火星毅力图像背后的传感器故事

格雷格·布莱克曼（Greg Blackman）与Cmosis的前任盖伊·梅南斯（Guy Meynants）和Teledyne e2v的保罗·杰拉姆（Paul Jerram）谈谈火星探测器上图像传感器的历史

毅力到达了火星，我们所有人都为之欢呼。多年的工程努力，以紧张而又相当复杂的进入，下降和着陆程序，安全地飞行并轻轻地沉积在红色行星的表面上，这被称为“恐怖的七分钟”。将毅力一分为二。

从流动站返回的图像讲述了他们自己的故事，讲述了提供传感器的成像社区，并以某种方式概述了图像传感器的发展历史。

比利时公司Cmosis最初将其CMV20000传感器构建为用于交通监控的定制产品，并于2012年夏季发布，当时Perseverance的前身Curiosity降落在火星上。

毅力是好奇心的升级版本。 2013年初，一项内部研究着眼于现代化因好奇心而飞速发展的工程相机的方法，因为当时这些相机的设计已有20多年的历史。美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的科学家在2020年11月发表在《太空科学评论》上的一篇论文中写道，人们感到这些相机的时代即将结束。

升级之一是在工程摄影机中使用CMV20000 20百万像素传感器，以及流动站的导航和危险检测眼。 Cmosis的创始人之一，现在在图像传感器公司Photolitics工作的Guy Meynants告诉欧洲影像和机器视觉公司，JPL最初像其他客户一样要求提供有关传感器的信息，但那时Cmosis的团队没有这样做。不知道它会被用来做什么。

然后，后来，我们开始遇到非常具体的问题，这是我想到的，缅因人回忆道。 ＆＃39;有一些紧急情况，当时我是Cmosis的首席技术官。从那时起，我们开始意识到它可能会被用于诸如[火星探测器]之类的东西。

大约在2015年，Cmosis被Ams接管– Ams仍可提供CMV20000传感器。最初，我们不知道它的用途，但是[Cmosis]在提供太空影像仪方面确实具有悠久的历史，＆＃39; Meynants添加了。

梅尼特斯自1990年代开始为太空探索设计CMOS传感器的历史始于为Imec研究人员工作。他参与了欧洲航天局（ESA）的多个项目，其中一些传感器最终进入了太空。自2003年底以来，“火星快车”上的“火星网络摄像头”一直在火星上运行17年，为红色星球拍照。机载成像仪是Meynants在Imec攻读博士学位期间开发的一种芯片，目前仍在运行。 Meynants表示，它是作为技术演示器制造的，以表明CMOS传感器可以在太空中使用-CMOS传感器比CCD更能承受辐射暴露，而CCD往往会随时间推移而遭受电荷转移降解的困扰。

Cmosis还参与了ESA的项目，例如，用于对接照相机以指导航天器与空间站或卫星对接的项目。该公司过去也曾为JPL和Nasa从事过项目。

2月20日，由漫游车上的导航摄像机拍摄的全景图由6张单独的图像拼接而成。图片来源：NASA / JPL-Caltech

JPL科学家在《太空科学评论》的论文中说，与“坚持不懈”摄影机相比，“好奇心”摄影机具有三个主要改进。首先，Cmosis CMV20000传感器是彩色芯片，比单色前代传感器具有更好的上下文成像功能。第二个改进是，摄像机具有更宽的视野-90°x 70°，而不是45°x 45°-这意味着只需五张重叠图像即可创建360°全景视图（好奇心需要10张图像才能实现同样的效果）。第三个改进是20兆像素传感器比旧型号可以分辨更多细节。

Meynants还指出，CMV20000是一种全局快门传感器，在《太空科学评论》论文中并未强调。火星车使用六个避险摄像头在很大程度上绕火星移动（地球上的控制器由于向火星发送信号和从火星发送信号存在时间延迟，因此无法做出实时决策来驾驶火星车）。

所有数据都是在全局快门传感器上同步获取的，这对于任何一种自动驾驶算法都是有益的。招商解释。

您不必担心卷帘门问题，他继续。 ＆＃39;您可以确保所有六个摄像机同时获取图像。使用卷帘快门传感器，可以同步曝光时间，但是每行像素将在稍有不同的时间捕获信号，这在处理用于自动驱动的数据时可能会产生问题。

Cmosis传感器位于流动站上的工程相机中，但是发布的第一批​​图像中有一些来自六个Flir Chameleon3相机（以前是Point Grey）的镜头，这些图像使观看者的下降更为生动。这些捕获了进入降落阶段和降落阶段的过程，从降落伞被部署到着陆点上的最后一个空中吊车机动，在那里流动站从喷气背包降落到水面。

着陆系统的关键部分是安装在流动站下方的Lander视觉系统摄像机（LCAM）。当漫游车降落在降落伞上时，LCAM图像与预先装载在车辆上的参考地图相关联，以定位自身并安全着陆。像Cmosis技术一样，用于LCAM的传感器也具有比利时传统，并与Meynants建立了暂时的联系：在半导体公司的梅赫伦工厂（前Fillfactory工厂）开发了Python 5000全球快门芯片。 Meynants在被On Semiconductor收购之前是Fillfactory的联合创始人。

