先進(jìn)的CMOS探測(cè)器：開(kāi)創(chuàng)天文觀測(cè)的未來(lái)

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(jiàn)光波長(zhǎng)范圍(380-700 nm)內(nèi)觀測(cè)到，光學(xué)天文學(xué)一直處于天文觀測(cè)的前沿。太空中的許多物體都非常微弱，需要一臺(tái)靈敏度高、噪音最小的相機(jī)來(lái)檢測(cè)它們的微弱信號(hào)。

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

檢測(cè)該信號(hào)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(lái)定義。通常，SNR越高，圖像就越好。有幾種噪聲源，包括來(lái)自源的散粒噪聲和來(lái)自天空的背景噪聲，這是地面觀測(cè)所固有的[1]。

另外兩個(gè)噪聲源是相機(jī)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(guò)適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電子設(shè)計(jì)來(lái)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(wú)論相機(jī)技術(shù)如何，暗電流都會(huì)隨著長(zhǎng)時(shí)間曝光(幾分鐘或更長(zhǎng)時(shí)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(duì)信號(hào)有貢獻(xiàn)的熱噪聲量[2]。由于這些原因，當(dāng)需要很長(zhǎng)時(shí)間的曝光來(lái)捕捉微弱的信號(hào)時(shí)，CCD相機(jī)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(shí)間尺度操作成像傳感器。時(shí)域天文學(xué)和空間碎片跟蹤等應(yīng)用需要更快的時(shí)間尺度來(lái)捕捉盡可能多的動(dòng)態(tài)物體或事件信息。

更快的時(shí)間尺度由曝光和讀出速度的組合決定。對(duì)于CCD的光子被轉(zhuǎn)換為光電子，在讀出過(guò)程中，檢測(cè)到的光電子需要轉(zhuǎn)移到一個(gè)(有時(shí)是幾個(gè))讀出節(jié)點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致讀出速度減慢的瓶頸。CCD上的快速讀出需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)這些讀出節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)進(jìn)行非?？焖俚臏y(cè)量。這種高速測(cè)量通過(guò)引入高水平的讀取噪聲來(lái)降低信號(hào)質(zhì)量[3]。具有大傳感器面積和高像素?cái)?shù)(4k x 4k或更大)的探測(cè)器具有很長(zhǎng)的讀出時(shí)間，在這種情況下無(wú)法獲取信號(hào)，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(jī)械快門來(lái)完全阻擋讀出期間的任何入射光[4]。機(jī)械快門的使用壽命有限，在相機(jī)大量使用時(shí)經(jīng)常需要更換。這對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的天文臺(tái)來(lái)說(shuō)可能是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槟抢锏木S護(hù)可能很有挑戰(zhàn)性。此外，打開(kāi)和關(guān)閉機(jī)械快門相對(duì)較慢，導(dǎo)致幀速率較慢，曝光時(shí)間較短時(shí)會(huì)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(dòng)態(tài)觀測(cè)。EMCCD使用片上放大來(lái)相對(duì)于讀取噪聲提升信號(hào)。有了這種低或可忽略不計(jì)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(dòng)態(tài)事件的演變，同時(shí)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(hào)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(chǔ)區(qū)域。然后，這些電子在擴(kuò)展乘法寄存器中被放大，這增加了所產(chǎn)生的信號(hào)而不增加任何讀取噪聲。

許多EMCCD都有一個(gè)快速的電子快門，在讀出之前，通過(guò)將檢測(cè)到的光電子轉(zhuǎn)移到幀存儲(chǔ)區(qū)域來(lái)停止曝光。電子快門不僅比機(jī)械快門更精確，而且還降低了檢測(cè)器的死區(qū)時(shí)間，在該死區(qū)時(shí)間內(nèi)，相機(jī)不曝光，因?yàn)殡S著信號(hào)從存儲(chǔ)區(qū)域讀出，后續(xù)曝光已經(jīng)開(kāi)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(cè)超微弱信號(hào)的理想選擇，但它們受到過(guò)量噪聲的限制。這種額外的噪聲源是由芯片上放大過(guò)程的隨機(jī)性質(zhì)引起的，并且對(duì)于每個(gè)像素大于幾個(gè)光子的信號(hào)，這種噪聲源會(huì)導(dǎo)致整體靈敏度的犧牲。有關(guān)這些限制的更多信息，請(qǐng)參閱我們的文章相機(jī)傳感器類型[5]。

