摘要：磁場是太陽物理的第1觀測量,當前太陽磁場觀測研究正邁向大視場、高時空解析度、高偏振測量精度以及空間觀測的時代.中國首顆太陽觀測衛星—先進天基太陽天文臺(ASO-S)也配置了具有高時空解析度、高磁場靈敏度的全日面向量磁像儀(FMG)載荷,針對FMG載荷的需求,討論了大面陣、高幀頻互補金氧半導體影象感測器應用於太陽磁場觀測的可行性.首先,基於濾光器型太陽磁像儀觀測的原理,比較分析了目前CMOS影象感測器(可用的或是可選的兩種快門模式)的特點,指出全域性快門型別更適合FMG;其次搭建了CMOS感測器實驗室測試系統,測量了CMOS影象感測器的畫素增益及其分佈規律;最後在懷柔太陽觀測基地的全日面太陽望遠鏡上開展了實測驗證,獲得預期成果.在這些研究基礎上,形成了FMG載荷探測器選型方向.
關鍵詞： CMOS影象感測器 儀器 太陽 探測器 磁場
1、引言
19世紀50年代,Bobcock父子利用機械掃描的方法,將狹縫光譜儀測量的線源(一維)目標的磁場透過機械掃描獲得日面二維磁圖,該磁圖具備多波長、非實時的特點(光譜型磁像儀).到了70年代發明了影片磁像儀,從而能夠獲得某一波長的實時二維磁圖(濾光器型磁像儀)[1].我國太陽磁場的觀測研究始於上世紀80年代,中國科學院國家天文臺懷柔太陽觀測基地研製的35cm太陽磁場望遠鏡[2]、60cm多通道望遠鏡[3]以及全日面太陽望遠鏡[4]均進行太陽磁場的觀測,都屬於濾光器型磁像儀.
早期的太陽磁場觀測採用膠片作為資料採集裝置,中國科學院國家天文臺懷柔太陽觀測基地在1987年之前採用膠片相機作為資料採集器件.1987年之後電荷耦合元件(Charge-coupledDevice,CCD)影象感測器作為資料採集裝置應用到太陽磁場觀測中,從此CCD影象感測器替代膠片成為主要的資料採集器件.近年,隨著望遠鏡技術的不斷髮展以及空間天文觀測的蓬勃發展,太陽物理研究對太陽磁圖觀測視場、空間解析度和時間解析度等提出了更高的要求,因此在同樣的時間解析度下對探測器的畫素規模要求更大.而現在採用的高速CCD影象感測器面陣規模通常小於2k×2k,很難同時滿足高時空解析度的需求.而互補金氧半導體(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)影象感測器能夠同時滿足大面陣和高速讀出幀頻的要求,所以近年來,太陽磁場觀測裝置中開始使用CMOS影象感測器.
表1中列舉了國內外正在執行和即將發射的太陽磁場測量裝置的影象感測器使用情況.全日面向量磁像儀(FMG)為先進天基太陽天文臺(ASO-S)上的載荷.位於SolarDynamicsObservatory(SDO)空間裝置上的HMI(HelioseismicandMagneticImager)[5]以及今年發射的位於SolarOrbiter(SO)上的PHI(PolarimetricandHelioseismicImager)[6]分別採用全幀CCD影象感測器和CMOS影象感測器.地基裝置如懷柔太陽觀測基地(HSOS)的SMCT(SolarMulti-ChannelTelescope)1與德國TeideObservatories(TO)的1.5m太陽望遠鏡GREGORSolarTelescope上的GFPI(GREGORFabry-PerotInterferometer)[7]均採用InterlineCCD影象感測器.中國科學院雲南天文臺撫仙湖太陽觀測基地(FSO)的NVST(NewVacuumSolarTelescope)同時採用了InterlineCCD影象感測器與sCMOS影象感測器[8],2010年出光的BigBearSolarObservatory(BBSO)的1.6mGST(GoodeSolarTelescope)[9]和美國4mDanielK.InouyeSolarTelescope(DKIST)上的ViSP(VisibleSpectro-Polarimeter)採用的是sCMOS影象感測器2.以上裝置中,ViSP是光譜型太陽磁場測量儀,NVST既有光譜型也具有成像型太陽磁場測量儀,其餘均為成像型.
