PCO 助力外太空觀測(cè)系列（1）：pco.edge 4.2 相機(jī)成功用于歐洲成像天文臺(tái)平流層紫外線演示器（STUDIO）
PCO 助力外太空觀測(cè)系列（1）：pco.edge 4.2 相機(jī)成功用于歐洲成像天文臺(tái)平流層紫外線演示器（STUDIO）
Status of the STUDIO UV balloon mission and platform
成像天文臺(tái)（STUDIO）紫外氣球任務(wù)和平臺(tái)的現(xiàn)狀
A. Pahler* a , M. ?ngermannb , J. Barnstedtc , S. Bouguerouaa , A. Colind , L. Contic , S. Dieboldc , R. Duffard§d , M. Embergera , L. Hankec , C. Kalkuhlc , N. Kappelmannc , T. Keiliga , S. Klinknera , A. Krabbea , O. Jansonb , M. Lengowskia , C. Lockowandtb , P. Maiera , T. Müllere , T. Rauchc , T. Schanzc , B. Stelzerc , M. Taherana , A. Vaerneusb , K. Wernerc , J. Wolfa
*[email protected];https://www.irs.uni-stuttgart.de/en/; https://orcid.org/0000-0002-2692-8881
§https://orcid.org/0000-0001-5963-5850
摘要翻譯
平流層氣球?yàn)樵诖髿庀拗频牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)提供了方便和可負(fù)擔(dān)的平臺(tái)。同時(shí)，它們可以作為一個(gè)有效的、為儀器和其他硬件的未來(lái)空間應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)示范的步驟。成像天文臺(tái)（STUDIO）的平流層紫外演示器是一個(gè)氣球載物平臺(tái)任務(wù)，在0.5米孔徑望遠(yuǎn)鏡上搭載成像微通道板（MCP）探測(cè)器。STUDIO目前計(jì)劃在2022年夏季在瑞典埃斯蘭熱上空飛行。有關(guān)紫外線（UV）探測(cè)器的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱Conti等人對(duì)本文的貢獻(xiàn)部分。這次任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是調(diào)查銀河系平面內(nèi)變化多端的熱致密星和耀斑中的M矮星。同時(shí)，該任務(wù)還作為一個(gè)多功能和可擴(kuò)展的天文氣球平臺(tái)以及上述MCP儀器的演示成果。纜車的設(shè)計(jì)允許使用不同的儀器或望遠(yuǎn)鏡。此外，根據(jù)歐洲平流層氣球觀測(cè)站（ESBO）的設(shè)想，它還被設(shè)計(jì)用于多次、更長(zhǎng)時(shí)間的飛行。本文介紹了STUDIO平臺(tái)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試現(xiàn)狀，并進(jìn)一步介紹了目前的飛行計(jì)劃和Esrange的觀測(cè)結(jié)果。
圖文節(jié)選（1）
圖1.STUDIO望遠(yuǎn)鏡和TIP組件
成像天文臺(tái)的光學(xué)載物由一個(gè)50厘米孔徑的閉管望遠(yuǎn)鏡組成，望遠(yuǎn)鏡儀器臺(tái)（TIP）連接在望遠(yuǎn)鏡的背面。這架望遠(yuǎn)鏡是一架f/13構(gòu)造的改進(jìn)型達(dá)爾-柯克漢姆望遠(yuǎn)鏡。它具有一個(gè)50 cm的橢圓主鏡、一個(gè)球面次鏡和三個(gè)位于主鏡中心孔的用于場(chǎng)校正的透鏡。次鏡可通過(guò)三個(gè)可遠(yuǎn)程操作的傳動(dòng)裝置移動(dòng)。它們用來(lái)移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡的M2反射鏡，分辨率為~3 μm、 而望遠(yuǎn)鏡的焦距在180 nm波長(zhǎng)處為±30 μm。TIP包括兩個(gè)主要儀器:
1.先進(jìn)的光子計(jì)數(shù)成像微通道板（MCP）探測(cè)器，在紫外線波段（180 nm–330 nm）進(jìn)行觀察，如第3.3節(jié)所述。
