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全球最大数码相机拍摄出史上最高像素照片,天文学新时代即将开启

2020-09-16 10:05:17 Cavan 8

北京众星联恒科技有限公司

SLAC工作人员首次照下了32亿像素的数码照片,也是通过单次成像得到的最高像素的照片。


这些照片特别大,要用378块4K超高清电视屏幕才能完整展示出其中的一张;它们的清晰度能让你看见大约24千米外的一颗高尔夫球。


而拍摄这张照片的成像传感器阵列,将会成为薇拉·库珀·鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)相机的核心部件。接下来,这个传感器阵列将并入SLAC仍在建的全球最大数码相机中。在鲁宾天文台组建完成后,这个相机将可以拍下整个南天的全景图——每隔几晚就能照一张;如此这般,持续十年。每晚,鲁宾天文台都需要处理、储存超过20 TB的数据。


这些数据会从相机传入鲁宾天文台的时空遗产调查项目(Legacy Survey of Space and Time,LSST)数据库中,这个数据库包含了比地球人口还多的星系,和数不清的天体的运动信息。利用LSST相机,鲁宾天文台能拍出有史以来最宏大的天文学电影,并揭开许多重要的宇宙之谜的面纱。这其中就包括暗物质和暗能量之谜:LSST产出的数据将用于暗能量科学协作项目(Dark Energy Science Collaboration,DESC),帮助我们进一步了解这种推动宇宙加速膨胀的神秘能量。这是一个重要的里程碑,焦平面为给LSST提供图像,它将是鲁宾天文台得力、敏感的眼睛。

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鲁宾天文台


组装最强相机


LSST相机的焦平面包含了189个独立传感器,即CCD。每个CCD能输出1600万像素。这也是大多数现代数码相机的成像传感器输出的像素量。

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建成的LSST相机焦平面直径至少有61厘米,包含189个独立传感器,能输出32亿像素的图像。


“科学筏”(science rafts)的安装在美国能源部的布鲁克黑文国家实验室完成:一个“科学筏”内含9个CCD,以及它们的辅助元件。安装完成后,“科学筏”被运送到SLAC。在SLAC,相机团队会往一个固定网格里,插入21个“科学筏”和还有4个不用于成像的特殊筏。


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LSST相机焦平面的单个成像传感器和辅助元件会被包装进一个个单元里,称作“筏”。有两种不同的单元:为鲁宾天文台科学项目输出图像的,是21个方形筏(中央),每个包含9个传感器;除此之外,有四个特殊筏(左侧),每个包含3个传感器,用于相机对焦,以及将望远镜与地球旋转同步。


焦平面有许多非常特殊的性质。它不仅含有32亿个像素,而且这些像素非常小(约10微米宽),整个焦平面十分平整,凹凸不超过人类头发宽度的十分之一。这保证了相机能输出清晰且具有高解析度的图像。焦平面的直径约为61厘米,如此之大的焦平面,能拍到相当于大约40个满月大小的天空。而且,整个望远镜的设计敏感度极高,能探测到比肉眼可见程度要暗1亿倍的物体。


在接下来的10年间,这个相机将会搜集大约200亿个星系的图像。这些数据能促进我们对星系演化的了解,也能更深入、更精确地检验我们的暗物质和暗能量模型。不论是对太阳系,还是对可观测宇宙边缘的物体的详细研究——对很多科学领域来说,这个天文台都会是一个绝佳的设施。

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LSST相机焦平面的表面积大到足以拍到40个满月大小的天空图像。它的清晰度之高,你能从大约24公里外看见一个高尔夫球。


首次拍下32亿像素的照片

 

焦平面于今年早些时候才被组装完成。在6个月的时间内,SLAC机组人员提心吊胆地将25个科学筏插入网格的狭窄狭槽中。为了让成像面积最大化,相邻筏上传感器之间的间隙还不到5根头发丝宽。成像传感器相互接触时极易破裂,因此整个操作过程非常棘手。

焦平面已被放置到了低温恒温器内部,在这里,传感器冷却到-101℃,这是它们正常运作所需的温度。由于疫情,相机团队的成员们一连数月无法进入实验室。他们最终在5月恢复了有限的工作,并且需要遵循严格的社交距离要求。目前他们正在进行大规模测试,以确保焦平面能够满足鲁宾天文台科学计划的技术要求。

 

其中一项测试就是对包括罗马花椰菜(Romanesco,有着极其细微的表面结构)在内的各种物体首次拍下32亿像素的图像。为了在相机尚未组装完成的情况下做到这一点,SLAC团队利用150微米的针孔将图像投影到焦平面上。

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最后冲刺阶段

团队在完成相机组装之后,将迎来更具挑战性的工作。


在接下来的几个月中,他们会将低温恒温器和焦平面插入相机机身,并添加相机镜头,包含世界上最大的光学镜头、快门和用于研究不同颜色夜空的滤镜更换系统。到2021年中期,这款大小与一辆SUV相当的相机,将准备开始最终测试,接着将被运往智利。

 

SLAC首席研究官兼基础物理学实验室副主任乔安尼·休伊特(JoAnne Hewett)说:“相机完成在即,这非常令人兴奋。能在建立鲁宾天文台的这一关键部分中发挥如此重要的作用,对此我们感到自豪。这是一座里程碑,使我们通过前所未有的方式,朝着探索宇宙的基本问题迈出了一大步。”




文章中的LSST相机包含了189个能独立输出1600万像素的 CCD,它含有32亿个像素,巨大的焦平面,能拍到相当于大约40个满月大小的天空。而且,整个望远镜的设计敏感度极高,能探测到比肉眼可见程度要暗1亿倍的物体。
我司(北京众星联恒科技有限公司)是德国Greateyes公司在中国的总代理(ALEX、ELSE for micro-CT)。目前Greateyes公司可以提供集成了目前最前沿的低噪声电子系统和超低温制冷技术,能量子效率高达 95% ,非常适合弱光应用的ELSE系列CCD相机。ELSE具体参数如下:

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ELSEs


ELSE 

1024x128

ELSE

2048x512

ELSE

1024x256

像素规格

1024 × 128

1024 × 256

2048 × 512

感光区域

26.6mm × 3.3 mm

26.6 mm × 6.7 mm

27.6 mm × 6.9 mm

像素尺寸

26 μm × 26 μm

26 μm × 26 μm

13.5 μm × 13.5 μm

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ELSEi

(图片为4096x4096)


ELSE 1024 x1024

ELSE 

2048x2048

ELSE 

4096x4096

像素规格

1024 × 1024

2048 × 2048

4096 × 4096

感光区域

13.3 mm × 13.3 mm

27.6 mm × 27.6 mm

61.4 mm × 61.4 mm

像素尺寸

13 μm × 13 μm

13.5 μm × 13.5 μm

15 μm × 15 μm


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