從表1中可以看到,CCD影象感測器在約10yr前建造的裝置中被廣泛運用,而隨著CMOS影象感測器的出現以及其效能的不斷提高,近年的太陽磁場望遠鏡中開始使用CMOS影象感測器作為成像器件.CMOS影象感測器(後簡稱CIS)具有整合度高的特點,因此在具有較大的面陣規模的同時能夠具備較高的幀頻,特別適合太陽磁場高時間解析度的觀測要求.
FMG載荷的科學指標要求觀測視場34′,像元解析度0.5′′,要求探測器面陣大小滿足4k×4k.為降低太陽同步軌道對日速度的影響並獲得足夠的磁場靈敏度,FMG採用快速偏振調製(每秒完成10個觀測週期,100ms內完成曝光、讀出、偏振分析器狀態切換,因此對探測器的幀頻要求至少要大於10fps,fps為幀每秒)和星上多幀疊加(約256幀)的策略.透過上述策略,實現磁圖空間解析度和HMI相當,時間解析度比HMI更高的目標.從表1中看到針對FMG載荷探測器的選型目前沒有成熟專案可借鑑,需要自主探索探測器方案.
表2列舉了根據上述指標篩選出來的部分市面上高速大面陣影象感測器,調研同時考慮到探測器是否具有空間環境條件的適應性要求,以滿足FMG載荷的要求.
表1太陽磁場望遠鏡中影象感測器的使用情況
表2大面陣高幀頻影象感測器a
表2所示幀頻較高的CCD影象感測器以interlineCCD影象感測器為主,InterlineC-CD具備了電子快門的功能,4k×4k的InterlineCCD影象感測器讀出幀頻最大為7fps不滿足FMG至少10fps的幀頻要求.
CIS晶片畫素規模為4k×4k的情況下大部分幀頻都大於10fps,部分甚至能夠達到40fps,科學級的CIS晶片讀出噪聲大都低於10e-(10個電子),而且國內外的可選擇的CIS型號也較多,包括一些能用於空間環境下的器件,因此更有可能成為新一代太陽磁場觀測採用的探測器.
表2中列舉的CIS晶片具有兩種電子快門模式,即全域性快門(GS)與捲簾快門(RS).由於太陽磁場觀測流程中需要探測器與偏振分析器協作,因此不同的快門模式應用到流程中會有所差異.本文的目的就是根據CMOS影象感測器的特點,開展其在濾光器型磁像儀上的應用研究.文章安排如下:首先簡要介紹FMG載荷太陽磁場的觀測流程,然後分別對兩種快門模式的CIS晶片進行分析,這兩種工作模式的CIS晶片與太陽磁場觀測流程需要進行流程的匹配.選擇適合太陽磁場觀測的CIS晶片的快門模式,並對此類CIS晶片進行實驗室測試以及外場觀測,根據測試結果得到針對FMG載荷的探測器選型依據.
2、兩種快門在太陽磁場觀測中的工作流程
太陽磁場測量實際上是偏振測量,以濾光器型磁像儀觀測的斯托克斯引數V/I(StokesV/I)觀測為例,FMG載荷太陽磁場觀測透過交替採集左右旋偏振像,利用如下公式[10]解調V/I分量:
其中,n為左右旋偏振像的疊加幀數,k表示第k幀左旋、右旋偏振像,(I+V)/2為左旋偏振像,(I-V)/2為右旋偏振像.測量時左右旋偏振像透過切換偏振分析器進行交替成像流程如圖1所示(為了得到足夠的信噪比(SNR)需要得到多幀左右旋偏振像進行疊加.這樣既能使左右旋偏振圖具有足夠的等效曝光時間,同時也避免了日面特徵演化等因素的影響).
圖1太陽磁場觀測流程
從太陽磁場觀測流程中可以看到對探測器的特殊要求:(1)幀頻要求較高,因為在等效的曝光時間內需要進行n次成像;(2)探測器的工作要與偏振分析器同步.所以,CIS晶片的工作模式會影響觀測流程,進一步會影響到觀測效率和時間解析度等.
以下分別梳理GS與RS兩種快門模式在FMG載荷的太陽磁場觀測流程中的具體工作方式.
在針對FMG載荷太陽磁場觀測的探測器選擇時需要注意,在確定一個觀測週期時間時(包含一次偏振調整、曝光時間和讀出時間參見圖1),雖然一個觀測週期時間相同但對應到不同快門的流程上就涉及到很多指標的變化.
