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(xué)院國家天文臺北京100101)

(2中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)

1 引言

19世紀(jì)50年代,Bobcock父子利用機(jī)械掃描的方法,將狹縫光譜儀測量的線源(一維)目標(biāo)的磁場通過機(jī)械掃描獲得日面二維磁圖,該磁圖具備多波長、非實(shí)時(shí)的特點(diǎn)(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(shí)時(shí)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(jì)80年代,中國科學(xué)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(yuǎn)鏡[2]、60 cm多通道望遠(yuǎn)鏡[3]以及全日面太陽望遠(yuǎn)鏡[4]均進(jìn)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(shè)備,中國科學(xué)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(jī)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(shè)備應(yīng)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(yuǎn)鏡技術(shù)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(shí)間分辨率等提出了更高的要求,因此在同樣的時(shí)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(shí)滿足高時(shí)空分辨率的需求.而互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)圖像傳感器能夠同時(shí)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(shè)備中開始使用CMOS圖像傳感器.

表1中列舉了國內(nèi)外正在運(yùn)行和即將發(fā)射的太陽磁場測量設(shè)備的圖像傳感器使用情況.全日面矢量磁像儀(FMG)為先進(jìn)天基太陽天文臺(ASO-S)上的載荷.位于Solar Dynamics Observatory(SDO)空間設(shè)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(shè)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(yuǎn)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(xué)院云南天文臺撫仙湖太陽觀測基地(FSO)的NVST(New Vacuum Solar Telescope)同時(shí)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(shè)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(shè)備中被廣泛運(yùn)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(yuǎn)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(diǎn),因此在具有較大的面陣規(guī)模的同時(shí)能夠具備較高的幀頻,特別適合太陽磁場高時(shí)間分辨率的觀測要求.

FMG載荷的科學(xué)指標(biāo)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(diào)制(每秒完成10個(gè)觀測周期,100 ms內(nèi)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(shí)現(xiàn)磁圖空間分辨率和HMI相當(dāng),時(shí)間分辨率比HMI更高的目標(biāo).從表1中看到針對FMG載荷探測器的選型目前沒有成熟項(xiàng)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(biāo)篩選出來的部分市面上高速大面陣圖像傳感器,調(diào)研同時(shí)考慮到探測器是否具有空間環(huán)境條件的適應(yīng)性要求,以滿足FMG載荷的要求.

表1 太陽磁場望遠(yuǎn)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(dá)到40 fps,科學(xué)級的CIS芯片讀出噪聲大都低于10e?(10個(gè)電子),而且國內(nèi)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(yīng)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(diǎn),開展其在濾光器型磁像儀上的應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試以及外場觀測,根據(jù)測試結(jié)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(shí)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(diào)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(shí)左右旋偏振像通過切換偏振分析器進(jìn)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(jìn)行疊加.這樣既能使左右旋偏振圖具有足夠的等效曝光時(shí)間,同時(shí)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?yàn)樵诘刃У钠毓鈺r(shí)間內(nèi)需要進(jìn)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(jìn)一步會影響到觀測效率和時(shí)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(shí)需要注意,在確定一個(gè)觀測周期時(shí)間時(shí)(包含一次偏振調(diào)整、曝光時(shí)間和讀出時(shí)間參見圖1),雖然一個(gè)觀測周期時(shí)間相同,但對應(yīng)到不同快門的流程上就涉及到很多指標(biāo)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(dú)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(shí)長相同,但是其曝光起始時(shí)間不同,所以每一列捕捉到的圖像有時(shí)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(shí)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(shí),在圖像的讀出時(shí)間內(nèi),不能進(jìn)行偏振分析器的調(diào)節(jié),結(jié)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(jié)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(gè)CIS芯片讀出時(shí)間中,不能改變光路的狀態(tài),因此該流程是一個(gè)串行觀測流程,即使CIS芯片的讀出幀頻很高,而在實(shí)際使用中,觀測頻率(一幀左旋或者右旋偏振像獲得的整個(gè)時(shí)間)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)曝光,在曝光結(jié)束時(shí)將所有電子轉(zhuǎn)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(gè)像素具有相同的曝光時(shí)間和相同的曝光起始時(shí)間,因此捕捉到的風(fēng)扇像中每個(gè)像素發(fā)生的時(shí)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(dāng)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(diào)整時(shí)間和曝光時(shí)間的和小于讀出時(shí)間,其整個(gè)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(diào)整時(shí)間加曝光時(shí)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(shí)間為觀測周期減去偏振調(diào)整時(shí)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(diǎn)觀測流程為串行模式,CIS芯片的曝光時(shí)間要等于觀測周期減去偏振調(diào)整的時(shí)間以及圖像讀出時(shí)間,因此實(shí)際的曝光時(shí)間就小于采用全局快門的CIS芯片,同時(shí)CIS芯片的讀出幀頻還需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于觀測頻率.