在流动站上的分析仪器方面，使用了CMOS和CCD检测器的组合。 Cmosis在Supercam中有一个传感器-CV4000，一个2k x 2k的设备，它将检查岩石和土壤的化学成分。 Meynants表示，将CV4000包含在Supercam中的途径是一个更为经典的太空科学项目，其具有对微透镜的全面资格以及有关传感器是否适合该任务的科学研究的资格。

Supercam还包含Teledyne Imaging的一部分Teledyne e2v的CCD，以及Sherloc仪器-利用拉曼和发光技术扫描可居住的环境中的有机物和化学物-它将寻找矿物质，有机分子和潜在的生物特征。 Teledyne Imaging公司还为Sherloc UV光谱仪生产了关键的光学组件，其中包括许多透镜和镜子。

Supercam和Sherloc上的Teledyne CCD均为2k宽x 512像素高。 Teledyne e2v的首席工程师Paul Jerram说，在这里，灵敏度是关键，不仅在可见光谱范围内，而且在紫外线和红外线范围内。

杰拉姆告诉《欧洲影像与机器视觉》杂志，这种特殊的CCD可以追溯到1990年代初。它最初是为皇家格林威治天文台制造的大面积探测器。之后，e2v成为光谱检测器的变体。

好奇号在机上使用了一种版本的传感器，因此对于毅力的工作已经得到了一定程度的证明。我们提供了一种非常有效的检测器，耶拉姆说，检测效率几乎达到100％。从激光脉冲返回检测器的信号并不大，Supercam和Sherloc等仪器需要一个噪声非常低的传感器来捕获所有信号。

毅力在2月18日降落时在下降阶段拍摄的视频中的静止图像。图片来源：NASA / JPL-Caltech

耶拉姆说，e2v于1980年代开始制造用于太空科学的传感器。实际上，这意味着我们的技术已经发展成为适合太空探索的方式-诸如确保我们拥有具有很高探测效率的探测器，确保我们有可以进入附近的探测器之类的东西红外线和紫外线，他说。如果您在太空中，无论是收集天文学信号还是其他任何东西，收集信号通常都非常昂贵，因此您需要确保探测器的效率很高。

Teledyne Imaging在设计传感器方面也具有很多专业知识，这些传感器可以承受辐射和温度极限以及发射和降落带来的振动。 Teledyne e2v，Dalsa和成像传感器业务部门提供了背面变薄的背面照明的CMOS和CCD，以及红外HgCdTe探测器，以及用于太空应用的其他技术。

Teledyne e2v正在进行的最大的太空项目之一是欧洲航天局正在建造的柏拉图太空望远镜探测器的新设计-行星行进和恒星振荡。柏拉图定于2026年发射，它将寻找系外行星，即围绕其他恒星运行的行星。它是[柏拉图]一个非常大的焦平面，所以他们[ESA]想要一个大探测器，耶拉姆说。该仪器将拥有有史以来最大的数码组合相机，其视场覆盖约2,250平方度的天空，分辨率为2.12吉像素。

Teledyne这款望远镜的每个CCD尺寸约为8 x 8cm – 4.5k x 4.5k像素，间距为18μm。杰拉姆说，CCD晶圆的起始尺寸为六英寸，对于柏拉图而言，检测器几乎填满了所有晶圆。这是一个从头到尾耗时15年的项目的示例，他加了。

太空技术的发展周期很长。 Meynants表示，早在Cmosis成立的一个太空项目（大约在2010年左右），便促使该公司致力于采用先进的传感器技术并进一步提高其CMOS制造能力。该传感器是用于ESA太阳轨道卫星的完全定制CMOS芯片，具有很高的动态范围像素。 ＆＃39;我们是最早在芯片上演示[此像素]的人之一，＆＃39;缅因人回忆道。

该传感器将用于极端UV成像，因此无法从正面照亮芯片，因为辐射将被玻璃覆盖层吸收。 ＆＃39;我们必须使设备变薄并从背面照亮，＆＃39;他说。 ＆＃39;当时，我们认为这是学习开发[背面照明]技术的好机会-大约在2010年，2011年，BSI确实很新，我们认为这是一种我们可以学习如何制作并执行项目。＆＃39;

去年制造了飞行装置并发射了卫星，因此发展时间为十年。 ＆＃39;这些是2k x 2k，10µm像素–真正的大型设备，是3 x 3cm-并且在该卫星上有四个，＆＃39; yn女说。

＆＃39;这是[2010年]最先进的技术，BSI高动态范围像素，＆＃39;他加了。现在，您可以在手机中找到该技术。即使该技术可能在进入太空时成为主流，但太空科学仍将继续突破界限。

Guy Meynants目前在Photolitics董事会任职，该公司提供定制图像传感器设计，还兼职于鲁汶大学（KU Leuven）从事在恶劣环境下（例如太空中发现的图像传感器）的图像传感器研究。

保罗·耶拉姆（Paul Jerram）在Teledyne e2v的影像部门工作了近25年。作为空间成像的首席工程师，他确保Teledyne e2v的技术能够满足客户的需求，并与客户共享公司的发展路线图。