天文望遠鏡(續(xù))講解課件

第一章天文望遠鏡（續(xù)）§1－4 人眼與照相底片§1－5 電荷耦合器件（CCD）CCD的基本原理CCD的工作性能CCD的優(yōu)缺點第一章天文望遠鏡（續(xù)）§1－4 人眼與照相底片1天文光學系統(tǒng)：望遠鏡輻射分析儀輻射探測器 ——眼睛、照相底片、光電倍增管、CCD，……計算機天文光學系統(tǒng)：2常用輻射探測器：人眼照相底片光電倍增管光電導器件電荷耦極器件——CCD

§1－4 人眼與照相底片常用輻射探測器：§1－4 人眼與照相底片31、人眼光欄透鏡探測器兩種細胞－圓錐細胞和圓柱細胞圓錐細胞對光的顏色敏感，對強度不敏感圓柱細胞對光的強度敏感，對顏色不敏感1、人眼光欄透鏡探測器兩種細胞－圓錐細胞和圓柱細胞4瞳孔：直徑2～8毫米之間，夜間～8毫米，響應的波長范圍為4500～6500?，視覺最大靈敏度～5500?，黃昏～5100?極限探測率為5×10-17W（～10個光子/秒）極限分辨率為1′時間分辨率為0.1sec人眼對照度變化的響應呈對數(shù)——古代用星等量度恒星亮度在無月的夜晚，人眼可以看到6等星瞳孔：52、照相底片19世紀照相術(shù)應用在天文觀測，極大地推動了天體物理學的發(fā)展 ——現(xiàn)代天文觀測很少再使用原理：某些物質(zhì)在光輻照下發(fā)生化學變化的性質(zhì)鹵族元素和銀的化合物，即鹵化銀（溴化銀）在玻璃或賽璐珞基片上涂敷一層明膠，鹵化銀晶粒懸浮在明膠上在光的輻照下，鹵化銀吸收光子分離出銀來，形成潛像中心，經(jīng)過顯影和定影后還原出物體的像2、照相底片19世紀照相術(shù)應用在天文觀測，極大地推動了天體物6照相底片的優(yōu)點：視場大信息量大累積微弱輻射，可拍攝到很暗的天體長期保存幾何穩(wěn)定性好、不變形在大視場巡天工作、寬波段光譜觀測照相底片的優(yōu)點：7照相底片的缺點：量子效率低（～1～2％，經(jīng)過超敏化達到10％）閾值高～4量子/顆粒；非線性（照相密度不與入射輻射量成正比；動態(tài)范圍小（1～100）；灰霧、擴散圓、反光暈和邊緣效應：像的邊緣模糊、擴大、變形每張底片特性不同，每張底片定標定量定標困難空間分辨率受到晶體顆粒的限制天文細顆粒照相底片：100～200線對/每毫米照相底片的缺點：81、天文CCD的基本結(jié)構(gòu)和原理 P型襯底上生長一層絕緣層（SiO2），其上光刻一系列間隔很小的金屬電極，構(gòu)成金屬－氧化層－P型半導體電容（MOS電容）一維或二維陣列作用：產(chǎn)生、儲存、轉(zhuǎn)移光電子基本結(jié)構(gòu)金屬－氧化層－P型半導體電容（MOS電容）§1－5 電荷耦合器件（CCD）1、天文CCD的基本結(jié)構(gòu)和原理 P型襯底上生長一層絕緣層（S9工作原理（1）產(chǎn)生、儲存光電子載流子——空穴電極上加小電壓（小于開啟電壓），產(chǎn)生耗盡層光照，產(chǎn)生電子-空穴對加開啟電壓，電子流向電極，空穴被排斥，形成反轉(zhuǎn)層 曝光后耗盡層內(nèi)形成天體的電子潛像，電子數(shù)量正比于光強工作原理（1）產(chǎn)生、儲存光電子載流子——空穴10（2）轉(zhuǎn)移、讀出光電子三相結(jié)構(gòu)——一個像素對應三個電極移位寄存器施加三相脈沖電壓，光生電子逐次移位（2）轉(zhuǎn)移、讀出光電子三相結(jié)構(gòu)——一個像素對應三個電極11第一章-天文望遠鏡(續(xù))講解課件12耦合電極光敏列陣電荷耦合系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)：探測系統(tǒng)——光敏列陣 電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)耦合電極光敏列陣電荷耦合系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)：探測系統(tǒng)——光敏列13背照光前照光背照光142、CCD的工作參數(shù)量子效率QE靈敏度S分光響應曲線線性度和動態(tài)范圍分辨本領R偏置電壓暗流與存儲時間平場電荷轉(zhuǎn)移率噪聲CCD特有2、CCD的工作參數(shù)量子效率QECCD特有15定義為光生電子數(shù)與入射光子數(shù)之比：

