带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS

CCD的诞生与工作原理

电荷耦合器件（Ch-Dvi,CCD）是由贝尔实验室的威拉德·波伊尔和乔治·史密斯发明的。CCD是一种在光电效应基础上发展起来的半导体光电器件，自20世纪70年代后期开始广泛应用于天文观测，相较照相底片和光电倍增管，它具有量子效率高、动态范围大、线性好等优点。

图1.CCD的发明人威拉德·波伊尔（左）和乔治·史密斯（右），二人因此工作获得2009年诺贝尔物理学奖[1]

CCD的工作过程主要包括：电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。光子入射到CCD上激发光电子，光电子被收集在一起形成电荷包，电荷包依次从一个像素转移到另一个像素，最终传输到输出端，完成对电荷包的测量，如图2所示[2]。

图2.CCD的工作过程：电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量[2]

CCD的分类

CCD种类有很多，天文观测中常用的有全帧CCD(F-FCCD,FFCCD)，电子倍增CCD(E-MiiCCD,EMCCD)等。

全帧CCD具有高密度像素阵列，能够产生高分辨率的数字图像。全帧CCD在读取时，积累的电荷必须首先垂直转移到下一行，由串行读出寄存器水平读出每个像素，重复上述步骤，直至全部转移完毕，这称为“逐行扫描”，如图3所示。由于全帧CCD所有像素都参与感光，因此在电荷传输时，这些像素将被用于处理电荷传输而不能继续捕捉新的影像。这时如果探测器继续接受光线，就会影响成像质量，所以全帧CCD需要配备机械快门，用于探测器读出过程中遮挡入射光。机械快门的缺点是存在快门效应、故障率高、使用寿命有限等。

图3.全帧CCD图像读出过程示意图[4]

EMCCD主要包括成像区、存储区和输出放大器。不同于全帧CCD，EMCCD在串行读出寄存器和输出放大器之间有数百个增益寄存器，在增益寄存器中分布有倍增电极，作用是加速载流子，高速的电荷会激发更多的载流子，从而实现信号放大，如图4所示[5]。

图4.EMCCD结构示意图[5]

EMCCD的典型工作模式为感光区按照指定曝光时间积分，待曝光结束后感光区电荷迅速转移到存储区，感光区可立刻进入下一次曝光；与此同时，存储区的电荷从上到下逐行进行转移；在读出过程中电荷转移至增益寄存器进行放大并读出。这种工作模式读出速度快，可以无需机械快门，通常可以每秒获取十几张图像，能够满足一些科学目标对短曝光、快读出的需求。

在弱光成像时，EMCCD相较CCD具有更高的灵敏度，这是由于EMCCD可以在不增加读出噪声的情况下，通过增益寄存器放大来提高图像的信噪比，而CCD只能通过增加曝光时间提高信噪比；但在观测较亮目标时，EMCCD在信号放大过程中会引入其它噪声，在相同曝光时间下，CCD或许是更好的选择。

CMOS与CMOS

互补金属氧化物半导体(CM-Oxi-Si,CMOS)诞生于20世纪80年代。CMOS图像生成机理同样是光电效应，它的工作过程也包括电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。与CCD不同的是CMOS每个像素都集成了模拟电路，四个过程在一个像素里完成，即每个像素输出的是转换完的电压信号。

图5.CCD将电荷逐行扫描至输出放大器，然后将其转换为电压信号CMOS则在像素内将电荷转换为电压信号[6]

由于结构上的差异，传统CMOS相机与CCD相机相比噪声高、填充因子低、量子效率低、动态范围小等，所以没有被广泛应用于专业天文观测。上世纪90年代末，随着手机摄像功能的开发，以及手机行业的快速发展，CMOS技术发展迅速，CMOS缺点得到了有效改善。2009年出现了科学级CMOS（iifiCMOS,CMOS）技术，该技术基于CMOS的架构，通过片上相关多采样来降低噪声、调整半导体掺杂比例等提高像素满阱容量、大小增益双路读出合成高动态范围图像技术提高动态范围、二维无缝拼接技术实现大靶面等，克服了CMOS的一些缺点，实现了低噪声、高帧频、高动态范围、高分辨率、大靶面等。CMOS作为CMOS一种类型，主要应用于科研领域。

