天文学中的电荷耦合器件

电荷耦合器件（CCD）是硅成像阵列，已成为现代天文学的主力光学探测器，以高效率和出色的线性度记录光线。

Definition

CCD是一种半导体探测器，其中光子在电位阱阵列中产生电荷，电荷逐像素转移到输出放大器，由此产生的数字图像记录了入射光的空间分布。

Scope

本主题涵盖CCD如何积累和传输电荷、量子效率以及背照式和抗反射涂层的使用、读出噪声和读出架构、暗电流和冷却、电荷转移效率、溢出和饱和，以及偏置、暗场和平场校正等数据处理步骤。

Core questions

• CCD如何收集和读出电荷？
• CCD在不同波长下的量子效率由什么决定？
• 哪些噪声源限制了对微弱光源的探测？
• CCD数据处理需要哪些校准步骤？

Key theories

电荷收集与转移

光生电子在像素电位阱中收集，并通过时钟信号在阵列中传输到读出放大器，需要接近于一的电荷转移效率以避免图像拖影。

量子效率与背照式

通过减薄CCD并从背面照明，结合抗反射涂层，可以将峰值量子效率提高到90%以上，并将灵敏度扩展到蓝色和紫外波段。

噪声与校准帧

读出噪声和暗电流设定了探测下限，偏置帧、暗场帧和平场帧用于消除仪器特征和像素间的灵敏度变化。

Clinical relevance

CCD支撑着大多数地面和空间光学成像、测光和光谱学；其效率和线性度使得从超新星宇宙学到系外行星凌星测光和大型成像巡天都能进行精确测量。

History

CCD于1969年在贝尔实验室发明，于1970年代后期首次应用于天文学，迅速取代了照相底片。随后出现了更大尺寸、马赛克、深耗尽和背照式变体，现在CCD已覆盖主要巡天望远镜的焦平面。

Key figures

• Willard Boyle
• George E. Smith
• James Janesick

Seminal works

• howell2006
• rieke2003

Frequently asked questions

什么是平场，为什么需要它？

平场是均匀照明光源的图像，用于绘制每个像素的灵敏度和光学系统的透射率在整个视场中的变化。通过用平场图像除以科学图像，可以校正这些变化，从而使均匀的天空产生均匀的测量信号。

为什么天文CCD读出速度慢？

快速读出电荷会在输出放大器中增加噪声。对于微弱天体观测，CCD会缓慢读出以保持读出噪声较低，以速度换取灵敏度，而对时间要求严格的观测可能会使用较快的模式，但会接受稍高的噪声。