点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

来源:光明网2021-11-26 15:44

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  CCD的诞生与工作原理

  电荷耦合器件(Charge-coupled Device, CCD)是由贝尔实验室的威拉德·波伊尔和乔治·史密斯发明的。CCD是一种在光电效应基础上发展起来的半导体光电器件,自20世纪70年代后期开始广泛应用于天文观测,相较照相底片和光电倍增管,它具有量子效率高、动态范围大、线性好等优点。

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图1. CCD的发明人威拉德·波伊尔(左)和乔治·史密斯(右),二人因此工作获得2009年诺贝尔物理学[1]

  CCD的工作过程主要包括:电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。光子入射到CCD上激发光电子,光电子被收集在一起形成电荷包,电荷包依次从一个像素转移到另一个像素,最终传输到输出端,完成对电荷包的测量,如图2所示[2]

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图2. CCD的工作过程:电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量[2]

  CCD的分类

  CCD种类有很多,天文观测中常用的有全帧CCD (Full-Frame CCD, FFCCD),电子倍增CCD (Electron-Multiplying CCD, EMCCD)等。

  全帧CCD具有高密度像素阵列,能够产生高分辨率的数字图像。全帧CCD在读取时,积累的电荷必须首先垂直转移到下一行,由串行读出寄存器水平读出每个像素,重复上述步骤,直至全部转移完毕,这称为“逐行扫描”,如图3所示。由于全帧CCD所有像素都参与感光,因此在电荷传输时,这些像素将被用于处理电荷传输而不能继续捕捉新的影像。这时如果探测器继续接受光线,就会影响成像质量,所以全帧CCD需要配备机械快门,用于探测器读出过程中遮挡入射光。机械快门的缺点是存在快门效应、故障率高、使用寿命有限等。

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图3. 全帧CCD图像读出过程示意图[4]

  EMCCD主要包括成像区、存储区和输出放大器。不同于全帧CCD,EMCCD在串行读出寄存器和输出放大器之间有数百个增益寄存器,在增益寄存器中分布有倍增电极,作用是加速载流子,高速的电荷会激发更多的载流子,从而实现信号放大,如图4所示[5]

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图4. EMCCD结构示意图[5]

  EMCCD的典型工作模式为感光区按照指定曝光时间积分,待曝光结束后感光区电荷迅速转移到存储区,感光区可立刻进入下一次曝光;与此同时,存储区的电荷从上到下逐行进行转移;在读出过程中电荷转移至增益寄存器进行放大并读出。这种工作模式读出速度快,可以无需机械快门,通常可以每秒获取十几张图像,能够满足一些科学目标对短曝光、快读出的需求。

  在弱光成像时,EMCCD相较CCD具有更高的灵敏度,这是由于EMCCD可以在不增加读出噪声的情况下,通过增益寄存器放大来提高图像的信噪比,而CCD只能通过增加曝光时间提高信噪比;但在观测较亮目标时,EMCCD在信号放大过程中会引入其它噪声,在相同曝光时间下,CCD或许是更好的选择。

  CMOS与sCMOS

  互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)诞生于20世纪80年代。CMOS图像生成机理同样是光电效应,它的工作过程也包括电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。与CCD不同的是CMOS每个像素都集成了模拟电路,四个过程在一个像素里完成,即每个像素输出的是转换完的电压信号。

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图5. CCD将电荷逐行扫描至输出放大器,然后将其转换为电压信号; CMOS则在像素内将电荷转换为电压信号[6]

  由于结构上的差异,传统CMOS相机与CCD相机相比噪声高、填充因子低、量子效率低、动态范围小等,所以没有被广泛应用于专业天文观测。上世纪90年代末,随着手机摄像功能的开发,以及手机行业的快速发展,CMOS技术发展迅速,CMOS缺点得到了有效改善。2009年出现了科学级CMOS(scientific CMOS, sCMOS)技术,该技术基于CMOS的架构,通过片上相关多采样来降低噪声、调整半导体掺杂比例等提高像素满阱容量、大小增益双路读出合成高动态范围图像技术提高动态范围、二维无缝拼接技术实现大靶面等,克服了CMOS的一些缺点,实现了低噪声、高帧频、高动态范围、高分辨率、大靶面等。sCMOS作为CMOS一种类型,主要应用于科研领域。

