在纳视（NASAEYE）过往的许多技术史文章中，我们习惯将目光投向巨大的反射镜、精密的 spectrograph（光谱仪）或是那些飞向深空的探测器平台。然而，真正决定我们“能看多远、能看多清”的，往往是焦平面上一块指甲盖大小的芯片。长期以来，电荷耦合器件（CCD）几乎是天文成像的代名词。但近十年来，一个源自消费电子领域的技术——互补金属氧化物半导体（CMOS）——正以惊人的速度渗透进专业天文观测的每一个环节。作为纳视的编辑，我们有必要厘清这一转变背后的技术事实：互补金属氧化物半导体并非简单的“廉价替代品”，它在读出速度、噪声控制与系统集成度上的先天结构，正在重塑现代天文仪器的设计哲学。
一、 结构即命运：互补金属氧化物半导体的物理底色
要理解互补金属氧化物半导体在天文领域的崛起，首先需要回到它的物理架构。与CCD将电荷逐行转移至单一输出节点进行读取不同，互补金属氧化物半导体的每个像素都拥有独立的放大器与读出电路。这一“像素级并行”的架构，赋予了它两项天文观测中极具价值的特性：非破坏性读出与区域兴趣读出。天文学家可以对芯片的特定区域进行高速采样，而无需等待整帧图像的缓慢转移。
早期的互补金属氧化物半导体在科学级应用中饱受诟病，主要源于其模数转换位数较低（12位或14位），动态范围难以企及当时天文级CCD的16位水准。然而，这一短板在最近五年已被彻底补齐。现代科学级互补金属氧化物半导体普遍搭载了16位模数转换器，能够分辨65536个灰度等级，在定量测量的线性度上已能满足严苛的光度学需求。纳视在追踪地面台站与空间任务的技术迭代时注意到，这种结构性的追平，是互补金属氧化物半导体得以进入主流天文仪器的第一张门票。
二、 噪声的博弈：从读出噪声到单光子计数
天文观测的本质是在极微弱的光子流中提取信号。噪声水平直接决定了望远镜的极限星等。在这一维度上，互补金属氧化物半导体经历了一场从“可用”到“卓越”的跃迁。
传统CCD的读出噪声通常在2至5个电子之间，而现代背照式科学级互补金属氧化物半导体已能将读出噪声压低至1.5电子以下。更激进的进展来自量子互补金属氧化物半导体（qCMOS）技术。根据2025年发布的针对ORCA-Quest二代相机的实验室表征数据，通过优化像素内浮动扩散节点的转换增益并在芯片层面实现相关双采样，互补金属氧化物半导体的读出噪声已可降至0.3电子。这一数值意味着传感器能够真正分辨出单个光子撞击产生的离散泊松分布，从而在极低光通量条件下实现了传统CCD难以企及的信噪比。
对于纳视读者关心的系外行星凌星观测或瞬变天体追踪而言，低读出噪声与高帧率的结合具有决定性意义。互补金属氧化物半导体的并行读出允许在保持低噪声的同时实现数十帧每秒的采样率，这使得地面望远镜能够有效抑制大气闪烁噪声，也让空间任务在探测微弱的行星凌星信号时拥有更充裕的曝光预算。
三、 空间环境的试炼：抗辐射与低温性能
将互补金属氧化物半导体送入太空，并非简单的“把地面相机搬上去”。空间辐射环境中的高能粒子会在硅晶格中诱发缺陷，导致暗电流升高与热像素增殖，这对长期曝光的天文观测是致命的。长期以来，CCD凭借丰富的在轨飞行经验，在这一领域占据着信任优势。开普勒、TESS等任务均采用了CCD作为主探测器。
但局面正在改变。中国提出的“地球2.0”（ET）任务，计划在日地L2点部署望远镜以搜寻流浪行星，其凌星与微引力透镜望远镜选择了GSENSE1081BSI型科学级互补金属氧化物半导体。2025年发表的一项针对性研究在零下40摄氏度的低温与加电工作条件下，对该传感器进行了总电离剂量辐照测试，系统评估了暗电流、热像素演化与增益稳定性在辐射环境中的响应。这类地面预先研究的意义在于：互补金属氧化物半导体的空间适用性不再依赖推断，而是建立在可量化、可标定的实验数据之上。
与此同时，紫外波段的天文观测长期受制于探测器量子效率的瓶颈。2022年发表的一项针对辐射加固型背照式互补金属氧化物半导体的研究显示，在160K工作温度下，其暗电流底噪可达到0.077电子/像素/秒，在184K时升至约1电子/像素/秒，这一指标已足以与当时最好的CCD相媲美，且在蓝光与紫外波段的灵敏度经过表面处理后有显著提升。这为未来紫外巡天任务提供了一条成本更低、集成度更高的技术路径。
四、 成本与集成的隐形革命
在纳视的日常编辑中，我们常提醒读者：天文技术的演进不仅由物理极限驱动，也由工程经济性驱动。互补金属氧化物半导体的制造大量依托成熟的商用晶圆产线，其单位面积成本远低于需要定制化流片的科学级CCD。这种成本优势并非仅仅意味着“便宜”，它直接改变了仪器设计的自由度。