其中IL是光生電流強度，q為電子電荷， P為入射輻射功率， Lv為單個入射光子的能量。CCDQE~40～60％，最高可達90％（1）量子效率QE——一個入射光子能產(chǎn)生的電子數(shù)目定義為光生電子數(shù)與入射光子數(shù)之比：CCDQE~40～6016定義為光生電流與入射輻射功率之比，

（mA/W） （2）靈敏度S定義為光生電流與入射輻射功率之比，（2）靈敏度S17CCD響應的波段 通常硅CCD的響應范圍為3000～11000?，最大響應在7000附近上海天文臺156望遠鏡CCD的響應曲線各種探測器件的量子效率（3）分光響應曲線CCD響應的波段上海天文臺156望遠鏡CCD的響應曲線各種18動態(tài)范圍：線性范圍內(nèi)最大可測量信號與最小可測信號之比響應線性度很高，動態(tài)范圍很大104～105（4）線性度和動態(tài)范圍動態(tài)范圍：（4）線性度和動態(tài)范圍19CCD空間分辨率：每個像素對應的角度通常二維CCD兩個方向上的分辨率是不等的，要具體測定上海天文臺156望遠鏡2048×2048CCD的像素大小為24微米，每個像素對應約0.3”（5）分辨本領RCCD空間分辨率：每個像素對應的角度（5）分辨本領R20偏置電壓：指外加的啟動柵偏壓本底： 施加啟動柵偏壓后，已有少量電子流入附近處于高壓的深位阱中，由于像素性能的不均勻，各個位阱中的電子數(shù)目也不同，這相當于一幅柵偏壓引起的電子潛像，附加在天文圖象上，這就是本底本底測定：零秒曝光(快門關(guān)閉、積分時間0秒)，處理觀測時扣除本底大小（ADU)~像數(shù)的數(shù)目（6）偏置電壓與本底1ADU＝得到數(shù)字1需要的電子數(shù)目偏置電壓：指外加的啟動柵偏壓本底大?。ˋDU)~像數(shù)的數(shù)目2110幀本底合成的平均消除了宇宙線影響零秒曝光，宇宙線對本底的不同影響10幀本底合成的平均消除了宇宙線影響零秒曝光，宇宙線對本底的22暗流：無光照射下，因熱運動等流向位阱的電子（與本底差別:變化）暗流來源：熱運動、CCD電不均勻性、硅晶體上個別缺陷等暗流影響：產(chǎn)生噪聲，降低動態(tài)范圍 觀測積分時間（積分時間）<存儲時間（暗流填滿位阱時間）暗流特征——隨溫度變化：每降低5～7攝氏度，暗流減小一半——液氮致冷（－190攝氏度）暗流測定：在觀測中需要單獨研究，并加以扣除（7）暗流與存儲時間暗流：無光照射下，因熱運動等流向位阱的電子（與本底差別:變化23平場：各像素量子效率的不均勻性對天文像的影響完全均勻的光照射CCD，得到的強度分布仍是不均勻的像，這是CCD各個像素量子效率不一致的結(jié)果——引起天文像的失真、畸變平場改正平場方法：測定方法：用CCD觀測均勻的光源或均勻的天空背景，得到的平場的二維像，它反映像素量子效率不均勻性平場改正：觀測天體的二維圖像除以平場的二維圖像（8）平場平場：各像素量子效率的不均勻性對天文像的影響（8）平場24平場改正：同時作本底與暗流的改正平場改正：同時作本底與暗流的改正25一幀平場：杜瓦窗口和濾光片上水跡和灰塵，其他較大的尺度的特征是QE變化造成，更細小的顆粒是噪聲10幀平均：消除噪聲，保留了QE不均勻及水跡、灰塵的像（各幀共同的保留）平場的二維圖像一幀平場：杜瓦窗口和濾光片上水跡和灰塵，其他較大的尺度的特征26平場平場幀（平均）觀測幀平場改正平場平場幀（平均）觀測幀平場改正274x2CCDarraycameracalledMOSAICatKittPeakNationalObservatory.平場4x2CCDarraycameracalledMO28某個電極的電荷量為Q，如果轉(zhuǎn)移到下一個電極的電荷量為Q1，則電荷轉(zhuǎn)移率為：

