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电荷耦合器件是贝尔实验室的威拉德博伊尔和乔治史密斯发明的。CCD是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年代末以来，它被广泛应用于天文观测。与照相底片和光电倍增管相比，具有量子效率高、动态范围大、线性好等优点。
图一。电荷耦合器件的发明者威拉德博伊尔(左)和乔治史密斯(右)因他们的工作获得了2009年诺贝尔物理学奖。
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。入射到CCD上的光子激发光电子，光电子聚集在一起形成电荷包。电荷包依次从一个像素传输到另一个像素，最后传输到输出端，完成对电荷包的测量，如图2 [2]所示。
2.2的工作过程。CCD :电荷产生、电荷收集、电荷包传输和电荷包测量[2]
CCD的分类
CCD的种类很多，天文观测中常用的有CCD(全帧CCD，FFCCD)、电子倍增CCD (EM CCD)等。
全帧CCD具有高密度的像素阵列，可以产生高分辨率的数字图像。读取全帧CCD时，积累的电荷必须先垂直转移到下一行，每个像素由串行读出寄存器水平读出。重复上述步骤，直到完成所有传输，这称为“逐行扫描”，如图3所示。因为全帧CCD的所有像素都参与光感，这些像素在电荷转移的过程中会被用来处理电荷转移，无法继续捕捉新的图像。此时，如果探测器继续受光，成像质量会受到影响。因此，全帧CCD需要配备机械快门，在探测器读出过程中阻挡入射光。机械快门的缺点是快门效应，故障率高，使用寿命有限。
3.全帧CCD图像读取过程示意图[4]
EMCCD主要包括成像区、存储区和输出放大器。与全帧CCD不同，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，倍增电极分布在增益寄存器中以加速载流子。高速充电会激发更多的载流子，从而实现信号放大，如图4 [5]。
4.EMCCD结构示意图[5]
EMCCD典型的工作模式是感光区域按照规定的曝光时间进行积分。曝光后感光区的电荷迅速转移到存储区，感光区可以立即进入下一次曝光。同时，存储区的电荷自上而下逐行转移；在读出期间，电荷被转移到增益寄存器进行放大和读出。这种工作模式的读取速度很快。在没有机械快门的情况下，通常每秒可以拍摄十多张图像，可以满足一些科学物镜的短曝光和快速读取的需要。
EMCCD在弱光成像方面比CCD有更高的灵敏度。这是因为EMCCD可以在不增加读出噪声的情况下，通过放大增益寄存器来提高图像的信噪比，而CCD只能通过增加曝光时间来提高信噪比。但在观测亮目标时，EMCCD在信号放大时会引入其他噪声，在相同曝光时间下，CCD可能是更好的选择。
CMOS和sCMOS
互补金属氧化物半导体(CMOS)诞生于20世纪80年代。CMOS图像产生的机理也是光电效应，其工作过程还包括电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。与CCD不同，CMOS的每个像素都集成了模拟电路，一个像素完成四个过程，即每个像素输出转换后的电压信号。
5.CCD将电荷逐行扫描到输出放大器，然后转换成电压信号；将CMOS电荷转换成像素中的电压信号[6]
与CCD相机相比，传统CMOS相机的噪声更高、填充因子更低、量子效率更低、动态范围更小，因此在专业天文观测中应用并不广泛。90年代末，随着手机拍照功能的发展和手机行业的快速发展，CMOS技术迅速发展，CMOS的缺点得到有效改善。2009年，科学CMOS (S CMOS)技术出现。该技术基于CMOS架构，通过片内相关多重采样和调整半导体掺杂比例来降低噪声。增加全井像素容量，通过双向读出和高动态范围图像合成增加动态范围，通过二维无缝拼接技术实现大靶面。它克服了CMOS的一些缺点，实现了低噪声、高帧率、高动态范围、高分辨率和大目标面积。作为CMOS的一种，sCMOS主要用于科学研究。
CMOS应用电子快门，如卷帘快门和全局快门。对于滚动快门，图像是逐行读出的，很像机械快门。拍摄快速移动的物体时，会出现图像倾斜、抖动等现象。全局快门像素在曝光时间内积累电荷。曝光后，所有像素同时复位，传送到存储区并读出。所以在拍摄快速移动的物体时不会出现变形。与全局快门像素相比，滚动快门像素的读出噪声低，读出速度快，适用于拍摄一些与相机相对静止或要求低噪声、高帧率的目标图像。全局快门像素更适合用相机拍摄相对高速运动的目标图像。与机械快门相比，电子快门不需要考虑快门效果和快门寿命。在实际使用中，可以实现短曝光，维护方便。
图6。滚动快门在拍摄快速移动的物体时会变形，而全局快门不会[7]
目前，sCMOS已经广泛应用于生物、物理等科研领域，CMOS已经取代CCD成为民用领域最重要的光敏器件。专用天文相机与普通消费数码相机有很大不同。主要区别如下：33601。专用天文相机使用的光敏芯片像素更大(像素越大，恒定全阱电荷越大)，噪声更低，所以动态范围更大；通过使用16位模数转换器可以获得16位数字图像。此外，它还具有线性度好、量子效率高的优点。2.天文相机通常需要对感光芯片进行深度冷却，以降低暗电流。芯片需要密封在封闭空旷的房间里，所以体积大，结构复杂。3.天文相机需要连接电脑，设置专门的控制软件。
7.左边是科学天文相机，右边是消费数码相机(图片来源:网络)
图8。天文相机拍摄的“梅西耶天体M81和M82”(图片来源:邱鹏，所用设备:106mm望远镜、LRGB滤光片和天文制冷CCD，LRGB四通道总曝光时间约28小时，单次曝光最长时间30分钟)
9.数码单反相机拍摄的《沙漠中的银河》(图片来源:邱鹏摄，所用设备: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)
总结
作为半导体光敏器件，全帧CCD、EMCCD、CMOS、sCMOS由于结构不同，具有不同的特性。在实际天文观测中，只有根据观测要求选择合适的探测器，才能事半功倍。
参考资料:
[1]http://tech . Sina . com . cn/digi/DC/2009-10-09/05373490569 . shtml
[2]詹姆斯·詹尼斯克。决斗探测器。SPIE，2002年:第30-33页
[3]c . R .基钦主编，等人译，胡等校。天体物理学方法。原著第四版。科学出版社，2009，1-23，149-160
[4]CCDs简介，
http://spiff . rit . edu/classes/ast 613/lectures/CCDs _ kids/CCDs _ kids . html
[5]什么是电子倍增CCD (EMCCD)相机，
https://andor . oxi NST . com/learning/view/article/electronic-multiplied-CCD-camera
[6]戴夫·利特维勒，达尔萨。CMOS与CCD:成熟的技术，成熟的市场。光子光谱。2005
【7】卷帘快门VS全局快门，
https://www . premium beat . com/blog/know-the-basics-of-global-shutter vs . rolling-shutter/
作者简介:邱鹏，科学院天文台工程师，主要从事科学天文探测器性能测试与应用、天文望远镜控制、天文技术与方法研究。
编辑:赵
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