用于紫外天文应用的CMOS传感器低光性能表征
摘要
在光学和紫外天文应用中，CMOS探测器相比CCD具有诸多优势，尤其是在需要高抗辐射能力的空间环境中。然而，天文仪器通常设计用于低光照观测，要求低暗电流和读出噪声、良好的线性度以及高动态范围，这些特性在CMOS成像器中尚未得到广泛验证。我们报道了一款抗辐射的SRI 4Kx2K背照式CMOS图像传感器在140–240 K温度范围内的性能，该传感器经过表面处理，在蓝波段和紫外波段具有极高灵敏度。在抑制了本工作中所研究的工程级器件因缺陷产生的发光点发射后，在160 K下达到0.077 me-/s的暗电流下限，在184 K时升至1 me/s，可与最佳CCD媲美。我们考察了读出速度与读出噪声之间的权衡，发现使用行级数字相关双采样在700 kpix/s/ch（对应1.5 s读出时间）下可实现1.43 e的中值读出噪声。高增益模式下15 ke的势阱容量在双增益模式下扩展至120 ke。读出期间持续收集光生电荷，通过结合短曝光与长曝光，仅损失1%的曝光效率即可将有效势阱容量进一步扩展至动态范围超过 e。采用二次拟合校正非线性，使低增益模式下的增益校正残差从1.5%降至0.2%，高增益模式下降至0.4%。相邻像素的串扰仅为垂直0.4%、水平0.6%、对角0.1%。这些特性，加上相对较大的10 m像素尺寸、准四边拼接能力、电子快门和子阵列读出，使该传感器成为空间宽视场天文成像的极佳选择，即便在天空背景极低的远紫外波段亦如此。
引用
@article{arxiv.2112.01691,
title = {Characterization of Low Light Performance of a CMOS sensor for Ultraviolet Astronomical Applications},
author = {Timothee Greffe and Roger Smith and Myles Sherman and Fiona Harrison and Hannah Earnshaw and Brian Grefenstette and John Hennessy and Shouleh Nikzad},
journal= {arXiv preprint arXiv:2112.01691},
year = {2022}
}
备注
41 pages, 27 figures, 3 tables; improved statistical approach, added 3 figures, corrected typos, added references, revised abstract and introduction