带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS
CCD的诞生与工作原理
你是否曾好奇，是什么驱动了数字成像的飞跃？电荷耦合器件（CCD）正是答案！它由贝尔实验室的威拉德·波伊尔和乔治·史密斯发明，这项突破性工作让他们荣获2009年诺贝尔物理学奖。CCD基于光电效应，将光子转化为电子信号，自20世纪70年代起就成为天文观测的利器，以其高量子效率、宽动态范围和优异线性度取代了传统底片。
图1. CCD发明人威拉德·波伊尔（左）和乔治·史密斯（右），诺奖得主[1]
CCD运作如精密的电荷流水线：光子激发电子，电子被收集成电荷包，然后通过像素阵列逐级转移，最终在输出端测量。这个过程实现了从光到数字信号的完美转换[2]。
图2. CCD工作流程：电荷产生、收集、转移和测量[2]
CCD的分类
CCD家族多样，天文领域常用全帧CCD和电子倍增CCD（EMCCD）。全帧CCD拥有高密度像素，能产出高清图像，但读取时需逐行扫描，并依赖机械快门避免光干扰，这可能导致快门故障和寿命问题。
图3. 全帧CCD的逐行扫描读出示意[4]
EMCCD则更智能，它在结构中加入增益寄存器，通过高压加速电子，实现信号放大。这种设计让EMCCD在弱光下灵敏度飙升，每秒可捕捉十几张图像，无需机械快门，特别适合高速观测。但在强光下，放大过程会引入额外噪声，此时传统CCD可能更优。
图4. EMCCD结构：成像区、存储区和增益寄存器[5]
CMOS与sCMOS
CMOS技术诞生于20世纪80年代，同样利用光电效应，但每个像素都集成电路，直接输出电压信号，实现了更快速的读取。传统CMOS曾因噪声高、效率低而受限，但随着手机摄像的爆发，CMOS飞速进化。2009年，科学级CMOS（sCMOS）登场，通过降噪、高动态范围拼接等技术，攻克了旧有缺点，成为科研新宠。
图5. CCD与CMOS信号处理对比：CCD集中放大，CMOS像素级转换[6]
CMOS的电子快门分为卷帘和全局两种。卷帘快门逐行曝光，拍摄运动物体会变形；全局快门则同时曝光所有像素，完美定格高速瞬间。电子快门维护简便，寿命长，远超机械快门。
图6. 卷帘快门变形 vs 全局快门清晰[7]
如今，sCMOS已广泛应用于生物、物理等领域，而CMOS更成为消费电子的主力。天文相机与普通相机差异显著：天文专用芯片像素大、噪声低、动态范围广，支持16-bit高清图像；深度制冷降低暗电流；需连接电脑专业控制。这些特性让它们能捕捉深邃星空，而消费相机则擅长日常摄影。
图7. 左为科学级天文相机，右为消费数码相机（图源：网络）
图8. 天文相机拍摄的M81和M82星系（邱鹏 摄，总曝光28小时）
图9. 数码单反拍摄的沙漠银河（邱鹏 摄，曝光30秒）
小结
全帧CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS各具特色，在天文、医疗、工业等领域大放异彩。选择合适探测器，能让你的观测事半功倍！想深入了解？欢迎分享你的想法，一起探索成像技术的无限可能。
参考文献：
[1] 链接13
[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，
链接10
[5] What is an Electron Multiplying CCD (EMCCD) Camera,
链接1
[6] Dave Litwiller, Dalsa. CMOS vs. CCD: Maturing Technologies, Maturing Markets. Phoeonics Spectra. 2005
[7] Rolling shutter VS Global shutter,
链接2
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
来源： 光明网
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