雖然說拍出好照片，起決定性作用的是拍攝人本人，但是不可否認的是天文器材的性能對于天文攝影而言，也是極其關鍵的，對于天文學研究而言，設備的性能甚至具有決定性作用。就如10公分的鏡子在細節和極限星等上，無論如何都拼不過1米的鏡子。相機也是如此，由于相機的性能對于觀測結果有着巨大的影響，天文觀測對于成像終端的選擇也是非常苛刻和考究的。

CCD與CMOS

CCD與CMOS，在芯片外形上看不出很大的區别。通常CCD的引腳較少，而CMOS較多。圖中左上方的芯片是QHY367C全畫幅制冷CMOS相機中采用的3600萬像素CMOS芯片，而右上方的是QHY16803A中采用的4K*4K分辨率KAF16803 CCD芯片，右下角是最新的1.5億像素SONY中畫幅CMOS芯片（相機正在研發中）。

CCD是貝爾實驗室的科學家維拉·博伊爾(Willard S. Boyle)以及喬治·史密斯（George E. Smith）于1969年發明的一種半導體器件，CCD在科學研究領域如天文學研究，以及在我們日常生活中如相機及攝像機的應用中有着巨大貢獻，CCD的發明者曾被授予2009年的諾貝爾物理學獎。CCD是Charge Couple Device的縮寫，中文翻譯為電荷耦合器件。首先，它的感光原理是光電效應。光子首先被轉換成了電荷，并且在像素區域實現電荷的積累。然後再一組順序變化的驅動電壓下，一行一行的電荷沿着垂直方向轉移。當一行的電荷轉移到最後一行時候，再通過水平驅動時序，挨個的輸出到一個電容中，因此電容兩端電壓的變化。當電壓連接到AD轉換器上，通過測量這個電壓，我們就能獲取每一個像素的電荷數量，也就代表了這個像素的光強值。

下面一張圖更為形象的說明了CCD的工作原理，圖中正在淅淅瀝瀝下的小雨代表了到達圖像傳感器的光子，而一個個水桶則代表每一個像素，在一定時間内（即曝光時間），水桶裡面盛的水代表轉化成的電荷（水桶的容量叫做FULLWELL，滿阱電荷數，或者阱深）。傳動帶将水桶往下傳遞，然後水平的傳動帶将水桶往最後的量杯中傳遞，這個過程反應了“電荷耦合”的原理。最終在量杯中，我們可以讀取每一個水桶裡面收集到的雨水量，也就是每一個像素上累計的電荷數量。

CCD發明距今已經近半個世紀了，在天文學研究上，仍然是目前最主要的成像終端。而近年來在圖像傳感器領域，又出現了一個新星: CMOS傳感器，并且在消費類電子産品的需求驅動下，性能獲得迅猛發展。那麼，現階段CCD和CMOS相比，各自的優劣勢在什麼地方，對于業餘天文攝影而言，到底應該選擇CCD還是CMOS呢？

為了更好的理解CCD和CMOS在性能上的區别，首先還是要從CCD和CMOS的讀出原理說起。CCD和CMOS在光電轉換部分的原理和結構幾乎是完全一樣的，然而二者的本質區别在于他們讀出方式是完全不同的，正是因為這個不同的讀出方式，導緻了CCD與CMOS形成各自特色性能。

下圖清晰的說明了CCD與CMOS在讀出方式上的差異，CCD通過多次電荷轉移，最終在輸出的地方将電荷轉換成了電壓信号。而CMOS的讀出，并不是以一連串的電荷轉移為基礎的，而是每一個像素連接有一個電容。因此可以直接将電荷轉換成電壓，而通過選通電路，将每一行的電壓連接到AD轉換器上，實現數字化轉換。

現在的CMOS電路已經實現了片上集成的AD轉換器，通常每一列具有一個AD轉換器，因此一個數千列的CMOS，片上會有數千個轉換器。他們會并行的進行轉換。而CCD的AD轉換器在外部，通常隻有一個或者數個片外的AD轉換器。由此看來，CMOS在轉換速度上非常具有優勢，幾千個AD同時進行轉換，其總轉換速度大大超過CCD。因此CMOS很容易實現高幀率。對于，一個200萬像素的CCD要實現30幀已是一個很不容易的事情，通常需要兩個通道才能勉強達到。而對于CMOS，200萬像素達到上百幀是輕而易舉的事情。例如QHYCCD出品的QHY5III290相機，在1920*1080下可以達到135幀每秒的讀取速度。

高的幀率顯然對于行星攝影非常有利。因為行星攝影需要在短時間内拍攝出盡可能多的幀，以便實現大量疊加的過程中挑選出瞬間視甯度好的照片。同時鑒于大行星的自轉，也需要在短時間内完成拍攝。因此這使得CMOS在行星攝影領域大顯身手。使得地面行星攝影的水平在近年來急速提升。