  CMOS应用电子快门,如卷帘快门和全局快门。对于卷帘快门来说,图像是逐行读出的,这与机械快门很像,在拍摄快速移动的物体时会出现斜坡图像、晃动等现象。全局快门像素在曝光时间积累电荷,曝光结束后所有像素同时重置、同时传输到存储区域并读出,所以拍摄快速移动物体没有变形。相比全局快门像素,卷帘快门像素读出噪声低、读出速度快,适合拍摄与相机相对静止或者一些要求低噪声和高帧频的目标图像;全局快门像素则更适合拍摄与相机之间具有相对高速运动的目标图像。电子快门相较机械快门,无需考虑快门效应和快门寿命,在实际使用中可以实现短曝光,同时维护、维修方便。

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图6. 使用卷帘快门在拍摄快速移动物体时会出现变形,全局快门则不会[7]

  目前sCMOS已被广泛应用于生物、物理等科研领域,而CMOS则取代了CCD,成为了民用领域最主要的感光器件。天文专用相机与生活中常见的消费级数码相机差别较大,主要区别有:1. 天文专用相机使用的感光芯片像素较大(较大的像素通常具有较大的满阱电荷)、噪声较低,所以具有较大的动态范围;使用16-bit模拟/数字转换器,可以获得16-bit的数字图像;除此之外,还具有线性好、量子效率高等优点;2.天文专用相机通常需要对感光芯片进行深度制冷,来降低暗电流,芯片需封装在密闭空间里,所以体型较大、结构复杂等;3.天文专用相机需要连接电脑,使用专用控制软件对其设置、拍摄及显示等。

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图7. 左为科学级天文专用相机,右为消费级数码相机(图源:网络)

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图8. 使用天文专用相机拍摄的“梅西耶天体M81和M82”(图源:邱鹏 摄,使用器材:106mm口径望远镜、LRGB滤光片和天文专用制冷 CCD,LRGB四通道总曝光时间约28小时,单次最长曝光时间30分钟)

带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

图9. 使用数码单反相机拍摄的“沙漠中的银河”(图源:邱鹏 摄,使用器材:数码单反相机,参数设置:焦距14mm、光圈f/2.8、ISO6400、曝光时间30秒)

  小结

  全帧CCD、EMCCD,CMOS和sCMOS作为半导体感光器件,因其结构不同,特点不同。在实际天文观测中,根据观测需求选择合适的探测器,才能事半功倍。

  参考文献:

  [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编著,杨大卫等译,胡景耀等校. 天体物理方法. 原书第四版. 科学出版社,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/

  作者简介:邱鹏,中国科学院国家天文台工程师,主要从事科学级天文探测器性能检测与应用、天文望远镜控制、天文技术与方法研究。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 贵州台江:“舞龙嘘花”庆元宵