先進(jìn)CMOS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的CMOS傳感器沒(méi)有被廣泛考慮用于天文觀測(cè)，因?yàn)樗鼈兪乔罢帐降?，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(cè)信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的比例)下工作。然而，CMOS技術(shù)的進(jìn)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(jiàn)光波長(zhǎng)達(dá)到>90%。此外，先進(jìn)的CMOS傳感器設(shè)計(jì)，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(jiàn)圖3)。這使得先進(jìn)的CMOS探測(cè)器不僅適用于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的觀測(cè)，而且適用于那些利用紫外線光譜的探測(cè)器。

圖3：先進(jìn)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(gè)像素中單獨(dú)進(jìn)行(見(jiàn)圖4)，傳感器每列上的讀出節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作。這種并行讀出架構(gòu)提供了巨大的速度優(yōu)勢(shì)，允許CMOS傳感器以更快的速率處理采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)比CCD更低的讀取噪聲，并且沒(méi)有EMCCD的過(guò)度噪聲。

快速讀出不僅對(duì)動(dòng)態(tài)天文成像很重要，而且對(duì)快速?zèng)Q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(jìn)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(dòng)，直到它們讀取讀出陣列。然后，它們逐像素水平移動(dòng)，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(gè)單獨(dú)的ADC，在保持低讀取噪聲的同時(shí)提高了讀取速度。

高動(dòng)態(tài)范圍

在天文學(xué)中，在同一視場(chǎng)內(nèi)同時(shí)有明亮和暗淡的物體并不罕見(jiàn)。高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)使微弱天文物體的探測(cè)成為可能，而不會(huì)使探測(cè)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(jī)可以通過(guò)對(duì)具有高增益和低增益的信號(hào)進(jìn)行多次采樣來(lái)擴(kuò)展動(dòng)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(huì)限制測(cè)量精度。

先進(jìn)的CMOS設(shè)計(jì)，如Teledyne Imaging LACera? 技術(shù)，確保兩個(gè)ADC之間的精確交叉，以實(shí)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(wú)與倫比的動(dòng)態(tài)范圍。有關(guān)LACeraTM技術(shù)HDR操作的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱我們的文章《高動(dòng)態(tài)范圍CMOS的新時(shí)代》[6]。

真全局快門

CMOS傳感器通常通過(guò)一種稱為滾動(dòng)快門的過(guò)程開(kāi)始曝光、讀取并逐行清除傳感器。盡管這個(gè)過(guò)程非?？欤赡軙?huì)給快速移動(dòng)的物體帶來(lái)失真、幀之間的潛在延遲以及同步困難，這對(duì)許多天文學(xué)應(yīng)用都是有害的(見(jiàn)圖5)。

圖5：相機(jī)傳感器如左圖所示，采用滾動(dòng)快門結(jié)構(gòu)，這意味著整個(gè)傳感器的曝光不會(huì)同時(shí)開(kāi)始，而是從傳感器的頂部向底部移動(dòng)。時(shí)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(dòng)行為的時(shí)間尺度是相機(jī)的幀時(shí)間，通常在20ms左右。

或者，同時(shí)讀取和重置所有檢測(cè)器像素的全局快門對(duì)于背照式CMOS傳感器來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。對(duì)于全局快門設(shè)備，要結(jié)束曝光，需要立即將光電子移動(dòng)到存儲(chǔ)區(qū)域。這個(gè)存儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生偽影。

存儲(chǔ)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(duì)于背光技術(shù)來(lái)說(shuō)，這更具挑戰(zhàn)性。與LACera技術(shù)一樣，先進(jìn)的背照式CMOS技術(shù)重新設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)真正的全局快門操作，而不會(huì)產(chǎn)生偽影。在我們的文章中了解更多關(guān)于這個(gè)過(guò)程的信息：用大幅面背照CMOS實(shí)現(xiàn)真正的全局快門[7]。

大視場(chǎng)

并行化和高速操作使CMOS設(shè)計(jì)成為大面積傳感器設(shè)計(jì)的理想選擇。CMOS相機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出像素?cái)?shù)為6k x 6k及以上的相機(jī)，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(duì)較暗、高速物體或多個(gè)較暗物體進(jìn)行精確成像。

大傳感器尺寸的好處包括更少的望遠(yuǎn)鏡移動(dòng)來(lái)跟蹤快速移動(dòng)的物體(空間碎片)，每幀觀察更多的物體(巡天)，以及通過(guò)觀察更多的參考恒星來(lái)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(shì)，但背照式CMOS相機(jī)技術(shù)符合其規(guī)格，同時(shí)克服了其在速度、占空比和噪聲性能方面的限制。CMOS設(shè)計(jì)具有高QE、高動(dòng)態(tài)范圍、短讀出時(shí)間和低噪聲的特點(diǎn)，使其成為廣泛天文學(xué)應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)替代品。

審核編輯 黃宇