捲簾快門模式CIS晶片採用捲簾讀出模式,每一行畫素的曝光與讀出都是獨立的如圖2左圖所示為捲簾快門模式的工作流程,雖然每一列的曝光時長相同,但是其曝光起始時間不同,所以每一列捕捉到的影象有時間差,如果被測物體變化較快,如圖2右圖所示,由於每一行的起始時間不同會形成形變.因此,採用捲簾快門模式的CIS晶片對太陽磁場觀測時,在影象的讀出時間內,不能進行偏振分析器的調節,結合圖1所示的觀測流程,捲簾快門模式與太陽磁場觀測流程結合後得到的工作流程如圖3所示.
圖2捲簾快門11-12
圖3採用捲簾快門的太陽磁場觀測流程圖
由於在整個CIS晶片讀出時間中,不能改變光路的狀態,因此該流程是一個序列觀測流程,即使CIS晶片的讀出幀頻很高,而在實際使用中,觀測頻率(一幀左旋或者右旋偏振像獲得的整個時間)要遠遠低於CIS晶片的最高幀頻.
全域性快門工作流程如圖4左圖所示,從工作模式看,所有的畫素同時曝光,在曝光結束時將所有電子轉移到儲存區,再依次讀出.因此採用全域性快門的CIS晶片每個畫素具有相同的曝光時間和相同的曝光起始時間,因此捕捉到的風扇像中每個像素髮生的時間一致,沒有形變,如圖4右圖所示.
採用全域性快門的太陽磁場觀測流程如圖5所示,由於在讀出前,當前幀的影象已經被鎖定,光路的改變不影響前一幀讀出,因此只要偏振狀態調整時間和曝光時間的和小於讀出時間,其整個觀測的幀頻就等於CIS晶片的讀出幀頻.
透過以上介紹,如果採用全域性快門,只要偏振調整時間加曝光時間的和(參看圖5)小於觀測週期,那麼CIS晶片的讀出週期就只需要小於等於FMG的觀測週期即可,能夠使用的最大曝光時間為觀測週期減去偏振調整時間.
圖4全域性快門11-12
圖5採用全域性快門的太陽磁場觀測流程圖
如果採用捲簾快門,由於其快門特點觀測流程為序列模式,CIS晶片的曝光時間要等於觀測週期減去偏振調整的時間以及影象讀出時間,因此實際的曝光時間就小於採用全域性快門的CIS晶片,同時CIS晶片的讀出幀頻還需要遠遠大於觀測頻率.
FMG載荷的觀測週期100ms(每秒10個觀測週期),偏振調整時間為50ms,兩種快門CIS晶片的最高讀出幀頻與每一幀影象得到曝光時間之間的關係如圖6所示.採用全域性快門時,只要讀出幀頻大於10fps時(單幀讀出時間小於100ms),曝光時間就能夠達到50ms.而採用捲簾快門模式時,當幀頻小於20fps(讀出時間50ms),無法保證100ms的觀測週期;當幀頻等於20fps時,每一幀影象的讀出時間等於50ms,此時留給觀測週期內的曝光時間為0ms;當幀頻達到40fps時(讀出時間25ms),此時觀測週期的最大曝光時間為25ms,捲簾快門模式下CIS晶片幀頻越高,能使用的曝光時間越接近50ms.
在同等條件下,曝光時間長短決定了CIS晶片能夠接收到的光子數,因此同等條件下每一個觀測週期的曝光時間越長(滿阱內),能夠得到影象的信噪比也越高,因此從信噪比上來看全域性快門的CIS晶片更適合於太陽磁場的觀測.同時雖然具有捲簾快門的CIS晶片最高幀頻能夠達到40fps,但是實際穩定工作幀頻在20fps左右,因此目前的捲簾快門的CIS晶片並不適合FMG載荷需要的每秒10個觀測週期的需求.針對FMG載荷的指標需求,具有全域性快門的CIS晶片是最好的選擇.
3、全域性快門模式CIS晶片實驗室效能測試
本次測試採用PM20000相機,該相機使用具有全域性快門的CMV20000晶片,相機幀頻能夠達到15fps,面陣規模約5k×4k,像元尺寸6.4µm.
首先在實驗室進行測試,由於CIS晶片中每個畫素都具有獨立的放大器,導致每個畫素的增益各不相同,因此在對其增益進行測試時,要對每個畫素單獨進行增益測試,獲得各個畫素的光子轉移曲線,計算出每個畫素的增益.
