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·史密斯發明的。CCD是一種在光電效應基礎上發展起來的半導體光電器件，自20世紀70年代後期開始廣泛應用於天文觀測，相較照相底片和光電倍增管，它具有量子效率高、動態範圍大、線性好等優點。
圖1. CCD的發明人威拉德·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，電荷包依次從一個畫素轉移到另一個畫素，最終傳輸到輸出端，完成對電荷包的測量，如圖 2所示[2]。
圖2. CCD的工作過程：電荷產生、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具有高密度畫素陣列，能夠產生高解析度的數字影象。全幀CCD在讀取時，積累的電荷必須首先垂直轉移到下一行，由序列讀出暫存器水平讀出每個畫素，重複上述步驟，直至全部轉移完畢，這稱為“逐行掃描”，如圖3所示。由於全幀CCD所有畫素都參與感光，因此在電荷傳輸時，這些畫素將被用於處理電荷傳輸而不能繼續捕捉新的影像。這時如果探測器繼續接受光線，就會影響成像質量，所以全幀CCD需要配備機械快門，用於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影象讀出過程示意圖[4]
EMCCD主要包括成像區、儲存區和輸出放大器。不同於全幀CCD，EMCCD在序列讀出暫存器和輸出放大器之間有數百個增益暫存器，在增益暫存器中分佈有倍增電極，作用是加速載流子，高速的電荷會激發更多的載流子，從而實現訊號放大，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按照指定曝光時間積分，待曝光結束後感光區電荷迅速轉移到儲存區，感光區可立刻進入下一次曝光；與此同時，儲存區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暫存器進行放大並讀出。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影象，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，這是由於EMCCD可以在不增加讀出噪聲的情況下，透過增益暫存器放大來提高影象的信噪比，而CCD只能透過增加曝光時間提高信噪比；但在觀測較亮目標時，EMCCD在訊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
互補金氧半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)誕生於20世紀80年代。CMOS影象生成機理同樣是光電效應，它的工作過程也包括電荷產生、電荷收集、電荷包轉移和電荷包測量。與CCD不同的是CMOS每個畫素都集成了類比電路，四個過程在一個畫素裡完成，即每個畫素輸出的是轉換完的電壓訊號。
圖5. CCD將電荷逐行掃描至輸出放大器，然後將其轉換為電壓訊號; CMOS則在畫素內將電荷轉換為電壓訊號[6]
由於結構上的差異，傳統CMOS相機與CCD相機相比噪聲高、填充因子低、量子效率低、動態範圍小等，所以沒有被廣泛應用於專業天文觀測。上世紀90年代末，隨著手機攝像功能的開發，以及手機行業的快速發展，CMOS技術發展迅速，CMOS缺點得到了有效改善。2009年出現了科學級CMOS（scientific CMOS, sCMOS）技術，該技術基於CMOS的架構，透過片上相關多采樣來降低噪聲、調整半導體摻雜比例等提高畫素滿阱容量、大小增益雙路讀出合成高動態範圍影象技術提高動態範圍、二維無縫拼接技術實現大靶面等，克服了CMOS的一些缺點，實現了低噪聲、高幀頻、高動態範圍、高解析度、大靶面等。sCMOS作為CMOS一種型別，主要應用於科研領域。
CMOS應用電子快門，如捲簾快門和全域性快門。對於捲簾快門來說，影象是逐行讀出的，這與機械快門很像，在拍攝快速移動的物體時會出現斜坡影象、晃動等現象。全域性快門畫素在曝光時間積累電荷，曝光結束後所有畫素同時重置、同時傳輸到儲存區域並讀出，所以拍攝快速移動物體沒有變形。相比全域性快門畫素，捲簾快門畫素讀出噪聲低、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影象；全域性快門畫素則更適合拍攝與相機之間具有相對高速運動的目標影象。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短曝光，同時維護、維修方便。
圖6. 使用捲簾快門在拍攝快速移動物體時會出現變形，全域性快門則不會[7]
目前sCMOS已被廣泛應用於生物、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碼相機差別較大，主要區別有：1. 天文專用相機使用的感光晶片畫素較大（較大的畫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範圍；使用16-bit模擬/數字轉換器，可以獲得16-bit的數字影象；除此之外，還具有線性好、量子效率高等優點；2.天文專用相機通常需要對感光晶片進行深度製冷，來降低暗電流，晶片需封裝在密閉空間裡，所以體型較大、結構複雜等；3.天文專用相機需要連線電腦，使用專用控制軟體對其設定、拍攝及顯示等。
圖7. 左為科學級天文專用相機，右為消費級數碼相機（圖源：網路）
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濾光片和天文專用製冷 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. 使用數碼單反相機拍攝的“沙漠中的銀河”（圖源：邱鵬 攝，使用器材：數碼單反相機，引數設定：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效能檢測與應用、天文望遠鏡控制、天文技術與方法研究。
文稿編輯：趙宇豪
[ 責編：蔡琳 ]
