CM OS圖像傳感器在太陽磁場觀測中的應用研究?

段 帷 宋 謙 白先勇 郭晶晶 馮志偉鄧元勇 林佳本 張建立

(1中國科學院國家天文臺北京100101)

(2中國科學院大學北京100049)

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)目標的磁場通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(fā)明了視頻磁像儀,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于上世紀80年代,中國科學院國家天文臺懷柔太陽觀測基地研制的35 cm太陽磁場望遠鏡[2]、60 cm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,都屬于濾光器型磁像儀.

早期的太陽磁場觀測采用膠片作為數(shù)據(jù)采集設備,中國科學院國家天文臺懷柔太陽觀測基地在1987年之前采用膠片相機作為數(shù)據(jù)采集器件.1987年之后電荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)圖像傳感器作為數(shù)據(jù)采集設備應用到太陽磁場觀測中,從此CCD圖像傳感器替代膠片成為主要的數(shù)據(jù)采集器件.近年,隨著望遠鏡技術的不斷發(fā)展以及空間天文觀測的蓬勃發(fā)展,太陽物理研究對太陽磁圖觀測視場、空間分辨率和時間分辨率等提出了更高的要求,因此在同樣的時間分辨率下對探測器的像素規(guī)模要求更大.而現(xiàn)在采用的高速CCD圖像傳感器面陣規(guī)模通常小于2 k×2 k,很難同時滿足高時空分辨率的需求.而互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)圖像傳感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,太陽磁場觀測設備中開始使用CMOS圖像傳感器.

表1中列舉了國內外正在運行和即將發(fā)射的太陽磁場測量設備的圖像傳感器使用情況.全日面矢量磁像儀(FMG)為先進天基太陽天文臺(ASO-S)上的載荷.位于Solar Dynamics Observatory(SDO)空間設備上的HMI(Helioseismic and Magnetic Imager)[5]以及今年發(fā)射的位于Solar Orbiter(SO)上的PHI(Polarimetric and Helioseismic Imager)[6]分別采用全幀CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器.地基設備如懷柔太陽觀測基地(HSOS)的SMCT(Solar Multi-Channel Telescope)1Bobcat 2.0 CCD CAMERAS Specif ication與德國Teide Observatories(TO)的1.5 m太陽望遠鏡GREGOR Solar Telescope上的GFPI(GREGOR Fabry-Perot Interferometer)[7]均采用InterlineCCD圖像傳感器.中國科學院云南天文臺撫仙湖太陽觀測基地(FSO)的NVST(New Vacuum Solar Telescope)同時采用了InterlineCCD圖像傳感器與sCMOS圖像傳感器[8],2010年出光的Big Bear Solar Observatory(BBSO)的1.6 m GST(Goode Solar Telescope)[9]和美國4 m Daniel K.Inouye Solar Telescope(DKIST)上的ViSP(Visible Spectro-Polarimeter)采用的是sCMOS圖像傳感器2Andor Zyla for Physical Sciences Specif ications,Andor Technology.以上設備中,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,其余均為成像型.

從表1中可以看到,CCD圖像傳感器在約10 yr前建造的設備中被廣泛運用,而隨著CMOS圖像傳感器的出現(xiàn)以及其性能的不斷提高,近年的太陽磁場望遠鏡中開始使用CMOS圖像傳感器作為成像器件.CMOS圖像傳感器(后簡稱CIS)具有集成度高的特點,因此在具有較大的面陣規(guī)模的同時能夠具備較高的幀頻,特別適合太陽磁場高時間分辨率的觀測要求.

FMG載荷的科學指標要求觀測視場34′,像元分辨率0.5′′,要求探測器面陣大小滿足4 k×4 k.為降低太陽同步軌道對日速度的影響并獲得足夠的磁場靈敏度,FMG采用快速偏振調制(每秒完成10個觀測周期,100 ms內完成曝光、讀出、偏振分析器狀態(tài)切換,因此對探測器的幀頻要求至少要大于10 fps,fps為幀每秒)和星上多幀疊加(約256幀)的策略.通過上述策略,實現(xiàn)磁圖空間分辨率和HMI相當,時間分辨率比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項目可借鑒,需要自主探索探測器方案.

表2列舉了根據(jù)上述指標篩選出來的部分市面上高速大面陣圖像傳感器,調研同時考慮到探測器是否具有空間環(huán)境條件的適應性要求,以滿足FMG載荷的要求.

表1 太陽磁場望遠鏡中圖像傳感器的使用情況Table 1 Application of image sensors in solar magnetic field telescop es

表2 大面陣高幀頻圖像傳感器aTable 2 Large ar ea high fr ame r ate image sensors a

表2所示幀頻較高的CCD圖像傳感器以interlineCCD圖像傳感器為主,InterlineCCD具備了電子快門的功能,4k×4 k的InterlineCCD圖像傳感器讀出幀頻最大為7fps,不滿足FMG至少10 fps的幀頻要求.

