为什么sCMOS相机开始进入天文观测?
鑫图光电
2026年07月08日 20:25
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天文科普指南

上一篇我们讨论了EMCCD如何通过前置电子倍增,解决了“信号淹没在读出噪声里”的问题,在过去二十多年里支撑了一类极限灵敏度的天文观测。

然而,在近十余年的天文仪器发展中,可以观察到一个明显变化:越来越多新一代天文观测系统,开始将sCMOS作为核心探测器方案之一。

这一技术路线的变化,并非意味着EMCCD失去了价值,而是现代天文学关注的问题正在发生变化。

一、天文观测的需求发生了什么变化

天文观测的变化并不是单一方向的增强,而是结构性的扩展。

过去更常见的是:

  • 深度优先的单目标观测

  • 长曝光积累信号

  • 极限弱光探测

而近年来越来越多观测任务开始呈现新的结构:

  • 更大视场的巡天需求

  • 更高时间分辨率要求

  • 瞬变源快速发现与响应

  • 多目标并行统计观测

这些变化带来一个新结果:

观测系统的目标从“看得见极限信号”,扩展为“单位时间获取更多有效科学数据”。

二、系统需求变化如何重塑探测器能力要求

当观测目标从“深度优先”转向“效率 + 覆盖 + 速度”,探测器需要满足的条件也发生了变化。

新的核心约束变成了:

  • 是否能覆盖更大的成像面积

  • 是否能支持更高的数据吞吐

  • 是否能在高帧率下维持稳定读出

  • 是否能在复杂系统中长期可靠运行

这些指标看似彼此独立,本质上却共同指向同一个目标——提升整个观测系统的运行效率。对探测器性能的要求不再是单点灵敏度问题,而是系统能力问题。

三、sCMOS相机的架构特征与天文成像优势

sCMOS属于CMOS体系,其与CCD/EMCCD最核心的架构差异在于:它采用像素级或列级的并行读出架构,而不是CCD那种所有像素电荷逐行转移到单一输出节点的串行结构。

这一结构变化带来的不是某一项性能指标的提升,而是系统能力层面的变化:

  • 更适合大面阵扩展

  • 更适合多通道并行读出

  • 更适合高像素规模下的数据输出

  • 更容易构建高数据吞吐的观测系统

在此基础上,通过科学级优化手段(包括低噪声读出设计、背照式工艺、动态范围优化等),sCMOS相机逐步具备了科研级成像所需的重要条件,成为天文观测新解法。

如果说EMCCD解决的是“如何让极弱信号被读出”,那么sCMOS则更擅长解决“如何让整个观测系统运行得更高效”。

四、国产sCMOS相机推动高端天文成像自主化

随着背照式sCMOS技术逐渐成熟,越来越多国际天文仪器开始采用这一技术路线,高端天文探测器也逐渐进入以大面阵、高速度、高动态范围为代表的新发展阶段。

然而,相较于欧美较早完成高端天文探测器的技术积累,国内在科学级成像器件产业化方面起步相对较晚。长期以来,高端EMCCD及科学级CCD等核心探测器主要依赖海外厂商供应,在高性能产品获取、持续供货、系统适配以及关键技术自主可控等方面,都面临一定约束。这不仅影响科研装备的自主建设能力,也制约了国产天文观测系统的持续发展。

在这一背景下,国产科学相机企业开始围绕背照式sCMOS技术路线持续投入。

2016年,鑫图光电推出中国首款背照式sCMOS科学相机——Dhyana 95,成功打破了海外品牌在高端天文成像领域的长期垄断,正式开启了国产高端天文成像器件的替代进程。

鑫图Dhyana 95(第一代机型)空间碎片探测应用

随后十年间,国产科学相机逐步建立起覆盖专业天文观测的核心技术体系,为巡天观测、天文望远镜、自适应光学、高时间分辨率观测等应用提供了更多自主可控的技术选择。