CMOS应用电子快门，如卷帘快门和全局快门。对于卷帘快门来说，图像是逐行读出的，这与机械快门很像，在拍摄快速移动的物体时会出现斜坡图像、晃动等现象。全局快门像素在曝光时间积累电荷，曝光结束后所有像素同时重置、同时传输到存储区域并读出，所以拍摄快速移动物体没有变形。相比全局快门像素，卷帘快门像素读出噪声低、读出速度快，适合拍摄与相机相对静止或者一些要求低噪声和高帧频的目标图像；全局快门像素则更适合拍摄与相机之间具有相对高速运动的目标图像。电子快门相较机械快门，无需考虑快门效应和快门寿命，在实际使用中可以实现短曝光，同时维护、维修方便。

图6.使用卷帘快门在拍摄快速移动物体时会出现变形，全局快门则不会[7]

目前CMOS已被广泛应用于生物、物理等科研领域，而CMOS则取代了CCD，成为了民用领域最主要的感光器件。天文专用相机与生活中常见的消费级数码相机差别较大，主要区别有：1.天文专用相机使用的感光芯片像素较大（较大的像素通常具有较大的满阱电荷）、噪声较低，所以具有较大的动态范围；使用16-i模拟/数字转换器，可以获得16-i的数字图像；除此之外，还具有线性好、量子效率高等优点；2.天文专用相机通常需要对感光芯片进行深度制冷，来降低暗电流，芯片需封装在密闭空间里，所以体型较大、结构复杂等；3.天文专用相机需要连接电脑，使用专用控制软件对其设置、拍摄及显示等。

图7.左为科学级天文专用相机，右为消费级数码相机（图源：网络）

图8.使用天文专用相机拍摄的“梅西耶天体M81和M82”（图源：邱鹏摄，使用器材：106口径望远镜、LRGB滤光片和天文专用制冷CCD，LRGB四通道总曝光时间约28小时，单次最长曝光时间30分钟）

图9.使用数码单反相机拍摄的“沙漠中的银河”（图源：邱鹏摄，使用器材：数码单反相机，参数设置：焦距14、光圈f/2.8、ISO6400、曝光时间30秒）

小结

全帧CCD、EMCCD，CMOS和CMOS作为半导体感光器件，因其结构不同，特点不同。在实际天文观测中，根据观测需求选择合适的探测器，才能事半功倍。

参考文献：

[1]高标签][2]JJik.DiD.SPIE,2002:30-33

[3]C.RKihi编著，杨大卫等译，胡景耀等校.天体物理方法.原书第四版.科学出版社，2009，1-23,149-160

[4]IiCCD，

高标签][5]WhiEMiiCCD(EMCCD)C,

高标签][6]DvLiwi,D.CMOSv.CCD:MiThi,MiMk.PhiS.2005

[7]RihVSGh,

高标签]作者简介：邱鹏，中国科学院国家天文台工程师，主要从事科学级天文探测器性能检测与应用、天文望远镜控制、天文技术与方法研究。

文稿编辑：赵宇豪

来源：光明网

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3、申请贷款请通过正规金融机构办理，切勿轻信陌生好友、陌生电话、短信、网络广告。

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长沙一培训机构法人跑路！400多名家长受骗 总金额500多万元

“投资未来，考验的不光是荷包，更是眼光。”这是长沙“习得英语”双十一促销宣传语。没想到，一语成谶。

1月3日，大多数人们仍沉浸在迎接新年、欢度假日的喜悦中。当日清早，习得教育培训学校（以下简称“习得”）的家长们陆续收到一张图片，图片是一张贴在该机构门上的致家长公开信，宣布自2021年1月1日起该机构无限期停课歇业，落款是机构法人任宛兰。而就在几天前，2020年12月31日晚，习得还正常上课。元旦之前，各班级群也都陆续收到了元旦放假、寒假放假通知。甚至，11-12月期间，习得刚进行完促销，新生还没开始上课，老师们也没领到12月份工资，负责人却消失了。一切来得毫无征兆。

1月3日，闻讯赶来的老师和家长拍下习得学校人去楼空的现场。

在生活中，预付费消费在培训、餐饮、健身、美容等行业比比皆是。商家通过发行预付卡快速回收了资金、吸引了客源、绑定了客户，消费者也通过使用预付卡享受到了更实惠的价格。可这一看起来“双赢”的消费方式，却面临重重风险。商家卷款跑路、服务不满意不退款、霸王条款等消费乱象频繁发生。从2019年湖南省预付式消费维权状况调查报告中可以看出，全省消费者办理过预付卡的比例为43.6%，全省持预付卡的消费者中14%有过维权经历。面对商家抛出的五花八门的预付充值活动，消费者切记仔细甄别，保持理性消费。如果遇到此类情况，又该如何破解，对此，记者近日进行了走访调查。