全球著名行星攝影大師Chrisopher Go使用QHY290M相機拍攝的土星

著名彗星獵手Terry Lovejoy)使用QHY183C相機在2018年的火星大沖階段拍攝的火星，大沖前後的火星正處于一場全球範圍的沙塵暴中。但是通過通過圖像疊加和增強處理，仍然可以清晰地看到火星上的一些細節。

同時,CMOS的工藝使得CMOS可以用标準的半導體制程實現生産，而CCD則需要專用産線。因此CMOS的大批量生産更為容易，成品率更高，使得CMOS的價格較為低廉。如入門級的QHY5L-II CMOS相機APTINA的MT9M034 CMOS芯片，具有74%的量子效率和30幀@1280*960的幀率，價格僅為1280元/980元（黑白/彩色）。由于親民的價格，精巧的外觀以及QHYCCD專利的導星口設計，QHY5L-II還廣泛的應用于導星，是目前使用非常廣泛的入門型行星/導星相機，其外形和功能也被國内外多家廠商模仿。

當然，世界上很難找到絕對完美的事物。CMOS通過像素級的電容進行電荷到電壓轉換，以及大量列AD轉換器進行數模轉換，這樣的讀出方式也産生了一個問題，AD轉換器以及電容都可能存在一緻性問題，最終的結果導緻了FPN（固定模闆噪聲）的出現。在早期的CMOS中，可以看到明顯的豎直條紋。這就是以一種典型的FPN噪聲。而電容的不一緻性則會導緻光強-輸出值響應的不一緻性。這不僅會增加噪聲和圖像粗糙感，也會導緻天文數據的不準确性，嚴重影響科學數據的可靠性。而這種像素不均勻性，如果隻是觀察偏置場或者暗場，并不容易察覺。

QHYCCD是在業餘天文攝影領域最早使用CMOS技術的廠商，早在2007年，就推出了采用鎂光的MT9M001 CMOS芯片了一代QHY5，這個芯片的垂直條紋是較為明顯的，雖然這個CMOS由于FPN噪聲問題成像質量不是那麼盡如人意，差點被我扔到垃圾桶裡面，但是由于該FPN噪聲對自動導星的計算影響不大，加之CMOS成本大大低于CCD，在自動導星領域大放異彩，成為首個在天文攝影領域大量使用CMOS相機，也是前一些年的主流導星相機。

解決FPN噪聲的主要方法，除了改善半導體制程工藝，進一步提高相關部分的一緻性之外，采用片上校準是目前較為普遍的現象，通過片上FPN校準電路，可以很好的校準垂直條紋。而通過片上CDS雙相關采樣，也可以在一定程度上減輕像素不一緻性。近年來的主流CMOS傳感器均采用了這一技術，例如QHY5III系列相機，以及QHY的制冷CMOS相機系列（QHY COLDMOS相機）所采用的SONY CMOS傳感器，背景已經非常的均勻，看不到任何的條紋了。但是片上FPN校準仍然會引發另外一個問題，對于天文觀測而言，我們希望得到的是最原始的數據，而片上校準可能會破壞掉數據的原始性，尤其是會對後期的圖像校準流程産生困擾。因為每一次片上校準的标準都可能發生漂移。這個會導緻最終圖像的不确定性。

圖：二代QHY5L-II相機，其中QHY5L-II采用的MT9M034在片上FPN校準上，已經有顯著進步，背景已經基本均勻。

圖：三代QHY5III相機所采用的SONY CMOS傳感器的背景已經非常均勻。

現階段，在專業的天文學界，把CMOS用于定量測量，如測光等，類似應用能否滿足科學數據準确性的質疑仍然存在，這需要對CMOS器件進行更為廣泛的測試與标定，需進一步的研究此類一緻性問題。在這些問題尚未明了之前，科學家們仍然傾向于采用成熟穩定的CCD器件用于天文測量，如測光類應用。而在天文教學領域，選擇CCD相機作為天文教學仍然是首選，這可以使用已經成熟幾十年的CCD校準的标準流程，利于教學。當然，對于非測量類，例如暗弱目标檢測，特别是曝光時間有限或者光子數有限的圖像拍攝。CMOS則體現出其獨有的優勢---超低的讀出噪聲。

QHY16200A

QHY09000A

(圖： QHY16803A和QHY09000A相機，采用4K*4K，9um像素芯片和3K*3K，12um像素芯片，該相機内置7孔濾鏡論，是中學天文台和高校天文台天文教學首選産品）

讀出噪聲是弱光成像儀器的一個重要指标。什麼是讀出噪聲呢? 且聽下回分解。

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