天文攝影的感光元件 (3) : CCD與CMOS
最後編輯時間: 西曆2023年03月06日
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天文攝影的感光元件 (3) :
CCD與CMOS
對天文攝影或者天文觀測有所認識的人而言，拍攝影像的相機，很容易聯想上CCD (Charge Coupled Device，電荷耦合元件)，以這項元件製成的感光元件，在西曆1970年左右被發明，於1980年代開始，CCD感光元件 (簡稱CCD) 被大量地運用於專業的天文臺，作爲拍攝影像的工具，在當時，CCD算是尖端科技，取代了相對低效率的感光板，也就是一種類似底片，以銀的鹵化物感光後，產生的化學反應來記錄照射光線明暗的板子。
自西曆2000年左右，CCD感光元件也被大量應用在消費產品上，比如數位相機以及手機的相機上，但不到十年光景，到2010年左右，消費產品中CCD感光元件幾乎被CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補式金屬、氧化物半導體) 製成的感光元件取代，接着，生產消費級CCD感光元件的公司，如柯達 (Kodak) 和索尼 (Sony)，也接連停產CCD，在2020年代，已經沒有什麼消費產品會使用CCD了。
在專業的天文臺上，CCD感光元件還有一定的使用量，並依賴少數專門的供應商生產，比如Teledyne e2v，但越來越多天文臺也逐漸應用CMOS感光元件。而業餘的天文攝影和觀測中，CCD感光元件也幾乎被CMOS感光元件取代。也就是說，現在拍攝天文的相機，就算是製冷的相機，也十有八九使用CMOS感光元件。
因此，如今把拍攝天文場景的相機，都稱作CCD，無疑是不正確的，CCD和CMOS這兩類感光元件，固然有一定的共通之處，比如可以使用類似的二極體結構來接收光，並產生電荷信號，但是怎麽讀取這些電荷信號，以及連帶的電路設計，都有不小的差異，且正式由於這些差異，最終使得CMOS感光元件有諸多優勢，並幾乎取代了CCD感光元件。
嚴格地說，CCD和CMOS都是寬泛的稱呼，只不過CCD從被發明伊始，就是作感光元件使用，而CMOS則有多種多樣的電子電路應用，其中一種應用，就是作爲感光元件，這時稱爲CMOS APS (Active Pixel Sensor，主動像素感測器) ，也就是現在手機、數位相機中照相用的元件，其稱呼多種多樣，比如常常稱作「CMOS Sensor (CMOS感測器)」，有時候也叫「CMOS Image Sensor (CIS，CMOS影像感測器)」，甚至直接稱呼CMOS，但都是指同個東西。
§CCD感光元件
在 (圖一) 和 (圖二) 中，每一個灰色方塊都是一個CCD感光元件的像素 (Pixel)，一個像素中包含了若干元件，主要是光電二極體 (Photodiode) 和電容，電容也是使用半導體MOS所製。每一個像素的電容都挨在一起，當這些像素中的電荷信號，也就是以黃色圓點表示的電子，要被「讀出」的時候，就會依序轉移到相鄰像素的電容中，這種工作方式被稱爲電荷耦合 (Charge Coupled)，CCD得名於此。
綠色箭頭表示電子轉移的方向，多個相互平行的直排 (Column) 像素在「並行位移寄存器」 (Parallel Shift Register，或稱並列位移寄存器) 的控制下依序縱向傳遞，傳輸到最底下以藍色方塊表示的電容後，則在「序列位移寄存器」 (Serial Shift Register) 控制下依序橫向傳遞，這些電子在經過「放大器」 (AMP, Amplifier) 和「類比數位轉換器」 (或稱爲模擬數字轉換器，ADC, Analog-to-Digital Converter) 處理之後，變成數位信號。
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| (圖一)，CCD感光元件讀出的示意 | |
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| (圖二)，CCD讀出的GIF示意動圖 |