  • 新春生产忙

独家策划

推荐阅读
中国人工智能发展与安全研究网络主办,上海期智研究院、清华大学人工智能国际治理研究院承办
2025-02-12 19:16
2025年,空天院合成孔径雷达科研团队将继续研制8颗“女娲星座”合成孔径雷达卫星,届时“女娲星座”20颗在轨雷达卫星将实现全球组网运行,对地观测能力将大幅提升。
2025-02-12 10:07
这并不是一辆普通的复古电车,而是一部使用了16K全息数字技术、AI技术与四轴动感震动系统的数字电车。
2025-02-12 10:06
科学家们发现,水波涉及复杂的流体力学效应,能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。
2025-02-12 09:59
通过打造与自然和谐共生的生态经济圈,让生态保护和可持续发展得以兼顾,天目山保护区的实践,吸引了越来越多的关注,也为全球生物多样性保护提供了可借鉴的路径。
2025-02-12 09:57
春节期间,全国科技馆以“科技温暖中国年”为主题,为公众献上一系列融知识性、趣味性和人文关怀于一体的科普惠民活动。
2025-02-12 09:53
2月6日晚,“共和国勋章”获得者、我国第一代核潜艇工程总设计师黄旭华院士因病在武汉逝世,享年99岁。
2025-02-11 14:55
气动外形优化是航空设计中的核心技术,可以提升燃油效率、降低阻力,提高飞行器性能。该几何引擎无需庞大的数据集或繁琐的超参数调整,大幅降低了开展气动优化的复杂度和成本。
2025-02-11 09:43
最近,原子能院自主研发的两步法650毫米直径冷坩埚玻璃固化工程样机,完成90天连续运行试验,收获约52吨玻璃固化体,高放射性废物(以下简称“高放废物”)可被“封印”其中。
2025-02-11 09:43
记者从工业和信息化部获悉:截至目前,全国已建成3万余家基础级智能工厂、1200余家先进级智能工厂、230余家卓越级智能工厂,智能工厂梯度培育行动取得初步成效。
2025-02-11 09:32
提高产业链供应链韧性对于经济安全平稳运行至关重要。智能制造能够优化供需匹配过程、提高供需契合程度、赋能供需深度协同,通过影响企业的协调成本和生产成本产生“扩链”效应和“稳链”效应,推动供给来源多元化、供需关系稳固化,有助于缓解外部不确定性对供应链的冲击,进而提高产业链供应链的抗风险能力。
2025-02-11 09:31
市场监管总局日前发布的数据显示,截至2024年12月底,全国共有45.17万家智能机器人产业企业,注册资本共计64445.57亿元,企业数量较2020年底增长206.73%,较2023年底增长19.39%,呈稳健上扬态势。
2025-02-11 09:30
基于对生成型人工智能与史学研究关系的充分实践和思考,笔者认为,这项革命性的技术既非“潘多拉的盒子”,也不是万能宝箱。人工智能在史学研究中的应用存在不可避免的局限性,需要靠学者克服并化剑为犁。
2025-02-10 09:52
图为2月8日,影迷在成都天府长岛数字文创园哪吒形象雕塑前合影。当哪吒脚踏粒子幻化的风火轮掠过水墨渲染的蜀中山水,观众看到的不仅是一部电影的进化史,更是一个文明古国以科技赋能传统文化展现出的魅力。
2025-02-10 10:16
同新能源汽车一样,未来低空经济主力场景——电动垂直起降航空器(eVTOL)与无人机等的规模化推广应用,离不开高性能动力电池。燕绍九表示,下一步,研究中心将持续推动石墨烯锂电池材料的开发和工程化应用,为低空经济蓬勃发展贡献力量。
2025-02-10 10:13
近日,深度求索(DeepSeek)旗下DeepSeek-R1、V3、Coder等全系列大模型正式接入国家超算互联网平台。为促进超算算力一体化运营、打造国家算力底座,国家超算互联网平台去年4月正式上线,覆盖科学计算、工业仿真、人工智能(AI)模型训练等各个领域。
2025-02-10 10:11
当前AI(人工智能)正在逐渐改变世界,成为政府决策、医疗干预、金融交易、司法审议、环境保护、科学研究等领域的重要“参与者”。
2025-02-10 09:28
张学勇介绍,科研人员挑选了17个具有代表性的小麦品种,对它们染色体水平的基因组进行从头“组装”,最终得到了高质量的基因组数据。中国工程院院士刘旭认为,这项研究成果将推动我国小麦种质资源研究迈入大数据时代,加快重要基因的挖掘与利用。
2025-02-10 10:04
很多人说睡前吃宵夜不好,最常说的理由就是会长胖。其实,长胖跟吃夜宵本身并没有很大关系。
2025-02-08 10:16
冬日暖阳下,搭乘摇橹船泛舟浙江杭州西溪国家湿地公园,水道如巷,河汊如网,如入画境。
2025-02-08 10:14
加载更多