圖6捲簾快門與全域性快門的曝光時間
如圖7所示為畫素點(60,60)和畫素點(500,500)的增益,圖中直線的斜率即是該點的增益,分別是1.97e-/ADU(AnalogtoDigitalUnit)與2.16e-/ADU.圖8是對(1000×992)區域的約1000000個點進行的增益統計得到的分佈圖,增益在1.5e-/ADU到3e-/ADU之間基本符合正態分佈的特點,增益中心位置為2.1e-/ADU.可見CIS晶片的每個畫素的增益不同,這與以往使用CCD的觀測系統是不同的.透過對該區域0曝光時間暗場的統計計算,得到讀出噪聲為8.96e-.此外測得的均勻性指標顯示在ADC(AnalogtoDigitalConvert)半量程狀態下非均勻性指標3%,非線性指標<1%.
圖7單個畫素光子轉移曲線
除了常規指標測試,考慮到與太陽磁場觀測的信噪比指標要求,因此在實驗室環境下進行了觀測流程的信噪比測量,實驗室信噪比隨疊加幀數的曲線如圖9所示.實測結果達到6600的信噪比需要左旋3200幀疊加、右旋3200幀疊加,與計算的理論信噪比增加曲線比較吻合(假設增益為2.5e-/ADU,實驗室測試的增益也在這個範圍內).實際觀測中,由於其他裝置也會引入噪聲,因此要達到同樣的信噪比需要更多的疊加幀數.
圖8約1000000個畫素點的增益統計
圖9疊加幀數與信噪比的關係
4、全域性快門模式CIS晶片外場測試
外場試驗在位於懷柔太陽觀測基地的全日面太陽望遠鏡上進行,全日面像尺寸為1200畫素×1200畫素,相機幀頻16fps,如圖10左圖所示為512幀疊加太陽單色像,重複40次,共採集了左旋20480幀、右旋20480幀影象.在偏離線心-0.08˚A波長位置計算的StokesV/I偏振像(未改正暗場)如圖10右圖所示,顯示灰度[-0.001,0.001].
選擇圖中黑色矩形A區域(100畫素×100畫素,幾乎無偏振訊號且選擇日面邊緣附近訊號更弱,5Gs磁場靈敏度更難達到,更有利於評價CMOS效能[11]),乘以10000的定標係數得到縱向磁場,並根據3倍標準差判據計算的磁場靈敏度為3Gs,暗場改正後同一區域縱向磁場靈敏度(3倍標準差)為4Gs.達到5Gs縱向磁場靈敏度(3倍標準差)需要的幀數為左旋7168幀、右旋7168幀.透過實測,使用CMV20000晶片,在懷柔的全日面太陽磁場望遠鏡上進行觀測能夠滿足FMG載荷的效能要求,但是由於商業晶片沒有進行空間抗輻照設計,因此不符合FMG載荷的使用環境要求.
圖10觀測影象
根據FMG載荷時間解析度要求達到每秒10個觀測週期,而偏振分析器的轉換時間為50ms,因此每一幀影象能夠使用的曝光時間上限為50ms,商業級CIS晶片的滿阱小於1.5ke-(一般情況下還只能使用低於半滿阱),能夠使用的曝光時間低於30ms,曝光效率較低,因此在選型時同等條件下可以選擇滿阱較大的CIS晶片以增強光子的收集能力.
5、總結與展望
CIS晶片由於其高時空解析度的特點,適合在太陽磁場觀測中運用,其中全域性快門在觀測效率上同捲簾快門相比具有很大的優勢.透過對全域性快門CIS晶片的實驗室測試,具有全域性快門的商業級大面陣CIS晶片的實驗室效能測試證明其非線性度(優於1%)與均勻性(優於3%)可以滿足FMG載荷對探測器的要求(增益為2.1e-/ADU時,讀出噪聲為8.96e-左右).在懷柔太陽觀測基地的全日面太陽望遠鏡上進行的外場觀測中獲得優於5Gs磁場靈敏度的全日面縱向磁圖.需要指出的是,CIS晶片每個畫素的增益不同(CCD同一讀出通道的增益相同),如圖8所示,在後期的磁圖或單色像處理中要考慮不同畫素增益帶來的影響.
具有全域性快門的CIS商業晶片效能指標上能達到FMG載荷的需求,但是由於FMG載荷有抗空間輻照特殊要求,具有全域性快門的航天級大面陣探測器才能滿足FMG載荷的時間解析度、空間解析度和空間工作環境的需求.調研結果顯示,國內研究所正在進行大面陣的全域性快門CIS晶片的研製,大部分為針對空間的應用,有的已經進入到實用階段,因此FMG的探測器選型上應該以該類產品為目標.