CIS芯片像素規(guī)模為4 k×4 k的情況下大部分幀頻都大于10 fps,部分甚至能夠達到40 fps,科學級的CIS芯片讀出噪聲大都低于10e?(10個電子),而且國內外的可選擇的CIS型號也較多,包括一些能用于空間環(huán)境下的器件,因此更有可能成為新一代太陽磁場觀測采用的探測器.

表2中列舉的CIS芯片具有兩種電子快門模式,即全局快門(GS)與卷簾快門(RS).由于太陽磁場觀測流程中需要探測器與偏振分析器協(xié)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(jù)CMOS圖像傳感器的特點,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,然后分別對兩種快門模式的CIS芯片進行分析,這兩種工作模式的CIS芯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芯片的快門模式,并對此類CIS芯片進行實驗室測試以及外場觀測,根據(jù)測試結果得到針對FMG載荷的探測器選型依據(jù).

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參數(shù)V/I(Stokes V/I)觀測為例,FMG載荷太陽磁場觀測通過交替采集左右旋偏振像,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(shù),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通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征演化等因素的影響).

圖1 太陽磁場觀測流程Fig.1 Solar magnetic field observation process

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芯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分辨率等.

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,在確定一個觀測周期時間時(包含一次偏振調整、曝光時間和讀出時間參見圖1),雖然一個觀測周期時間相同,但對應到不同快門的流程上就涉及到很多指標的變化.

卷簾快門模式CIS芯片采用卷簾讀出模式,每一行像素的曝光與讀出都是獨立的.如圖2左圖所示為卷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圖像有時間差,如果被測物體變化較快,如圖2右圖所示,由于每一行的起始時間不同會形成形變.因此,采用卷簾快門模式的CIS芯片對太陽磁場觀測時,在圖像的讀出時間內,不能進行偏振分析器的調節(jié),結合圖1所示的觀測流程,卷簾快門模式與太陽磁場觀測流程結合后得到的工作流程如圖3所示.

圖2 卷簾快門11?12Fig.2 Rolling shutter 11?12

圖3 采用卷簾快門的太陽磁場觀測流程圖Fig.3 Flow chart of solar magnetic field observation with rolling shutter

由于在整個CIS芯片讀出時間中,不能改變光路的狀態(tài),因此該流程是一個串行觀測流程,即使CIS芯片的讀出幀頻很高,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)要遠遠低于CIS芯片的最高幀頻.

全局快門工作流程如圖4左圖所示,從工作模式看,所有的像素同時曝光,在曝光結束時將所有電子轉移到存儲區(qū),再依次讀出.因此采用全局快門的CIS芯片每個像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發(fā)生的時間一致,沒有形變,如圖4右圖所示.

采用全局快門的太陽磁場觀測流程如圖5所示,由于在讀出前,當前幀的圖像已經(jīng)被鎖定,光路的改變不影響前一幀讀出,因此只要偏振狀態(tài)調整時間和曝光時間的和小于讀出時間,其整個觀測的幀頻就等于CIS芯片的讀出幀頻.

通過以上介紹,如果采用全局快門,只要偏振調整時間加曝光時間的和(參看圖5)小于觀測周期,那么CIS芯片的讀出周期就只需要小于等于FMG的觀測周期即可,能夠使用的最大曝光時間為觀測周期減去偏振調整時間.

圖4 全局快門11?12Fig.4 Global Shutter 11?12

圖5 采用全局快門的太陽磁場觀測流程圖Fig.5 Flow chart of solar magnetic field observation with global shutter

如果采用卷簾快門,由于其快門特點觀測流程為串行模式,CIS芯片的曝光時間要等于觀測周期減去偏振調整的時間以及圖像讀出時間,因此實際的曝光時間就小于采用全局快門的CIS芯片,同時CIS芯片的讀出幀頻還需要遠遠大于觀測頻率.

FMG載荷的觀測周期100 ms(每秒10個觀測周期),偏振調整時間為50 ms,兩種快門CIS芯片的最高讀出幀頻與每一幀圖像得到曝光時間之間的關系如圖6所示.采用全局快門時,只要讀出幀頻大于10 fps時(單幀讀出時間小于100 ms),曝光時間就能夠達到50 ms.而采用卷簾快門模式時,當幀頻小于20 fps(讀出時間50 ms),無法保證100 ms的觀測周期;當幀頻等于20 fps時,每一幀圖像的讀出時間等于50 ms,此時留給觀測周期內的曝光時間為0 ms;當幀頻達到40 fps時(讀出時間25 ms),此時觀測周期的最大曝光時間為25 ms,卷簾快門模式下CIS芯片幀頻越高,能使用的曝光時間越接近50 ms.

在同等條件下,曝光時間長短決定了CIS芯片能夠接收到的光子數(shù),因此同等條件下每一個觀測周期的曝光時間越長(滿阱內),能夠得到圖像的信噪比也越高,因此從信噪比上來看全局快門的CIS芯片更適合于太陽磁場的觀測.同時雖然具有卷簾快門的CIS芯片最高幀頻能夠達到40 fps,但是實際穩(wěn)定工作幀頻在20 fps左右,因此目前的卷簾快門的CIS芯片并不適合FMG載荷需要的每秒10個觀測周期的需求.針對FMG載荷的指標需求,具有全局快門的CIS芯片是最好的選擇.