2.商用可見光相機(jī)pco.edge 4.2，主要作為閉環(huán)精細(xì)穩(wěn)像系統(tǒng)中的跟蹤傳感器，它還將作為一個(gè)二級(jí)科學(xué)儀器，用于在可見光波段（350 nm–1000 nm）進(jìn)行觀測(cè)。
有關(guān)相機(jī)的詳細(xì)信息及其在平流層中使用的資格，請(qǐng)參見第4.4節(jié)。此外，作為圖像穩(wěn)定系統(tǒng)的一部分，TIP包含一個(gè)安裝在商用TIP/TILT平臺(tái)上的快速轉(zhuǎn)向鏡，以實(shí)現(xiàn)1弧秒的指向穩(wěn)定性。分色鏡通過(guò)反射紫外光（180 nm–330 nm）和透射可見光（330 nm–1000 nm），將光束分為兩個(gè)通道。接下來(lái)，這兩個(gè)分離的光束，會(huì)通過(guò)使用高反射鏡重定向到相應(yīng)的探測(cè)器。在兩個(gè)儀器的前面各放置一個(gè)過(guò)濾轉(zhuǎn)盤。目前計(jì)劃在MCP探測(cè)器上使用一個(gè)Sloan U濾鏡，并且在可見光通道上使用幾個(gè)。還有可能集成額外的過(guò)濾裝置……
圖文節(jié)選（4）
需要進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)來(lái)保證各部件在平流層條件下的可靠性。迄今為止，環(huán)境試驗(yàn)主要在熱真空條件下進(jìn)行測(cè)試。在組裝階段即將結(jié)束時(shí)，我們將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行沖擊測(cè)試……到目前為止，熱真空實(shí)驗(yàn)已成功在可見光相機(jī)（在下一節(jié)中描述）、濾光片輪（在第 4.6 節(jié)中描述）和反光漆樣品上進(jìn)行……
4.4 相機(jī)的熱真空測(cè)試
STUDIO的穩(wěn)像系統(tǒng)依賴于可見光跟蹤相機(jī)。同一臺(tái)相機(jī)將為科學(xué)案例提供多波長(zhǎng)觀測(cè)能力，或在可見光譜范圍內(nèi)為科學(xué)案例提供幫助。由于在平流層條件下使用相機(jī)所需要的相機(jī)修改費(fèi)用對(duì)于ESBO DS的預(yù)算來(lái)說(shuō)成本太高，因此考慮并最終選擇了一種未經(jīng)修改的商用相機(jī)用于STUDIO。制造商提供了一臺(tái)pco. edge 4.2相機(jī)用于熱真空試驗(yàn)，相機(jī)在沒有被進(jìn)行任何內(nèi)部修改的情況下完成了試驗(yàn)。
進(jìn)行了四次低至3毫巴的壓力循環(huán)，以及幾次低至-30 °C接口溫度的溫度循環(huán)。這架相機(jī)沒有受到任何損壞，而且被證明能夠承受與平流層相似的環(huán)境條件。相機(jī)的CMOS傳感器由內(nèi)置的Peltier元件冷卻至5°C。對(duì)于進(jìn)行的測(cè)試，相機(jī)使用液體進(jìn)行冷卻。然而，液體冷卻回路被證明難以密封。因此，一種被動(dòng)冷卻系統(tǒng)正在被開發(fā)中，以用于 STUDIO 的飛行中。
在真空中界面溫度超過(guò) 17 °C 時(shí)，相機(jī)電子設(shè)備會(huì)在不使用液體冷卻系統(tǒng)時(shí)由于過(guò)熱而關(guān)閉Peltier冷卻器。此過(guò)程沒有對(duì)相機(jī)整體或其中任何內(nèi)部組件造成明顯損壞。因?yàn)閮?nèi)部Peltier元件不是用來(lái)加熱傳感器的，所以在界面溫度低于 -10 °C 時(shí)，CMOS 傳感器的溫度會(huì)下降到低于 5 °C。對(duì)于那些傳感器溫度恒定至關(guān)重要的科學(xué)應(yīng)用，可使用外部溫控器來(lái)幫助維持傳感器溫度……
為了驗(yàn)證相機(jī)在這些極端條件下可以正常運(yùn)行，拍攝了測(cè)試目標(biāo)和暗幀的圖像。暗電流被證實(shí)與壓力無(wú)關(guān)并符合數(shù)據(jù)表數(shù)值。正如預(yù)期的那樣，暗電流在 -10 °C 時(shí)隨溫度下降減小到幾乎為零。除了熱真空測(cè)試之外，攝像機(jī)還在實(shí)驗(yàn)室和空中進(jìn)行了測(cè)試，如第 4.5 節(jié)所述。此外，它在真空和標(biāo)準(zhǔn)條件下都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)表中關(guān)于圖像質(zhì)量和噪聲的承諾。
綜上所述，pco.edge 4.2相機(jī)在STUDIO飛行期間能夠承受預(yù)期的環(huán)境條件，盡管在測(cè)試期間也出現(xiàn)一些限制。這些局限性主要涉及到?jīng)]有液體冷卻回路的真空冷卻，并且將在STUDIO的熱學(xué)設(shè)計(jì)中加以考慮。
