據麥姆斯咨詢報道，近日，德國波茨坦萊布尼茨天體物理學研究所（Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam，AIP）教授、innoFSPEC負責人Martin M. Roth在Astronomische Nachrichten期刊發表了以“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），已經徹底變革了觀測天文學，可能是繼攝影術之后最重要的創新。2019年是CCD發明50周年，值此之際本文章回顧了可見光波段探測器的發展歷程，從光電效應的發現及1913年Sternwarte Babelsberg首次利用光電效應進行恒星光度測定開始，到CCD的發明并在美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）不斷發展，再到如今的高性能CCD和互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器。

光電效應

海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）于1887年公開的開創性研究工作“Ueber sehr schnelle electrische Schwingungen”使得研究者發現了電磁波。同年，赫茲發表的論文“Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung”通常被認為代表了光電效應的發現。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年設計并制造出了“旨在通過相關電流定量測量光源通量”的設備，全球首臺光電光度計應運而生，它是一種單像素光傳感器。

不久后，同樣關注光電效應的阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）得出結論：光能的量子化與量子（即光子）的波長相關，這表明可使用統計方法來描述光與物質的相互作用。這促使關于吸收、發射和受激發射過程的統計“愛因斯坦方程”的誕生，該方程具有開創性。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世紀下半葉和21世紀的關鍵技術的發展奠定了基石。人們在當時可能尚未充分認識到一百年后這些技術的巨大創新潛力。

在天文學中引入光電光度法

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

在介紹光電光度法時，必須提及光電倍增管（PMT）的發明，以及通過使用二次發射和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，為天體物理學開辟了新的定量領域。然而，CCD的發明很快取代了這些光電器件在光學天文學中的地位。

CCD

前面討論了光電效應和無空間分辨率的“單像素”探測器。然而，還存在光伏效應，這是由貝克勒爾（Becquerel）于1839年首先報道的。這兩種效應有時也分別被稱為外部光電效應和內部光電效應。外部光電效應是通過撞擊光子的能量將自由電子從金屬導電層釋放到真空中，而光伏效應（內部光電效應）是通過吸收材料晶格內的光子能量將電子從價帶提升到半導體的導帶。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，半導體器件最初在天文光度測量領域并不是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年度諾貝爾物理學獎。早期推動緊湊型半導體成像儀開發的驅動力是AT&T貝爾實驗室（AT&T Bell Labs）正在開發的“Picturephone”，該項目最終因可視電話技術商業化失敗而停止。

因此，可以公正地得出結論，雖然硅基圖像傳感器在20世紀70年代的廣泛商業時機尚未成熟，但是對地面和太空的科學級探測器系統的迫切需求一直是推動CCD（以及后來的科學級CMOS）發展的獨特驅動力，一旦它們被確立為高效可靠的科學應用探測器，最終就會成為消費市場中的一項創新。

CCD探測器的科學成就

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

圖4 球狀星團47 Tuc的顏色星等圖（CMD）

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

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