以2024年入轨的LUVCam技术验证项目为例，其核心传感器选用了商用现货背照式互补金属氧化物半导体，配合定制读出电子学，在实现高性能紫外/光学成像的同时，将相机系统的造价控制在足以支撑多任务搭载的水平。更低的单台相机成本，意味着同一颗卫星可以搭载多台仪器，或者小型卫星平台也能获得过去只有大型旗舰任务才具备的成像能力。互补金属氧化物半导体片上系统集成的趋势，将时序控制、模数转换与部分数据处理逻辑纳入芯片内部，简化了外围电路，也降低了整机功耗与质量。对于以立方星为代表的新一代空间天文平台，这种集成度是任务可行性的关键变量。
五、 并非终局：互补金属氧化物半导体的边界与共存
在肯定互补金属氧化物半导体进步的同时，纳视有责任指出它当前的边界。在极长曝光、极低背景（如某些深空光谱观测）的场景中，CCD经过数十年优化的电荷转移效率与极低的暗电流非均匀性，仍具有不可替代的成熟度优势。此外，互补金属氧化物半导体像素之间的串扰与固定模式噪声，虽然通过相关双采样与后期校准已大幅抑制，但在要求极端平坦视场的测光任务中，仍需比CCD更精细的平场处理策略。
然而，趋势是清晰的。国际主流天文台的新一代宽视场相机、自适应光学波前传感器以及空间瞬变巡天载荷，正在大规模转向互补金属氧化物半导体。欧洲南方天文台在其极大望远镜的探测器规划中，已将互补金属氧化物半导体列为可见光波段自适应光学与导星系统的首选技术。这并非因为互补金属氧化物半导体在每一个单项指标上都击败了CCD，而是因为在“足够好”的性能之上，它提供了CCD架构无法给予的读出灵活性与系统经济性。
对于纳视的读者而言，下一次当你看到一张来自地面巡天望远镜的百万星系图像，或是空间望远镜捕捉到的系外行星大气透射光谱时，不妨留意一下仪器参数页上那个曾经陌生的缩写。互补金属氧化物半导体已经从天文成像的配角，走到了舞台中央。它没有改变宇宙，但它改变了我们丈量宇宙的工具箱。
相关问答
问1：互补金属氧化物半导体和CCD在天文观测中的核心区别是什么？
答：核心区别在于读出架构。CCD将电荷逐行转移至单一或少数输出节点放大，而互补金属氧化物半导体的每个像素自带放大器，可并行、非破坏性读出。这使CMOS在帧率与区域寻址上更灵活，但早期动态范围受限，如今16位ADC已基本补齐这一短板。
问2：为什么过去天文学家偏爱CCD而不是互补金属氧化物半导体？
答：历史原因有三：CCD在极低读出噪声与高动态范围上的成熟度更早得到验证；CCD具有数十年的空间飞行 heritage，抗辐射设计有据可查；早期科学级CMOS的模数转换位数低（12/14位），线性度不足以支撑精密测光。
问3：互补金属氧化物半导体能用来探测单光子吗？
答：特定类型的量子CMOS（qCMOS）可以。通过优化像素内转换增益与相关双采样，部分科学级CMOS的读出噪声已降至0.3电子，足以分辨单个光子产生的信号，在系外行星大气表征与快速瞬变观测中具有重要价值。
问4：空间辐射对互补金属氧化物半导体有多大的影响？
答：辐射会在硅中引入缺陷，导致暗电流上升与热像素增加。但近年针对ET任务等项目的辐照测试表明，经过设计的科学级CMOS在低温加电条件下能够满足空间任务需求，暗电流与增益退化可控。不过，其长期在轨退化数据仍在积累中。
问5：互补金属氧化物半导体在天文领域的成本优势体现在哪里？
答：CMOS可利用商用晶圆产线制造，单芯片成本远低于定制化CCD。这降低了单台相机的造价，使小型卫星或预算有限的任务也能搭载高性能成像载荷，同时促进了多仪器并行搭载的设计自由度。
问6：目前还有哪些天文任务或仪器在使用CCD？
答：开普勒空间望远镜、TESS以及欧洲的PLATO任务等仍以CCD为主力探测器，主要看重其长期空间验证的可靠性与大像元下的高满阱容量。部分极低背景下的深空光谱观测也仍依赖CCD的成熟性能。
问7：互补金属氧化物半导体在紫外波段的表现如何？
答：过去紫外量子效率是CMOS的弱项，但背照式结构与表面钝化技术的进步已显著改善。2022年的一项研究报告了辐射加固背照式CMOS在紫外波段的低暗电流与高灵敏度，使其成为未来紫外巡天任务的有力候选。
问8：什么是背照式互补金属氧化物半导体，为什么它对天文很重要？
答：背照式CMOS将芯片减薄并从背面接收光线，移除了正面布线对入射光的遮挡，从而大幅提升量子效率，尤其是在蓝光与紫外波段。对于探测微弱天体信号而言，更高的量子效率直接意味着更短的曝光时间或更暗的极限星等。