效率曲线。

CMOS Sensor Architecture

与 CCD 传感器不同，CMOS 传感器上的电荷到电压转换在每个像素单独进行（见图 4），传感器每列的读出节点同时工作。这种并行读出架构提供巨大速度优势，使 CMOS 传感器能以更快速度处理采集数据，同时实现比 CCD 更低的读出噪声，且无 EMCCD 的过剩噪声。

快速读出不仅对动态天文成像重要，对自适应光学系统中大气湍流校正等快速决策和分析也很重要。CMOS 传感器还使用精确电子快门，可无数据丢失地连续成像。

Figure 4: Schematic showing a full frame CCD readout architecture in comparison to a CMOS readout ar — 图 1 · 全帧 CCD 读出架构与 CMOS 读出架构对比示意图。全帧 CCD 像素沿传感器垂直下移直至到达读出阵列，然后水平逐像素移动直至被模数转换器（ADC）读出。相比之下，CMOS 架构每列有独立 ADC，提高读出速度同时保持低读出噪声。

High Dynamic Range

在天文学中，同一视场内同时存在明亮和微弱天体并不罕见。高动态范围（HDR）使检测微弱天体成为可能，而不会因周围更亮天体的光而饱和探测器。HDR 运行取决于线性度、ADC 位深和增益。CMOS 相机可通过高增益和低增益多次采样信号来扩展动态范围。然而，高增益和低增益读出交叉处的伪影可能限制测量精度。

先进的 CMOS 设计，如 Teledyne Imaging LACera™ 技术，确保两个 ADC 之间精确交叉，实现低噪声和高线性度运行。结合更高位深 ADC，LACera™ 技术提供无与伦比的动态范围。有关 LACera™ 技术 HDR 运行的更多详情，请参阅我们的文章 New Era in High Dynamic Range CMOS [6]。

True Global Shutter

CMOS 传感器通常通过称为滚动快门的工艺逐行开始曝光、读出和清除传感器。虽然该过程非常快，但可能对快速移动天体引入畸变、帧间潜在延迟以及同步困难，这对许多天文应用不利（见图 5）。

另一种全局快门同时读出和复位所有探测器像素，对背照 CMOS 传感器而言工程上具有挑战。对于全局快门设备，要结束曝光，光电子需立即移入存储区。该存储区通常对光敏感，意味着不想要的光子与其相互作用可能产生伪影。

存储区可隐藏在前照 CMOS 传感器组件下；然而，背照技术更具挑战。先进的背照 CMOS 技术，如 LACera 技术，重新设计存储区以实现无伪影的真正全局快门运行。有关此过程的更多信息，请参阅我们的文章：Achieving a True Global Shutter with Large Format, Back-Illuminated CMOS [7]。

Figure 5: The camera sensor is shown on the left, with rolling shutter architecture meaning that exp — 图 1 · 左侧显示相机传感器，滚动快门架构意味着整个传感器并非同时开始曝光，而是曝光和读出从传感器顶部移到底部。时间维度从左到右显示，垂直轴指示正在读出的行。滚动行为的时间尺度为相机帧时间，通常约 20ms。

Large Field of View

并行化与高速运行使 CMOS 设计非常适合大面积传感器设计。CMOS 相机现已开发出 6k x 6k 及以上像素数，以及大像素尺寸（10 µm），具备高 QE 和低读出噪声，可精确成像更暗的高速天体，或在一帧中成像多个更暗天体。

大传感器尺寸的好处包括：跟踪快速移动天体（空间碎片）时望远镜移动更少、每帧观测更多天体（巡天）以及通过观测更多参考星获得更好的图像校准。

总结

尽管 CCD 和 EMCCD 技术在地基天文成像中具有优势，背照 CMOS 相机技术匹配其规格，同时克服其在速度、占空比和噪声性能方面的限制。

CMOS 设计结合高 QE、高动态范围、短读出时间和低噪声，使其成为广泛天文应用的有力替代方案。如需了解更多我们在天文学领域的未来 CMOS 能力，请注册我们的网络研讨会 Enabling the Next Generation of Astronomy。

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References

[1] Signal, Noise and Detection, O.Hainaut, 2005-Jun-01, URL: http://www.sc.eso.org/~ohainaut/ccd/sn.html

[2] Dark Current, Teledyne Photometrics, accessed 11/01/2021 https://www.photometrics.com/learn/imaging-topics/dark-current

[3] Readout vs. Frame Rate, Teledyne Photometrics, accessed 11/01/2021 https://www.photometrics.com/learn/imaging-topics/readout-vs-frame-rate

[4] G. Kasprowicz et al., CCD detectors for wide field optical astronomy, Photonics Letters of Poland , 1 (2), 2009

[5] Types of Camera Sensor, Teledyne Photometrics, accessed 11/01/2021 https://www.photometrics.com/learn/white-papers/types-of-camera-sensor

[6] New Era in Dynamic Range and Linearity for Scientific CMOS Cameras, Teledyne Princeton Instruments, https://www.princetoninstruments.com/products/technologies-family/lacera/tech-notes/new-era-in-dynamic-range-and-linearity-for-scientific-cmos

[7] Achieving a true global shutter with large format, back-illuminated CMOS, Teledyne Princeton Instruments, https://www.princetoninstruments.com/products/technologies-family/lacera/tech-notes/achieving-a-true-global-shutter-with-large-format-back-illuminated-cmos

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