3 全局快門模式CIS芯片實驗室性能測試

本次測試采用PM20000相機,該相機使用具有全局快門的CMV20000芯片,相機幀頻能夠達到15 fps,面陣規(guī)模約5 k×4 k,像元尺寸6.4μm.

首先在實驗室進行測試,由于CIS芯片中每個像素都具有獨立的放大器,導致每個像素的增益各不相同,因此在對其增益進行測試時,要對每個像素單獨進行增益測試,獲得各個像素的光子轉移曲線,計算出每個像素的增益.

如圖7所示為像素點(60,60)和像素點(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(Analog to Digital Unit)與2.16e?/ADU.圖8是對(1000×992)區(qū)域的約1000000個點進行的增益統(tǒng)計得到的分布圖,增益在1.5e?/ADU到3e?/ADU之間基本符合正態(tài)分布的特點,增益中心位置為2.1e?/ADU.可見CIS芯片的每個像素的增益不同,這與以往使用CCD的觀測系統(tǒng)是不同的.通過對該區(qū)域0曝光時間暗場的統(tǒng)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(Analog to Digital Convert)半量程狀態(tài)下非均勻性指標?3%,非線性指標<1%.

圖6 卷簾快門與全局快門的曝光時間Fig.6 Exp osure time of rolling shutter and global shutter

圖7 單個像素光子轉移曲線Fig.7 Photon transfer curve for single pixel

除了常規(guī)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(huán)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(shù)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范圍內).實際觀測中,由于其他設備也會引入噪聲,因此要達到同樣的信噪比需要更多的疊加幀數(shù).

圖9 疊加幀數(shù)與信噪比的關系Fig.9 The relationship between the number of adding frames and SNR

4 全局快門模式CIS芯片外場測試

外場試驗在位于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像素×1200像素,相機幀頻16 fps,如圖10左圖所示為512幀疊加太陽單色像,重復40次,共采集了左旋20480幀、右旋20480幀圖像.在偏離線心?0.08?A波長位置計算的Stokes V/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(qū)域(100像素×100像素,幾乎無偏振信號且選擇日面邊緣附近信號更弱,5 Gs磁場靈敏度更難達到,更有利于評價CMOS性能[11]),乘以10000的定標系數(shù)得到縱向磁場,并根據(jù)3倍標準差判據(jù)計算的磁場靈敏度為3 Gs,暗場改正后同一區(qū)域縱向磁場靈敏度(3倍標準差)為4 Gs.達到5 Gs縱向磁場靈敏度(3倍標準差)需要的幀數(shù)為左旋7168幀、右旋7168幀.通過實測,使用CMV20000芯片,在懷柔的全日面太陽磁場望遠鏡上進行觀測能夠滿足FMG載荷的性能要求,但是由于商業(yè)芯片沒有進行空間抗輻照設計,因此不符合FMG載荷的使用環(huán)境要求.

圖10 觀測圖像Fig.10 Observation image

根據(jù)FMG載荷時間分辨率要求達到每秒10個觀測周期,而偏振分析器的轉換時間為50 ms,因此每一幀圖像能夠使用的曝光時間上限為50 ms,商業(yè)級CIS芯片的滿阱小于1.5ke?(一般情況下還只能使用低于半滿阱),能夠使用的曝光時間低于30 ms,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芯片以增強光子的收集能力.

5 總結與展望

CIS芯片由于其高時空分辨率的特點,適合在太陽磁場觀測中運用,其中全局快門在觀測效率上同卷簾快門相比具有很大的優(yōu)勢.通過對全局快門CIS芯片的實驗室測試,具有全局快門的商業(yè)級大面陣CIS芯片的實驗室性能測試證明其非線性度(優(yōu)于1%)與均勻性(優(yōu)于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(yōu)于5 Gs磁場靈敏度的全日面縱向磁圖.需要指出的是,CIS芯片每個像素的增益不同(CCD同一讀出通道的增益相同),如圖8所示,在后期的磁圖或單色像處理中要考慮不同像素增益帶來的影響.

具有全局快門的CIS商業(yè)芯片性能指標上能達到FMG載荷的需求,但是由于FMG載荷有抗空間輻照特殊要求,具有全局快門的航天級大面陣探測器才能滿足FMG載荷的時間分辨率、空間分辨率和空間工作環(huán)境的需求.調研結果顯示,國內研究所正在進行大面陣的全局快門CIS芯片的研制,大部分為針對空間的應用,有的已經(jīng)進入到實用階段,因此FMG的探測器選型上應該以該類產(chǎn)品為目標.

致謝感謝懷柔太陽觀測基地工作人員在外場調試期間給予的支持和配合.感謝審稿人對文章提出的寶貴建議,使得文章質量有了顯著提高.