先進的CMOS探測器：開創(chuàng)天文觀測的未來

介紹

基于地面的天文學(xué)提供了一種在太空中成像物體的方法。由于太空中的大多數(shù)物體都可以在可見光波長范圍(380-700 nm)內(nèi)觀測到，光學(xué)天文學(xué)一直處于天文觀測的前沿。太空中的許多物體都非常微弱，需要一臺靈敏度高、噪音最小的相機來檢測它們的微弱信號。

幾十年來，在可見光中具有>95%量子效率(QE)的背照CCD一直是天文觀測的首選探測器?？臻g內(nèi)物體的微弱信號通常需要很長的曝光時間來確保檢測。圖1顯示了CCD相機拍攝的兩幅圖像，一幅是昂宿星團，另一幅是銀河系。

檢測該信號的能力受到各種噪聲源的約束，并且該限制通常由信噪比或SNR來定義。通常，SNR越高，圖像就越好。有幾種噪聲源，包括來自源的散粒噪聲和來自天空的背景噪聲，這是地面觀測所固有的[1]。

另外兩個噪聲源是相機固有的，即讀出噪聲和熱噪聲。讀取噪聲本質(zhì)上是圖像的“噪聲基底”，并通過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電子設(shè)計來降低。熱噪聲或暗電流是由熱源產(chǎn)生的噪聲，與溫度和暴露直接相關(guān)。無論相機技術(shù)如何，暗電流都會隨著長時間曝光(幾分鐘或更長時間)而增加。為了顯著減少暗電流并提高SNR，背照CCD被深度冷卻，以減少對信號有貢獻的熱噪聲量[2]。由于這些原因，當(dāng)需要很長時間的曝光來捕捉微弱的信號時，CCD相機是最好的選擇。

在地面天文學(xué)中還有其他應(yīng)用，CCD并不是最好的解決方案。其中之一是要求以更快的時間尺度操作成像傳感器。時域天文學(xué)和空間碎片跟蹤等應(yīng)用需要更快的時間尺度來捕捉盡可能多的動態(tài)物體或事件信息。

更快的時間尺度由曝光和讀出速度的組合決定。對于CCD的光子被轉(zhuǎn)換為光電子，在讀出過程中，檢測到的光電子需要轉(zhuǎn)移到一個(有時是幾個)讀出節(jié)點，這會導(dǎo)致讀出速度減慢的瓶頸。CCD上的快速讀出需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對這些讀出節(jié)點處的信號進行非?？焖俚臏y量。這種高速測量通過引入高水平的讀取噪聲來降低信號質(zhì)量[3]。具有大傳感器面積和高像素數(shù)(4k x 4k或更大)的探測器具有很長的讀出時間，在這種情況下無法獲取信號，即使在較高的ADC速率下，也從幾秒到幾十秒不等。

通常在天文學(xué)中使用的全幀CCD需要機械快門來完全阻擋讀出期間的任何入射光[4]。機械快門的使用壽命有限，在相機大量使用時經(jīng)常需要更換。這對偏遠地區(qū)的天文臺來說可能是個問題，因為那里的維護可能很有挑戰(zhàn)性。此外，打開和關(guān)閉機械快門相對較慢，導(dǎo)致幀速率較慢，曝光時間較短時會出現(xiàn)定量誤差。

EMCCD是一種替代傳感器技術(shù)，通常用于更具挑戰(zhàn)性的動態(tài)觀測。EMCCD使用片上放大來相對于讀取噪聲提升信號。有了這種低或可忽略不計的有效讀取噪聲，EMCCD可以以更高的幀速率操作，更適合捕捉動態(tài)事件的演變，同時保持所需的SNR。圖2顯示了EMCCD傳感器架構(gòu)的示意圖，顯示了片上放大如何將信號提升到讀取噪聲之上。

圖2：EMCCD傳感器示意圖。在圖像捕獲區(qū)域內(nèi)收集光子并將其轉(zhuǎn)換為光電子，然后將其轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)域。然后，這些電子在擴展乘法寄存器中被放大，這增加了所產(chǎn)生的信號而不增加任何讀取噪聲。

許多EMCCD都有一個快速的電子快門，在讀出之前，通過將檢測到的光電子轉(zhuǎn)移到幀存儲區(qū)域來停止曝光。電子快門不僅比機械快門更精確，而且還降低了檢測器的死區(qū)時間，在該死區(qū)時間內(nèi)，相機不曝光，因為隨著信號從存儲區(qū)域讀出，后續(xù)曝光已經(jīng)開始。這被稱為“高占空比”。

盡管EMCCD可以在更高的幀速率、占空比下工作，并且是檢測超微弱信號的理想選擇，但它們受到過量噪聲的限制。這種額外的噪聲源是由芯片上放大過程的隨機性質(zhì)引起的，并且對于每個像素大于幾個光子的信號，這種噪聲源會導(dǎo)致整體靈敏度的犧牲。有關(guān)這些限制的更多信息，請參閱我們的文章相機傳感器類型[5]。

先進CMOS技術(shù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的CMOS傳感器沒有被廣泛考慮用于天文觀測，因為它們是前照式的，與CCD和EMCCD傳感器相比，通常具有低QE，并且在更高的讀取噪聲和較差的線性度(檢測信號和數(shù)字信號之間的比例)下工作。然而，CMOS技術(shù)的進步現(xiàn)在使得CMOS不僅能夠匹配CCD和EMCCD傳感器的這些參數(shù)，而且能夠克服這些技術(shù)的共同局限性。