4.5 相機(jī)的空中測(cè)試
在實(shí)驗(yàn)室和空中對(duì)pco.edge 4.2相機(jī)進(jìn)行了初步測(cè)試，以驗(yàn)證其性能和數(shù)據(jù)表中給出的參數(shù)。我們的興趣主要集中在幀速率、噪聲、偏置噪聲、讀出噪聲和暗電流上。
實(shí)驗(yàn)表征在在環(huán)境溫度和壓力下、在5級(jí)潔凈室內(nèi)進(jìn)行，并使用積分球作為光源。大多數(shù)測(cè)量參數(shù)結(jié)果稍好于制造商所述。在全幅2048 x 2048分辨率的慢掃描中實(shí)現(xiàn)了35 fps的幀速率。在5 °C傳感器溫度下，只有0.36 電子/像素/秒的暗電流，測(cè)出了0.652 e-的讀出噪聲和47.20 e-的偏置噪聲……
在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試之后，使用該相機(jī)在空中進(jìn)行了測(cè)試，以驗(yàn)證對(duì) STUDIO 光學(xué)組件極限星等所做的估計(jì)……預(yù)計(jì)該相機(jī)將與 STUDIO 50厘米望遠(yuǎn)鏡一起使用，該望遠(yuǎn)鏡的收集面積大約是其六倍，對(duì)應(yīng)于收集信號(hào)的 6 倍……早期模擬的結(jié)果表明，對(duì)于 STUDIO 望遠(yuǎn)鏡和 PCO.edge 4.2 相機(jī)的組合，在 40 的 SNR下，進(jìn)行 10 ms 的積分，可以達(dá)到 10.5（V 波段）的極限星等。使用商用望遠(yuǎn)鏡的空中測(cè)試結(jié)果已被推斷得出……結(jié)果與早期估計(jì)一致……
關(guān)于pco.edge 4.2
pco.edge 4.2 具有新異的科研級(jí)CMOS（sCMOS）芯片，能提供清晰的圖像質(zhì)量和準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。pco.edge 系列相機(jī)具有循環(huán)水制冷升級(jí)選項(xiàng)。
pco.edge 4.2 專門為需要超高量子效率、16位動(dòng)態(tài)范圍、高幀速率、長(zhǎng)曝光時(shí)間和極低讀出噪音的用戶精心設(shè)計(jì)。
基本參數(shù)： 熱穩(wěn)定（制冷）0 °C / +5 °C / +7 °C 超低中值讀出噪音0.8 e- 高分辨率2048 x 2048像素 動(dòng)態(tài)范圍37 500 : 1 (CLHS, USB) / 33 000 : 1 (CL) 量子效率可達(dá)82 % 快門曝光時(shí)間: 100 μs to 20 s 最高幀速率100 fps 滾動(dòng)快門或全域重置快門 光片成像 (Lightsheet) 模式 Camera Link HS 接口、全接口或者USB 3.0 接口 緊湊機(jī)身設(shè)計(jì): 102 x 79 x 70 mm3 可選項(xiàng)：水制冷系統(tǒng)
【關(guān)于PCO】
PCO于1987年誕生于德國(guó)，是高端科學(xué)級(jí)相機(jī)和高端工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)的頂級(jí)技術(shù)和產(chǎn)品提供商，在高靈敏、超低讀出噪聲、高幀速率、相機(jī)制冷、廣泛的可選曝光時(shí)間范圍、紫外（UV）到近紅外（NIR）感光以及超高動(dòng)態(tài)范圍等諸多成像相關(guān)之方向，具有獨(dú)特的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其產(chǎn)品包含最新的高靈敏高性能的sCMOS相機(jī)、高畫質(zhì)高速攝像機(jī)、增強(qiáng)型sCMOS相機(jī)、Two-Tap CMOS頻域FLIM相機(jī)等。
德國(guó)PCO相機(jī)和技術(shù)可廣泛應(yīng)用于可見光、紫外光、近紅外光、熒光、弱光和單光子級(jí)信號(hào)的成像和定量分析，以及時(shí)間分辨、熒光壽命分析、高速和超高速成像等。其適用范圍涵蓋物理科學(xué)、生命科學(xué)、工程、國(guó)防、工業(yè)以及光電科學(xué)、天文學(xué)等諸多領(lǐng)域。
元奧儀器作為德國(guó)PCO公司指定中國(guó)區(qū)代理商，熱情為各位客戶提供產(chǎn)品咨詢，售前售后服務(wù)。并提供樣機(jī)演示服務(wù)。歡迎各位客戶來(lái)電詳詢。