光学图像传感器简史

据麦姆斯咨询报道，近日，德国波茨坦莱布尼茨天体物理学研究所（Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam，AIP）教授、innoFSPEC负责人Martin M. Roth在Astronomische Nachrichten期刊发表了以“A brief history of image sensors in the optical”为主题的文章。

图像传感器，尤其是电荷耦合器件（CCD），已经彻底变革了观测天文学，可能是继摄影术之后最重要的创新。2019年是CCD发明50周年，值此之际本文章回顾了可见光波段探测器的发展历程，从光电效应的发现及1913年Sternwarte Babelsberg首次利用光电效应进行恒星光度测定开始，到CCD的发明并在美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）不断发展，再到如今的高性能CCD和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。

光电效应

海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）于1887年公开的开创性研究工作“Ueber sehr schnelle electrische Schwingungen”使得研究者发现了电磁波。同年，赫兹发表的论文“Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung”通常被认为代表了光电效应的发现。高中老师Elster和Geitel是第一批制造碱性光电管的研究人员（1893年获得专利），基于这些器件，他们于1889年设计并制造出了“旨在通过相关电流定量测量光源通量”的设备，全球首台光电光度计应运而生，它是一种单像素光传感器。

不久后，同样关注光电效应的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）得出结论：光能的量子化与量子（即光子）的波长相关，这表明可使用统计方法来描述光与物质的相互作用。这促使关于吸收、发射和受激发射过程的统计“爱因斯坦方程”的诞生，该方程具有开创性。爱因斯坦正是凭借这篇论文（1905年）在1922年获得诺贝尔物理学奖。

回顾历史，也许可以说赫兹（1887年）与爱因斯坦（1905年）之间跨越的二十年为20世纪下半叶和21世纪的关键技术的发展奠定了基石。人们在当时可能尚未充分认识到一百年后这些技术的巨大创新潜力。

在天文学中引入光电光度法

正如Campbell在1913年所指出的那样，根据Kemp的一项比较研究表明：Elster和Geitel发明的光电管比硒光电管灵敏200倍。1913年由Guthnick翻译的研究内容是上第一篇关于使用Elster和Geitel提供的实验仪器进行光电光度测量的天文学期刊论文。

在介绍光电光度法时，必须提及光电倍增管（PMT）的发明，以及通过使用二次发射和PMT显著提高了单像素光度法的灵敏度。红光敏感PMT的发展以及光度路径波段的定义彻底改变了光度测量，为天体物理学开辟了新的定量领域。然而，CCD的发明很快取代了这些光电器件在光学天文学中的地位。

CCD

前面讨论了光电效应和无空间分辨率的“单像素”探测器。然而，还存在光伏效应，这是由贝克勒尔（Becquerel）于1839年首先报道的。这两种效应有时也分别被称为外部光电效应和内部光电效应。外部光电效应是通过撞击光子的能量将自由电子从金属导电层释放到真空中，而光伏效应（内部光电效应）是通过吸收材料晶格内的光子能量将电子从价带提升到半导体的导带。其中最广为人知的光电探测器是光电二极管和光电晶体管。

出于各种原因，半导体器件最初在天文光度测量领域并不是PMT的有力竞争对手。这种情况在Williard S. Boyle和George E. Smith于1969年在贝尔实验室发明CCD后彻底改变。两人凭借此项成果荣膺2009年度诺贝尔物理学奖。早期推动紧凑型半导体成像仪开发的驱动力是AT&T贝尔实验室（AT&T Bell Labs）正在开发的“Picturephone”，该项目最终因可视电话技术商业化失败而停止。

因此，可以公正地得出结论，虽然硅基图像传感器在20世纪70年代的广泛商业时机尚未成熟，但是对地面和太空的科学级探测器系统的迫切需求一直是推动CCD（以及后来的科学级CMOS）发展的独特驱动力，一旦它们被确立为高效可靠的科学应用探测器，最终就会成为消费市场中的一项创新。

CCD探测器的科学成就

CCD探测器促使科学在定量化方面取得重大进展。图4显示了47 tuc球状星团中单个恒星的光度测量精度和准确度的提高。

图4 球状星团47 Tuc的颜色星等图（CMD）

这种显著改进的实现有以下原因：（1）CCD提供的量子效率（QE）比摄影底片的量子效率高两个数量级。（2）摄影术从密度到强度的标定响应曲线是非线性的，而大多数CCD从读取本底噪声到（几乎）满阱容量都是线性的，可提供大约三个数量级的更宽动态范围。（3）同样重要的是，现代CCD相机可以立即产生数字采样输出信号，并可以直接存储在计算机上进行处理，而摄影底片则需要用微测密度计进行额外扫描。

将CCD装入光谱仪后，不仅可以直接成像，而且提高了光谱探测的灵敏度和准确性。图5展示了欧洲南方天文台（ESO）在CASPEC中阶梯光谱仪中安装320 x 512像素RCA芯片的示例。

审核编辑：刘清