基于地面的天文学提供了一种在太空中成像物体的方法。由于太空中的大多数物体都可以在可见光波长范围(380-700nm)内观测到，光学天文学一直处于天文观测的前沿。太空中的许多物体都非常微弱，需要一台灵敏度高、噪音最小的相机来检测它们的微弱信号。
检测该信号的能力受到各种噪声源的约束，并且该限制通常由信噪比或SNR来定义。通常，SNR越高，图像就越好。有几种噪声源，包括来自源的散粒噪声和来自天空的背景噪声，这是地面观测所固有的[1]。
EMCCD是一种替代传感器技术，通常用于更具挑战性的动态观测。EMCCD使用片上放大来相对于读取噪声提升信号。有了这种低或可忽略不计的有效读取噪声，EMCCD可以以更高的帧速率操作，更适合捕捉动态事件的演变，同时保持所需的SNR。图2显示了EMCCD传感器架构的示意图，显示了片上放大如何将信号提升到读取噪声之上。
图2：EMCCD传感器示意图。在图像捕获区域内收集光子并将其转换为光电子，然后将其转移到存储区域。然后，这些电子在扩展乘法寄存器中被放大，这增加了所产生的信号而不增加任何读取噪声。
先进CMOS技术的优势
传统的CMOS传感器没有被广泛考虑用于天文观测，因为它们是前照式的，与CCD和EMCCD传感器相比，通常具有低QE，并且在更高的读取噪声和较差的线性度(检测信号和数字信号之间的比例)下工作。然而，CMOS技术的进步现在使得CMOS不仅能够匹配CCD和EMCCD传感器的这些参数，而且能够克服这些技术的共同局限性。
背照式CMOS技术
背照式CMOS传感器的引入显著提高了QE，可见光波长达到>90%。此外，先进的CMOS传感器设计，如TeledyneImaging的LACera与典型的CCD相比，技术在紫外线下显示出更高的灵敏度(见图3)。这使得先进的CMOS探测器不仅适用于可见光波长范围内的观测，而且适用于那些利用紫外线光谱的探测器。
图3：先进CMOS传感器和典型背照式CCD传感器的量子效率曲线。
CMOS传感器体系结构
与CCD传感器不同，CMOS传感器上的电荷-电压转换在每个像素中单独进行(见图4)，传感器每列上的读出节点同时工作。这种并行读出架构提供了巨大的速度优势，允许CMOS传感器以更快的速率处理采集的数据，同时实现比CCD更低的读取噪声，并且没有EMCCD的过度噪声。
快速读出不仅对动态天文成像很重要，而且对快速决策和分析也很重要，例如在用于校正大气湍流的自适应光学系统中。CMOS传感器还使用精确的电子快门，允许在不丢失数据的情况下进行连续成像。
图4：全帧CCD读出结构与CMOS读出结构的比较示意图。全帧CCD上的像素沿传感器垂直向下移动，直到它们读取读出阵列。然后，它们逐像素水平移动，直到被模数转换器(ADC)读出。相比之下，CMOS架构每列有一个单独的ADC，在保持低读取噪声的同时提高了读取速度。
高动态范围
在天文学中，在同一视场内同时有明亮和暗淡的物体并不罕见。高动态范围(HDR)使微弱天文物体的探测成为可能，而不会使探测器被周围较亮物体的光饱和。HDR操作取决于线性度、ADC位深度和增益。CMOS相机可以通过对具有高增益和低增益的信号进行多次采样来扩展动态范围。然而，高增益读数和低增益读数之间的交叉中的伪影会限制测量精度。
真全局快门
CMOS传感器通常通过一种称为滚动快门的过程开始曝光、读取并逐行清除传感器。尽管这个过程非常快，但它可能会给快速移动的物体带来失真、帧之间的潜在延迟以及同步困难，这对许多天文学应用都是有害的(见图5)。
或者，同时读取和重置所有检测器像素的全局快门对于背照式CMOS传感器来说是一项挑战。对于全局快门设备，要结束曝光，需要立即将光电子移动到存储区域。这个存储区域通常是光敏的，这意味着不需要的光子与之相互作用可能会产生伪影。
大视场
并行化和高速操作使CMOS设计成为大面积传感器设计的理想选择。CMOS相机现在已经开发出像素数为6kx6k及以上的相机，以及具有高QE和低读取噪声的大像素尺寸(10μm)，用于在一帧内对较暗、高速物体或多个较暗物体进行精确成像。
大传感器尺寸的好处包括更少的望远镜移动来跟踪快速移动的物体(空间碎片)，每帧观察更多的物体(巡天)，以及通过观察更多的参考恒星来更好地校准图像。