在CCD的工作中，像素中信號電荷需要「借道」其他像素傳遞，這種設計造成了若干限制，其中兩點特別顯著。
1. CCD對每個像素間轉移電荷的效率要求很高，如果轉移效率過低，在有很多像素的情況下，光是轉移電子，最後都可能漏了大半。比如某像素的電荷，要經過2048個像素轉移，意即電荷要轉移2048次，哪怕每個像素間的轉移效率是99%，0.99的2048次方也是個非常小的數，更何況是 2048 x 2048 像素，約400萬像素的二維感光元件。換言之，離讀出元件最遠的像素，就算有上萬個電子，在轉移到讀出元件時，也可能一個電子都不剰。
2. 一個像素的電荷要讀出，需要一一借道其他像素，這使得對製程良率要求高，如果轉移中途某個像素有瑕疵，比如漏電，對借道該瑕疵像素而過的電荷來說，就會產生污染，或者該像素本身異常，使得電荷轉移不過去。
CCD的功能整合度低，CCD晶片本身提供的功能很少，要驅動CCD晶片工作，需要在外圍搭建較複雜的電路，提供電壓、時鐘信號甚至讀出ADC等等，這使得對外圍電路的要求上升，從而造成至少在消費產品上，使用CCD感光元件的相機，有更高的生產成本。
CCD感光元件讀出信號的速度，受限於像素間的電荷傳遞速度，和最後ADC工作的頻率，一種提升讀出速度的做法是將像素區域分割成若干，比如分成四塊區域###，每一塊區域各自轉移電荷，但是這種做法增加了外圍控制電路的複雜程度，很難將區塊分割得太多，因此一般的CCD多半只有一個ADC。
§CMOS感光元件
由於CCD的若干問題，另外一類不需要「排隊」依序讀出的感光元件應運而生，其最大的特徵是像素中的信號電荷可以獨立地讀出。
PPS (Passive Pixel Sensor，被動像素感測器) 可以不借道其他像素，從像素中獨立地轉移出信號電荷，但是類似CCD，轉移出的是電荷。而接着發展出的APS (Active Pixel Sensor，主動像素感測器) ，其工作方式如 (圖三) 和 (圖四) 所表示，同樣從像素中獨立轉移出信號，但在每一個像素中都多了以橘色三角形表示的放大器，將原本的信號電荷轉換成電壓並放大，接着再轉移出像素。早期有NMOS APS，大概在1980年代出現了CMOS APS，也就是如今所說的CMOS感光元件。
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| (圖三)，CMOS感光元件讀出的示意 |
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| (圖四)，CMOS讀出的GIF示意動圖 |
由於CMOS APS感光元件的信號讀出，不需要經過如CCD信號讀出那般的電荷轉移，同時在單個像素內，電荷信號已經被轉換成電壓信號並放大，使得製造CMOS APS的要求比CCD低得多，就算上面的某個像素有瑕疵，也不容易對其他像素造成影響。同時CMOS APS的晶片本身多半整合大量的控制電路，使得驅動其運作的外圍電路板能精簡得多，整體而言，用CMOS感光元件的相機有更低的生產成本，從而更容易普及。
CMOS感光元件的像素讀出不用受限於像素間的電荷傳遞速度，這點先天優勢使得其讀出速度可以遠遠快於CCD感光元件，此外受益於CMOS感光元件更易在晶片上整合電路元件，多ADC設計在CMOS感光元件很普及，以 (圖三) 和 (圖四) 而言，便是每個直行 (Column) 都配有一個ADC，或者每個像素都配有各自的ADC，使得讀出速度再更上一層樓。
由於CCD感光元件的低整合度，各個像素之間分立的元件少，相比CMOS感光元件每個像素都有獨立的放大器等元件，使得CCD更容易在各個像素上有更高的一致性，更先應用於具有高要求的專業科研用途。但隨着製程技術和設計的改善，CMOS在這些領域也逐漸能與CCD匹敵。
雖然專業的天文臺在西曆2020年左右多半還被認爲使用CCD感光元件的相機，但其實在2000左右，天文臺針對紅外波段的HgCdTe (汞鎘碲) 感光元件其實早已是類似CMOS APS的感光元件，像素可以獨立地讀出。
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