400多人损失500多万

“这么多年的信任一夜崩塌”

据习得教师反映，1月2日晚，任宛兰在习得教师工作群发布了一条无限期停课歇业的信息，对于老师的震惊与疑问没有回复。1月3日早，几个中教老师赶到办公场所，发现所有合同、教案体系、营业执照、公章及部分收据都不见了。“万万没想到，她会做这样的事，背叛了所有人。”一名中教老师说，他们多次给任宛兰打电话都不通。老师通知了家长，许多家长哭了，“这么多年的信任一夜崩塌，真是有种真心错付的感觉。”

据习得办公电脑留存的数据不完全统计，此次蒙受损失的家长有400多人，总金额500多万元。早在2018年8月，国务院办公厅就在《关于规范校外培训机构发展的意见》中明确，教培机构“不得一次性收取时间跨度超过3个月的费用”，教育部门也多次提醒消费者防范资金风险、违约风险。这项规定，许多家长表示都知晓，现实操作却不易。且不说市场上多数教培机构超3个月预付费问题令家长难以选择，这其中经过“千挑万选”被家长们选中的习得学费就是万元起步，其中一个招牌项目——保过剑桥少儿英语等级考试及雅思考试的效果承诺课程就吸引了许多家长，学费从3万到7万不等，必须提前预缴，合同期3年起。有的家长听人推荐习得“教材好、老师好”慕名而来，有的家长因为大孩学习效果不错，又继续给二孩报课程，有俩孩的家庭一次性就要缴纳十几万学费，相当于一套公寓房的首付款。

跑路前的疯狂

“我们更希望小孩能继续上学”

习得2012年进入长沙，定位全外教英语教学培训，以良好的口碑深受家长和学生喜爱，曾被长沙市雨花区教育局评为先进单位。为什么会突然无限期停课歇业？真的像任宛兰致家长信中所说，因为集体退费或负债累累？家长、老师们目前正在寻求维权，试图探寻事件的真相。

不少受骗家长告诉记者，任宛兰留下的信措辞“看起来冠冕堂皇，那是因为她在跑路之前狠狠收了钱”。据统计，在2020年11~12月期间，习得以“天猫双十一，你秒到的是宝贝；习得双十一，你秒到的是宝贝的未来”作为促销语推广销售课时，新老学生共计60多人购买了15万多元，约定2021年3月1日之后开始计课时。

习得一中教老师透露，任宛兰2020年12月份给员工发了一纸新的绩效考核方案，要求中教老师每人每月完成8万元业绩，包括新生转介绍、老生续费。部分老员工无法适应突如其来的压力，提出离职。一些家长发现，多年熟悉的老面孔换成了新面孔，教学服务大不如前。文女士与班上几个家长找到校方，询问是否存在经营困难，校方答复仅师资有点紧缺，不影响继续办学。“我们几个家长当时提出，如果不办了早点通知我们退费，我们更希望习得继续办下去，让小孩继续学。”他们不知道的是，退费在一年前就停滞了。

2020年8月，宋女士带孩子在习得试了一次课，感觉不错，考虑到新班级要明年3月份才正式开课，当时她只交了3千元定金，准备开课前再补齐学费。然而在12月24日，任宛兰特意加了宋女士微信，劝说她交学费，此时距离任宛兰跑路不到一星期。“现在看来，她是想跑路之前骗一个是一个。”宋女士感到后怕。而她的朋友试课当天交了5万多学费，至今没开课。王先生的大孩报了4年课程，学了3年，感觉很有收获，2020年3月，他再次给二孩报了效果承诺课，总价7万多，任宛兰按医护人员的优惠标准给减免了几千块，直到现在，二孩都没有上到课。这样交了费没上课的孩子越来越多，正如公开信中所说，习得面临着招生无法开班开课的艰难处境。

越来越接近的真相

跨年夜掩人耳目的跑路

习得学校门口张贴的致家长公开信。

任宛兰在公开信中提到，压死骆驼的最后一根稻草是无理取闹的家长、歪曲事实的媒体曝光和集体退费事件。事件源于2020年9月份发生在习得球池的安全事故，据当时媒体报道，5名小孩被1名高年级孩子打伤，造成1名肋骨骨折、1名下体外伤，家长与校方在协商过程中，突然被踢出班级群，并强制被停课。