轉(zhuǎn)移N個電極，總轉(zhuǎn)移率為現(xiàn)代CCD實際轉(zhuǎn)移率2048列（9）電荷轉(zhuǎn)移率（CTE）某個電極的電荷量為Q，如果轉(zhuǎn)移到下一個電極的電荷量為Q1，則29讀出噪聲：觀測噪聲的主要來源≤2～10個電子電荷（寫成2～10e/px）小于天空背景起伏噪聲（10）讀出噪聲讀出噪聲：觀測噪聲的主要來源（10）讀出噪聲30(1)CCD的優(yōu)點量子效率高(60%~90%)空間分辨率高動態(tài)范圍大～104波長響應范圍大（從X波段到1微米）線性響應好較好的累積響應，可連續(xù)曝光數(shù)小時低電壓，5～15伏，功率小，安全性能好低噪聲，致冷后暗流大為減少，一般2～10e/px可設計成特殊的格式：如視頻所用Rapidclocking讀出速度達100MHz； 大面積巡天用的Driftscanning；消除天空背景的Nod/shuffle技術(shù)等二維成像11便于計算機處理、存儲3、CCD的優(yōu)缺點(1)CCD的優(yōu)點量子效率高(60%~90%)3、CC31（2）CCD的缺點紫區(qū)響應較差；需要液氮冷卻；需要平場；尺寸小，單個CCD<7cm～20％視場，最大CCD芯片為4096×2048像素 鑲嵌技術(shù)（MOSAICKINGTechnique，Metal-Oxide-Silicon-ActiveIntegratedCircuit） SLOAN數(shù)字巡天，54個芯片MASAIC， CFHT望遠鏡采用40個4096×2048芯片復蓋1度視場讀出噪聲不可忽略，2～19e/px；飽和信號限制，亮星產(chǎn)生blooming或bleeding現(xiàn)象，沿一列像素流出；對宇宙線敏感；光度的閾值大于10～50e/px，低光度引進新噪聲；數(shù)據(jù)量太大，放大、存儲成問題（2）CCD的缺點紫區(qū)響應較差；324、例子HST（1992)4CCD束分裂器鑲嵌Loral800×800像素、15mm芯片前照光，磷涂層提高紫外響應RON（讀出噪聲）～5e/pxQE(6000A)~35%HST（2001)2CCD物理鑲嵌Maconi4096×2048像素、15mm芯片薄化后照光，防反射層提高紫外響應RON～3e/pxQE(6000A)~70%4、例子HST（1992)33SLOAN巡天（1997）DriftScanningMOSAIC，54芯片Tektronix2048×2048，24mm，5×6陣列前照光，薄化后照光都有，防反射涂層RON<5e/pxQE(6000A)~60%SLOAN巡天（1997）34第一章-天文望遠鏡(續(xù))講解課件3547Tuc星團的赫羅圖左：照相測光，Hessey1977右：CCD測光，Hessey19875、對比47Tuc星團的赫羅圖左：照相測光，Hessey197736常用的天文圖象處理軟件IRAF——光學——美國NOAOMIDAS——射電、光學——歐洲APPS——干涉——美國NRAOAPPS++——單天線、干涉、其他學科CIAO,TARA——X-ray系統(tǒng)——UNIX,LINIXLanguages——FORTRAN,C，C++，IDL/astro.software.html/fits/www/yp_software.html常用的天文圖象處理軟件IRAF——光學——美國NOA37第一章天文望遠鏡（續(xù)）§1－4 人眼與照相底片§1－5 電荷耦合器件（CCD）CCD的基本原理CCD的工作性能CCD的優(yōu)缺點第一章天文望遠鏡（續(xù)）§1－4 人眼與照相底片38天文光學系統(tǒng)：望遠鏡輻射分析儀輻射探測器 ——眼睛、照相底片、光電倍增管、CCD，……計算機天文光學系統(tǒng)：39常用輻射探測器：人眼照相底片光電倍增管光電導器件電荷耦極器件——CCD