背照式CMOS技術(shù)

背照式CMOS傳感器的引入顯著提高了QE，可見光波長達到>90%。此外，先進的CMOS傳感器設(shè)計，如Teledyne Imaging的LACera? 與典型的CCD相比，技術(shù)在紫外線下顯示出更高的靈敏度(見圖3)。這使得先進的CMOS探測器不僅適用于可見光波長范圍內(nèi)的觀測，而且適用于那些利用紫外線光譜的探測器。

圖3：先進CMOS傳感器和典型背照式CCD傳感器的量子效率曲線。

CMOS傳感器體系結(jié)構(gòu)

與CCD傳感器不同，CMOS傳感器上的電荷-電壓轉(zhuǎn)換在每個像素中單獨進行(見圖4)，傳感器每列上的讀出節(jié)點同時工作。這種并行讀出架構(gòu)提供了巨大的速度優(yōu)勢，允許CMOS傳感器以更快的速率處理采集的數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)比CCD更低的讀取噪聲，并且沒有EMCCD的過度噪聲。

快速讀出不僅對動態(tài)天文成像很重要，而且對快速決策和分析也很重要，例如在用于校正大氣湍流的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中。CMOS傳感器還使用精確的電子快門，允許在不丟失數(shù)據(jù)的情況下進行連續(xù)成像。

圖4：全幀CCD讀出結(jié)構(gòu)與CMOS讀出結(jié)構(gòu)的比較示意圖。全幀CCD上的像素沿傳感器垂直向下移動，直到它們讀取讀出陣列。然后，它們逐像素水平移動，直到被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)讀出。相比之下，CMOS架構(gòu)每列有一個單獨的ADC，在保持低讀取噪聲的同時提高了讀取速度。

高動態(tài)范圍

在天文學(xué)中，在同一視場內(nèi)同時有明亮和暗淡的物體并不罕見。高動態(tài)范圍(HDR)使微弱天文物體的探測成為可能，而不會使探測器被周圍較亮物體的光飽和。HDR操作取決于線性度、ADC位深度和增益。CMOS相機可以通過對具有高增益和低增益的信號進行多次采樣來擴展動態(tài)范圍。然而，高增益讀數(shù)和低增益讀數(shù)之間的交叉中的偽影會限制測量精度。

先進的CMOS設(shè)計，如Teledyne Imaging LACera? 技術(shù)，確保兩個ADC之間的精確交叉，以實現(xiàn)低噪聲和高線性的操作。結(jié)合更高比特深度ADC，LACeraTM技術(shù)提供了無與倫比的動態(tài)范圍。有關(guān)LACeraTM技術(shù)HDR操作的更多詳細信息，請參閱我們的文章《高動態(tài)范圍CMOS的新時代》[6]。

真全局快門

CMOS傳感器通常通過一種稱為滾動快門的過程開始曝光、讀取并逐行清除傳感器。盡管這個過程非?？?，但它可能會給快速移動的物體帶來失真、幀之間的潛在延遲以及同步困難，這對許多天文學(xué)應(yīng)用都是有害的(見圖5)。

圖5：相機傳感器如左圖所示，采用滾動快門結(jié)構(gòu)，這意味著整個傳感器的曝光不會同時開始，而是從傳感器的頂部向底部移動。時間維度是從左到右顯示的，垂直軸上顯示的是讀取的行。滾動行為的時間尺度是相機的幀時間，通常在20ms左右。

或者，同時讀取和重置所有檢測器像素的全局快門對于背照式CMOS傳感器來說是一項挑戰(zhàn)。對于全局快門設(shè)備，要結(jié)束曝光，需要立即將光電子移動到存儲區(qū)域。這個存儲區(qū)域通常是光敏的，這意味著不需要的光子與之相互作用可能會產(chǎn)生偽影。

存儲區(qū)域可以隱藏在用于前照式CMOS傳感器的傳感器部件下方;然而，對于背光技術(shù)來說，這更具挑戰(zhàn)性。與LACera技術(shù)一樣，先進的背照式CMOS技術(shù)重新設(shè)計了存儲區(qū)域，以實現(xiàn)真正的全局快門操作，而不會產(chǎn)生偽影。在我們的文章中了解更多關(guān)于這個過程的信息：用大幅面背照CMOS實現(xiàn)真正的全局快門[7]。

大視場

并行化和高速操作使CMOS設(shè)計成為大面積傳感器設(shè)計的理想選擇。CMOS相機現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出像素數(shù)為6k x 6k及以上的相機，以及具有高QE和低讀取噪聲的大像素尺寸(10μm)，用于在一幀內(nèi)對較暗、高速物體或多個較暗物體進行精確成像。

大傳感器尺寸的好處包括更少的望遠鏡移動來跟蹤快速移動的物體(空間碎片)，每幀觀察更多的物體(巡天)，以及通過觀察更多的參考恒星來更好地校準(zhǔn)圖像。

總結(jié)

盡管CCD和EMCCD技術(shù)在地面天文成像中有其優(yōu)勢，但背照式CMOS相機技術(shù)符合其規(guī)格，同時克服了其在速度、占空比和噪聲性能方面的限制。CMOS設(shè)計具有高QE、高動態(tài)范圍、短讀出時間和低噪聲的特點，使其成為廣泛天文學(xué)應(yīng)用的競爭替代品。

審核編輯 黃宇