当事人家长李女士称，他们几名家长去到派出所、街道、教育局等有关部门，以合同违约为由要求习得退费，在多部门极力协调下，任宛兰只承诺2021年1月底退费，并且不做任何抵押。强硬、坚决不退费的态度，令李女士等人怀疑习得资金链出现问题，她们向法院提起诉讼，并向其他熟识家长发出警醒，警示大家提防习得会关门跑路。同时，习得公开发出一份告家长书，澄清打闹事件非恶意伤人事件，对于事件经过的描述措辞却与家长方大相径庭。大部分家长仍然不知道发生了什么事，部分家长虽有所耳闻，在冲突双方各执一词的情况下，面对愤怒的个体，选择了长期信任的机构，李女士的朋友还续交了3万多元学费，如今后悔不迭。

2020年11月，任宛兰收到了雨花区法院的通知，准备2021年1月开庭。面对教育部门的约谈，任宛兰把时间约在了1月4日。看起来她似乎准备在元旦后解决一些问题，实际却选择了逃避一切。部分家长对机构种种迹象虽有担忧，但当跑路这个事实摆到眼前时，依然感到残酷。

得知跑路事件后，习得物业所有方的房东报警了，据她透露，习得从一季度交一次租金，到一月交一次租金，迄今为止已欠缴4个月。物业愕然发现，习得早已欠缴电费，目前用电全靠偷搭了一根电线。物业监控显示，2020年12月31日晚下课后，等所有人走了之后，任宛兰与两名男子从后门楼梯用大行李箱来回搬运了几趟。回家路上的老师、家长、孩子们浑然不知，一场掩人耳目的跑路就此悄然拉开序幕。这场跑路到底筹划了多久，不得而知。彼时，跨年夜的长沙街头人山人海。

投资财富与孩子未来之间的抉择

维权是一份社会责任

事件曝光后，网上也出现了一些质疑的声音，质疑家长“跟风参加这种所谓培训，带坏社会风气”。这让维权群的家长们感到十分意外和愤怒，他们表示，他们大部分来自工薪阶级，只不过是在选择投资财富和投资孩子未来之间选择了后者。

雨花区教育局民幼科相关工作人员表示，家长们拨打报警电话和长沙市政务服务便民热线后，雨花区政府成立了专项小组协调各部门共同推进处理这起突发事件，警方开展调查取证。1月5日开始，政府派出几组工作人员进驻金地社区收集习得事件涉及的受害家庭信息和材料。到目前为止，在政府登记的人数有260多人，总额400多万，仍有部分停课已久的老生和新生家庭尚不知情。

维权家长中的一位资深律师认为，如果习得明知不能继续提供相应的教学服务的情况下，却仍然诱骗家长缴费，涉嫌故意诈骗行为，知情的公司负责人都应为此负法律责任。根据《中华人民共和国刑法》第二百六十六条规定，诈骗罪是指以非法占有为目的，用虚构事实或者隐瞒真相的方法，骗取数额较大的公私财物的行为。诈骗公私财物价值三千元至一万元以上、三万元至十万元以上、五十万元以上的，应当分别认定为刑法第二百六十六条规定的“数额较大”“数额巨大”“数额特别巨大”。习得预收款却未开课的金额已经远远超过了诈骗罪立案标准。至于是否立案，据砂子塘派出所透露，警方目前还在搜集证据。

针对目前习得事件，受害家长呼吁公安部门尽快立案，对跑路机构给予严惩，给教培市场树立一个警示的样本。习得家长王女士说，他们维权不仅仅是为了挽回损失，更是因为一份社会责任，如果每个培训机构遇到困难都这样不负责任一走了之，会引发更多机构效仿，伤害更多的家庭，影响教育培训市场的良性发展。

预付卡消费多数在民生服务行业，出现纠纷涉及面广。与此同时，商业预付卡纠纷维权成本高，能最终通过司法救济获得实际赔偿的少之又少。近年来，“跑路门”事件频发，跑路人付出的代价却很小，消费者维权艰难，跑路机构的善后处理常常陷入泥潭。

雨花区教育局工作人员也告诉记者，此次习得跑路事件确实发生得“非常突然、没有迹象”。事实上针对预收费乱象，雨花区教育局在2020年1月5日就要求全区民办教学机构法人代表递交“规范办学承诺书”，其中明确规定各机构应承诺预收费不超过3个月、单科不超过60课时的收费制度（其中习得法人任宛兰同样也递交过此承诺书）。此外，在去年一年时间里，雨花区教育局也多次开展“规范办学”检查，对办学机构进行检查和督促；并通过“致家长的一封信”等形式，提醒家长理性消费。

来源：红网记者黎鑫肖帅

来源：红网