據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，德國波茨坦萊布尼茨天體物理學(xué)研究所（Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam，AIP）教授、innoFSPEC負(fù)責(zé)人Martin M. Roth在Astronomische Nachrichten期刊發(fā)表了以“A brief history of image sensors in the optical”為主題的文章。

圖像傳感器，尤其是電荷耦合器件（CCD），已經(jīng)徹底變革了觀測天文學(xué)，可能是繼攝影術(shù)之后最重要的創(chuàng)新。2019年是CCD發(fā)明50周年，值此之際本文章回顧了可見光波段探測器的發(fā)展歷程，從光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及1913年Sternwarte Babelsberg首次利用光電效應(yīng)進(jìn)行恒星光度測定開始，到CCD的發(fā)明并在美國噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory）不斷發(fā)展，再到如今的高性能CCD和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器。

光電效應(yīng)

海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）于1887年公開的開創(chuàng)性研究工作“Ueber sehr schnelle electrische Schwingungen”使得研究者發(fā)現(xiàn)了電磁波。同年，赫茲發(fā)表的論文“Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung”通常被認(rèn)為代表了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。高中老師Elster和Geitel是第一批制造堿性光電管的研究人員（1893年獲得專利），基于這些器件，他們于1889年設(shè)計并制造出了“旨在通過相關(guān)電流定量測量光源通量”的設(shè)備，全球首臺光電光度計應(yīng)運(yùn)而生，它是一種單像素光傳感器。

不久后，同樣關(guān)注光電效應(yīng)的阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）得出結(jié)論：光能的量子化與量子（即光子）的波長相關(guān)，這表明可使用統(tǒng)計方法來描述光與物質(zhì)的相互作用。這促使關(guān)于吸收、發(fā)射和受激發(fā)射過程的統(tǒng)計“愛因斯坦方程”的誕生，該方程具有開創(chuàng)性。愛因斯坦正是憑借這篇論文（1905年）在1922年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

回顧歷史，也許可以說赫茲（1887年）與愛因斯坦（1905年）之間跨越的二十年為20世紀(jì)下半葉和21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展奠定了基石。人們在當(dāng)時可能尚未充分認(rèn)識到一百年后這些技術(shù)的巨大創(chuàng)新潛力。

在天文學(xué)中引入光電光度法

正如Campbell在1913年所指出的那樣，根據(jù)Kemp的一項比較研究表明：Elster和Geitel發(fā)明的光電管比硒光電管靈敏200倍。1913年由Guthnick翻譯的研究內(nèi)容是上第一篇關(guān)于使用Elster和Geitel提供的實驗儀器進(jìn)行光電光度測量的天文學(xué)期刊論文。

在介紹光電光度法時，必須提及光電倍增管（PMT）的發(fā)明，以及通過使用二次發(fā)射和PMT顯著提高了單像素光度法的靈敏度。紅光敏感PMT的發(fā)展以及光度路徑波段的定義徹底改變了光度測量，為天體物理學(xué)開辟了新的定量領(lǐng)域。然而，CCD的發(fā)明很快取代了這些光電器件在光學(xué)天文學(xué)中的地位。

CCD

前面討論了光電效應(yīng)和無空間分辨率的“單像素”探測器。然而，還存在光伏效應(yīng)，這是由貝克勒爾（Becquerel）于1839年首先報道的。這兩種效應(yīng)有時也分別被稱為外部光電效應(yīng)和內(nèi)部光電效應(yīng)。外部光電效應(yīng)是通過撞擊光子的能量將自由電子從金屬導(dǎo)電層釋放到真空中，而光伏效應(yīng)（內(nèi)部光電效應(yīng)）是通過吸收材料晶格內(nèi)的光子能量將電子從價帶提升到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。其中最廣為人知的光電探測器是光電二極管和光電晶體管。

出于各種原因，半導(dǎo)體器件最初在天文光度測量領(lǐng)域并不是PMT的有力競爭對手。這種情況在Williard S. Boyle和George E. Smith于1969年在貝爾實驗室發(fā)明CCD后徹底改變。兩人憑借此項成果榮膺2009年度諾貝爾物理學(xué)獎。早期推動緊湊型半導(dǎo)體成像儀開發(fā)的驅(qū)動力是AT&T貝爾實驗室（AT&T Bell Labs）正在開發(fā)的“Picturephone”，該項目最終因可視電話技術(shù)商業(yè)化失敗而停止。

因此，可以公正地得出結(jié)論，雖然硅基圖像傳感器在20世紀(jì)70年代的廣泛商業(yè)時機(jī)尚未成熟，但是對地面和太空的科學(xué)級探測器系統(tǒng)的迫切需求一直是推動CCD（以及后來的科學(xué)級CMOS）發(fā)展的獨特驅(qū)動力，一旦它們被確立為高效可靠的科學(xué)應(yīng)用探測器，最終就會成為消費市場中的一項創(chuàng)新。

CCD探測器的科學(xué)成就

CCD探測器促使科學(xué)在定量化方面取得重大進(jìn)展。圖4顯示了47 tuc球狀星團(tuán)中單個恒星的光度測量精度和準(zhǔn)確度的提高。

圖4 球狀星團(tuán)47 Tuc的顏色星等圖（CMD）

這種顯著改進(jìn)的實現(xiàn)有以下原因：（1）CCD提供的量子效率（QE）比攝影底片的量子效率高兩個數(shù)量級。（2）攝影術(shù)從密度到強(qiáng)度的標(biāo)定響應(yīng)曲線是非線性的，而大多數(shù)CCD從讀取本底噪聲到（幾乎）滿阱容量都是線性的，可提供大約三個數(shù)量級的更寬動態(tài)范圍。（3）同樣重要的是，現(xiàn)代CCD相機(jī)可以立即產(chǎn)生數(shù)字采樣輸出信號，并可以直接存儲在計算機(jī)上進(jìn)行處理，而攝影底片則需要用微測密度計進(jìn)行額外掃描。

將CCD裝入光譜儀后，不僅可以直接成像，而且提高了光譜探測的靈敏度和準(zhǔn)確性。圖5展示了歐洲南方天文臺（ESO）在CASPEC中階梯光譜儀中安裝320 x 512像素RCA芯片的示例。

審核編輯：劉清