§1－4 人眼與照相底片常用輻射探測器：§1－4 人眼與照相底片401、人眼光欄透鏡探測器兩種細胞－圓錐細胞和圓柱細胞圓錐細胞對光的顏色敏感，對強度不敏感圓柱細胞對光的強度敏感，對顏色不敏感1、人眼光欄透鏡探測器兩種細胞－圓錐細胞和圓柱細胞41瞳孔：直徑2～8毫米之間，夜間～8毫米，響應的波長范圍為4500～6500?，視覺最大靈敏度～5500?，黃昏～5100?極限探測率為5×10-17W（～10個光子/秒）極限分辨率為1′時間分辨率為0.1sec人眼對照度變化的響應呈對數(shù)——古代用星等量度恒星亮度在無月的夜晚，人眼可以看到6等星瞳孔：422、照相底片19世紀照相術(shù)應用在天文觀測，極大地推動了天體物理學的發(fā)展 ——現(xiàn)代天文觀測很少再使用原理：某些物質(zhì)在光輻照下發(fā)生化學變化的性質(zhì)鹵族元素和銀的化合物，即鹵化銀（溴化銀）在玻璃或賽璐珞基片上涂敷一層明膠，鹵化銀晶粒懸浮在明膠上在光的輻照下，鹵化銀吸收光子分離出銀來，形成潛像中心，經(jīng)過顯影和定影后還原出物體的像2、照相底片19世紀照相術(shù)應用在天文觀測，極大地推動了天體物43照相底片的優(yōu)點：視場大信息量大累積微弱輻射，可拍攝到很暗的天體長期保存幾何穩(wěn)定性好、不變形在大視場巡天工作、寬波段光譜觀測照相底片的優(yōu)點：44照相底片的缺點：量子效率低（～1～2％，經(jīng)過超敏化達到10％）閾值高～4量子/顆粒；非線性（照相密度不與入射輻射量成正比；動態(tài)范圍?。?～100）；灰霧、擴散圓、反光暈和邊緣效應：像的邊緣模糊、擴大、變形每張底片特性不同，每張底片定標定量定標困難空間分辨率受到晶體顆粒的限制天文細顆粒照相底片：100～200線對/每毫米照相底片的缺點：451、天文CCD的基本結(jié)構(gòu)和原理 P型襯底上生長一層絕緣層（SiO2），其上光刻一系列間隔很小的金屬電極，構(gòu)成金屬－氧化層－P型半導體電容（MOS電容）一維或二維陣列作用：產(chǎn)生、儲存、轉(zhuǎn)移光電子基本結(jié)構(gòu)金屬－氧化層－P型半導體電容（MOS電容）§1－5 電荷耦合器件（CCD）1、天文CCD的基本結(jié)構(gòu)和原理 P型襯底上生長一層絕緣層（S46工作原理（1）產(chǎn)生、儲存光電子載流子——空穴電極上加小電壓（小于開啟電壓），產(chǎn)生耗盡層光照，產(chǎn)生電子-空穴對加開啟電壓，電子流向電極，空穴被排斥，形成反轉(zhuǎn)層 曝光后耗盡層內(nèi)形成天體的電子潛像，電子數(shù)量正比于光強工作原理（1）產(chǎn)生、儲存光電子載流子——空穴47（2）轉(zhuǎn)移、讀出光電子三相結(jié)構(gòu)——一個像素對應三個電極移位寄存器施加三相脈沖電壓，光生電子逐次移位（2）轉(zhuǎn)移、讀出光電子三相結(jié)構(gòu)——一個像素對應三個電極48第一章-天文望遠鏡(續(xù))講解課件49耦合電極光敏列陣電荷耦合系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)：探測系統(tǒng)——光敏列陣 電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)耦合電極光敏列陣電荷耦合系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)：探測系統(tǒng)——光敏列50背照光前照光背照光512、CCD的工作參數(shù)量子效率QE靈敏度S分光響應曲線線性度和動態(tài)范圍分辨本領R偏置電壓暗流與存儲時間平場電荷轉(zhuǎn)移率噪聲CCD特有2、CCD的工作參數(shù)量子效率QECCD特有52定義為光生電子數(shù)與入射光子數(shù)之比：

其中IL是光生電流強度，q為電子電荷， P為入射輻射功率， Lv為單個入射光子的能量。CCDQE~40～60％，最高可達90％（1）量子效率QE——一個入射光子能產(chǎn)生的電子數(shù)目定義為光生電子數(shù)與入射光子數(shù)之比：CCDQE~40～6053定義為光生電流與入射輻射功率之比，