FMG載荷的觀測周期100 ms(每秒10個(gè)觀測周期),偏振調(diào)整時(shí)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(shí)間之間的關(guān)系如圖6所示.采用全局快門時(shí),只要讀出幀頻大于10 fps時(shí)(單幀讀出時(shí)間小于100 ms),曝光時(shí)間就能夠達(dá)到50 ms.而采用卷簾快門模式時(shí),當(dāng)幀頻小于20 fps(讀出時(shí)間50 ms),無法保證100 ms的觀測周期;當(dāng)幀頻等于20 fps時(shí),每一幀圖像的讀出時(shí)間等于50 ms,此時(shí)留給觀測周期內(nèi)的曝光時(shí)間為0 ms;當(dāng)幀頻達(dá)到40 fps時(shí)(讀出時(shí)間25 ms),此時(shí)觀測周期的最大曝光時(shí)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(shí)間越接近50 ms.

在同等條件下,曝光時(shí)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(gè)觀測周期的曝光時(shí)間越長(滿阱內(nèi)),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(shí)雖然具有卷簾快門的CIS芯片最高幀頻能夠達(dá)到40 fps,但是實(shí)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(gè)觀測周期的需求.針對FMG載荷的指標(biāo)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(shí)驗(yàn)室性能測試

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

首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試,由于CIS芯片中每個(gè)像素都具有獨(dú)立的放大器,導(dǎo)致每個(gè)像素的增益各不相同,因此在對其增益進(jìn)行測試時(shí),要對每個(gè)像素單獨(dú)進(jìn)行增益測試,獲得各個(gè)像素的光子轉(zhuǎn)移曲線,計(jì)算出每個(gè)像素的增益.

如圖7所示為像素點(diǎn)(60,60)和像素點(diǎn)(500,500)的增益,圖中直線的斜率即是該點(diǎn)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行的增益統(tǒng)計(jì)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(diǎn),增益中心位置為2.1e?/ADU.可見CIS芯片的每個(gè)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(shí)間暗場的統(tǒng)計(jì)計(jì)算,得到讀出噪聲為8.96e?.此外測得的均勻性指標(biāo)顯示在ADC(Analog to Digital Convert)半量程狀態(tài)下非均勻性指標(biāo)?3%,非線性指標(biāo)<1%.

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

圖7 單個(gè)像素光子轉(zhuǎn)移曲線Fig.7 Photon transfer curve for single pixel

除了常規(guī)指標(biāo)測試,考慮到與太陽磁場觀測的信噪比指標(biāo)要求,因此在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了觀測流程的信噪比測量,實(shí)驗(yàn)室信噪比隨疊加幀數(shù)的曲線如圖9所示.實(shí)測結(jié)果達(dá)到6600的信噪比需要左旋3200幀疊加、右旋3200幀疊加,與計(jì)算的理論信噪比增加曲線比較吻合(假設(shè)增益為2.5e?/ADU,實(shí)驗(yàn)室測試的增益也在這個(gè)范圍內(nèi)).實(shí)際觀測中,由于其他設(shè)備也會引入噪聲,因此要達(dá)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(guān)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(yàn)在位于懷柔太陽觀測基地的全日面太陽望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行,全日面像尺寸為1200像素×1200像素,相機(jī)幀頻16 fps,如圖10左圖所示為512幀疊加太陽單色像,重復(fù)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(jì)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(dá)到,更有利于評價(jià)CMOS性能[11]),乘以10000的定標(biāo)系數(shù)得到縱向磁場,并根據(jù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差判據(jù)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差)為4 Gs.達(dá)到5 Gs縱向磁場靈敏度(3倍標(biāo)準(zhǔn)差)需要的幀數(shù)為左旋7168幀、右旋7168幀.通過實(shí)測,使用CMV20000芯片,在懷柔的全日面太陽磁場望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)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(jìn)行空間抗輻照設(shè)計(jì),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(shí)間分辨率要求達(dá)到每秒10個(gè)觀測周期,而偏振分析器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為50 ms,因此每一幀圖像能夠使用的曝光時(shí)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(shí)間低于30 ms,曝光效率較低,因此在選型時(shí)同等條件下可以選擇滿阱較大的CIS芯片以增強(qiáng)光子的收集能力.

5 總結(jié)與展望

CIS芯片由于其高時(shí)空分辨率的特點(diǎn),適合在太陽磁場觀測中運(yùn)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(shí)驗(yàn)室測試,具有全局快門的商業(yè)級大面陣CIS芯片的實(shí)驗(yàn)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(shí),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(yuǎn)鏡上進(jìn)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(gè)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(biāo)上能達(dá)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(shí)間分辨率、空間分辨率和空間工作環(huán)境的需求.調(diào)研結(jié)果顯示,國內(nèi)研究所正在進(jìn)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(yīng)用,有的已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)用階段,因此FMG的探測器選型上應(yīng)該以該類產(chǎn)品為目標(biāo).

致謝感謝懷柔太陽觀測基地工作人員在外場調(diào)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(zhì)量有了顯著提高.