（mA/W） （2）靈敏度S定義為光生電流與入射輻射功率之比，（2）靈敏度S54CCD響應的波段 通常硅CCD的響應范圍為3000～11000?，最大響應在7000附近上海天文臺156望遠鏡CCD的響應曲線各種探測器件的量子效率（3）分光響應曲線CCD響應的波段上海天文臺156望遠鏡CCD的響應曲線各種55動態(tài)范圍：線性范圍內(nèi)最大可測量信號與最小可測信號之比響應線性度很高，動態(tài)范圍很大104～105（4）線性度和動態(tài)范圍動態(tài)范圍：（4）線性度和動態(tài)范圍56CCD空間分辨率：每個像素對應的角度通常二維CCD兩個方向上的分辨率是不等的，要具體測定上海天文臺156望遠鏡2048×2048CCD的像素大小為24微米，每個像素對應約0.3”（5）分辨本領RCCD空間分辨率：每個像素對應的角度（5）分辨本領R57偏置電壓：指外加的啟動柵偏壓本底： 施加啟動柵偏壓后，已有少量電子流入附近處于高壓的深位阱中，由于像素性能的不均勻，各個位阱中的電子數(shù)目也不同，這相當于一幅柵偏壓引起的電子潛像，附加在天文圖象上，這就是本底本底測定：零秒曝光(快門關(guān)閉、積分時間0秒)，處理觀測時扣除本底大小（ADU)~像數(shù)的數(shù)目（6）偏置電壓與本底1ADU＝得到數(shù)字1需要的電子數(shù)目偏置電壓：指外加的啟動柵偏壓本底大?。ˋDU)~像數(shù)的數(shù)目5810幀本底合成的平均消除了宇宙線影響零秒曝光，宇宙線對本底的不同影響10幀本底合成的平均消除了宇宙線影響零秒曝光，宇宙線對本底的59暗流：無光照射下，因熱運動等流向位阱的電子（與本底差別:變化）暗流來源：熱運動、CCD電不均勻性、硅晶體上個別缺陷等暗流影響：產(chǎn)生噪聲，降低動態(tài)范圍 觀測積分時間（積分時間）<存儲時間（暗流填滿位阱時間）暗流特征——隨溫度變化：每降低5～7攝氏度，暗流減小一半——液氮致冷（－190攝氏度）暗流測定：在觀測中需要單獨研究，并加以扣除（7）暗流與存儲時間暗流：無光照射下，因熱運動等流向位阱的電子（與本底差別:變化60平場：各像素量子效率的不均勻性對天文像的影響完全均勻的光照射CCD，得到的強度分布仍是不均勻的像，這是CCD各個像素量子效率不一致的結(jié)果——引起天文像的失真、畸變平場改正平場方法：測定方法：用CCD觀測均勻的光源或均勻的天空背景，得到的平場的二維像，它反映像素量子效率不均勻性平場改正：觀測天體的二維圖像除以平場的二維圖像（8）平場平場：各像素量子效率的不均勻性對天文像的影響（8）平場61平場改正：同時作本底與暗流的改正平場改正：同時作本底與暗流的改正62一幀平場：杜瓦窗口和濾光片上水跡和灰塵，其他較大的尺度的特征是QE變化造成，更細小的顆粒是噪聲10幀平均：消除噪聲，保留了QE不均勻及水跡、灰塵的像（各幀共同的保留）平場的二維圖像一幀平場：杜瓦窗口和濾光片上水跡和灰塵，其他較大的尺度的特征63平場平場幀（平均）觀測幀平場改正平場平場幀（平均）觀測幀平場改正644x2CCDarraycameracalledMOSAICatKittPeakNationalObservatory.平場4x2CCDarraycameracalledMO65某個電極的電荷量為Q，如果轉(zhuǎn)移到下一個電極的電荷量為Q1，則電荷轉(zhuǎn)移率為：

轉(zhuǎn)移N個電極，總轉(zhuǎn)移率為現(xiàn)代CCD實際轉(zhuǎn)移率2048列（9）電荷轉(zhuǎn)移率（CTE）某個電極的電荷量為Q，如果轉(zhuǎn)移到下一個電極的電荷量為Q1，則66讀出噪聲：觀測噪聲的主要來源≤2～10個電子電荷（寫成2～10e/px）小于天空背景起伏噪聲（10）讀出噪聲讀出噪聲：觀測噪聲的主要來源（10）讀出噪聲67(1)CCD的優(yōu)點量子效率高(60%~90%)空間分辨率高動態(tài)范圍大～104波長響應范圍大（從X波段到1微米）線性響應好較好的累積響應，可連續(xù)曝光數(shù)小時低電壓，5～15伏，功率小，安全性能好低噪聲，致冷后暗流大為減少，一般2～10e/px可設計成特殊的格式：如視頻所用Rapidclocking讀出速度達100MHz； 大面積巡天用的Driftscanning；消除天空背景的Nod/shuffle技術(shù)等二維成像11便于計算機處理、存儲3、CCD的優(yōu)缺點(1)CCD的優(yōu)點量子效率高(60%~90%)3、CC68（2）CCD的缺點紫區(qū)響應較差；需要液氮冷卻；需要平場；尺寸小，單個CCD<7cm～20％視場，最大CCD芯片為