第一章天文望远镜(续)

1、第一章第一章 天文望远镜（续）天文望远镜（续）14人眼与照相底片15电荷耦合器件（CCD）n CCD的基本原理n CCD的工作性能1. CCD的优缺点天文光学系统：u 望远镜u 辐射分析仪u 辐射探测器眼睛、照相底片、光电倍增管、CCD，u 计算机o常用辐射探测器：n人眼n照相底片n光电倍增管n光电导器件n电荷耦极器件CCD 14 人眼与照相底片1、人眼光栏透镜探测器两种细胞圆锥细胞和圆柱细胞圆锥细胞对光的颜色敏感，对强度不敏感圆柱细胞对光的强度敏感，对颜色不敏感o瞳孔：n直径 28毫米之间，夜间8 毫米，n响应的波长范围为45006500，n视觉最大灵敏度5500 ，黄昏5100 n极限探测

2、率为510-17 W（10个光子/秒）n极限分辨率为1n时间分辨率为0.1 seco人眼对照度变化的响应呈对数古代用星等量度恒星亮度o在无月的夜晚，人眼可以看到6等星2、照相底片o19世纪照相术应用在天文观测，极大地推动了天体物理学的发展现代天文观测很少再使用o原理：某些物质在光辐照下发生化学变化的性质n卤族元素和银的化合物，即卤化银（溴化银）n在玻璃或赛璐珞基片上涂敷一层明胶，卤化银晶粒悬浮在明胶上n在光的辐照下，卤化银吸收光子分离出银来，形成潜像中心，经过显影和定影后还原出物体的像o照相底片的优点：n视场大n信息量大n累积微弱辐射，可拍摄到很暗的天体n长期保存n几何稳定性好、不变形在大视场

3、巡天工作、宽波段光谱观测o照相底片的缺点：n量子效率低（12，经过超敏化达到10）n阈值高4量子/颗粒；n非线性（照相密度不与入射辐射量成正比；n动态范围小（1100）；n灰雾、扩散圆、反光晕和边缘效应：像的边缘模糊、扩大、变形n每张底片特性不同，每张底片定标n定量定标困难n空间分辨率受到晶体颗粒的限制o天文细颗粒照相底片：100200线对/每毫米1、天文CCD的基本结构和原理P型衬底上生长一层绝缘层（SiO2），其上光刻一系列间隔很小的金属电极，构成金属氧化层P型半导体电容（MOS电容）一维或二维阵列 作用： 产生、储存、转移光电子u 基本结构15 电荷耦合器件（CCD）u 工作原理 （1）

4、产生、储存光电子l 载流子空穴l 电极上加小电压（小于开启电压），产生耗尽层l 光照，产生电子-空穴对 加开启电压，电子流向电极，空穴被排斥，形成反转层l 曝光后耗尽层内形成天体的电子潜像，电子数量正比于光强 （2） 转移、读出光电子三相结构一个像素对应三个电极移位寄存器施加三相脉冲电压，光生电子逐次移位耦合电极光敏列阵电荷耦合系统u 实际结构： 探测系统光敏列阵 电荷转移系统背照光前照光2、CCD的工作参数o量子效率QEo灵敏度So分光响应曲线o线性度和动态范围o分辨本领Ro偏置电压o暗流与存储时间 o平场o电荷转移率o噪声CCD特有o定义为光生电子数与入射光子数之比： 其中IL是光生电流强

5、度，q为电子电荷， P为入射辐射功率，Lv为单个入射光子的能量。入射光子数光生电子数vLLPqIQE/CCD QE4060，最高可达90（1）量子效率QE 一个入射光子能产生的电子数目o定义为光生电流与入射辐射功率之比， （ mA/W ） 入射光功率光生电流PISL（2） 灵敏度SoCCD响应的波段通常硅CCD的响应范围为300011000 ，最大响应在7000附近上海天文台156 望远镜CCD的响应曲线各种探测器件的量子效率（3）分光响应曲线p动态范围：n线性范围内最大可测量信号与最小可测信号之比o响应线性度很高，动态范围很大n104105（4） 线性度和动态范围oCCD空间分辨率：每个像素

6、对应的角度o通常二维CCD两个方向上的分辨率是不等的，要具体测定n上海天文台156望远镜20482048n CCD 的像素大小为24微米，每个像素对应约0.3”（5）分辨本领Ro偏置电压：指外加的启动栅偏压o本底：施加启动栅偏压后，已有少量电子流入附近处于高压的深位阱中，由于像素性能的不均匀，各个位阱中的电子数目也不同，这相当于一幅栅偏压引起的电子潜像，附加在天文图象上，这就是本底o本底测定：零秒曝光(快门关闭、积分时间0秒)，处理观测时扣除本底大小（ADU) 像数的数目（6）偏置电压与本底1 ADU得到数字1 需要的电子数目10帧本底合成的平均消除了宇宙线影响零秒曝光，宇宙线对本底的不同影响

7、o暗流：无光照射下，因热运动等流向位阱的电子（与本底差别:变化）o暗流来源：热运动、CCD电不均匀性、硅晶体上个别缺陷等o暗流影响：产生噪声，降低动态范围 观测积分时间（积分时间） 存储时间（暗流填满位阱时间）o暗流特征随温度变化：每降低57摄氏度，暗流减小一半 液氮致冷（190摄氏度）o暗流测定：在观测中需要单独研究，并加以扣除（7）暗流与存储时间o平场：各像素量子效率的不均匀性对天文像的影响n完全均匀的光照射CCD，得到的强度分布仍是不均匀的像，这是CCD各个像素量子效率不一致的结果引起天文像的失真、畸变n平场改正o平场方法：n测定方法：用CCD观测均匀的光源或均匀的天空背景，得到的平场的

8、二维像，它反映像素量子效率不均匀性n平场改正：观测天体的二维图像除以平场的二维图像（8）平场o平场改正：同时作本底与暗流的改正平场暗流本底天光像强度暗流本底天体天体的像强度CCD一帧平场：杜瓦窗口和滤光片上水迹和灰尘，其他较大的尺度的特征是QE变化造成，更细小的颗粒是噪声10帧平均：消除噪声，保留了QE不均匀及水迹、灰尘的像（各帧共同的保留）平场的二维图像平场平场帧（平均）观测帧平场改正4x2 CCD array camera called MOSAIC at Kitt Peak National Observatory. 平场o某个电极的电荷量为Q，如果转移到下一个电极的电荷量为Q1，则电荷

9、转移率为： o转移N个电极，总转移率为o现代CCD实际转移率QQ /1N95. 0N2048列（9）电荷转移率（CTE）%9999.99o读出噪声：观测噪声的主要来源o210个电子电荷（写成210e/px）n小于天空背景起伏噪声（10）读出噪声(1) CCD的优点o量子效率高 (60%90%) o空间分辨率高o动态范围大104o波长响应范围大（从X波段到1微米）o线性响应好o较好的累积响应，可连续曝光数小时o低电压，515伏，功率小，安全性能好o低噪声，致冷后暗流大为减少，一般210e/pxo可设计成特殊的格式：如视频所用Rapid clocking读出速度达100MHz； 大面积巡天用的Dr

10、ift scanning；消除天空背景的Nod/shuffle技术等o二维成像o11 便于计算机处理、存储3、CCD的优缺点（2）CCD的缺点o紫区响应较差；o需要液氮冷却；o需要平场；o尺寸小，单个CCD7 cm 20视场，最大CCD芯片为40962048像素o镶嵌技术（MOSAICKING Technique，Metal-Oxide-Silicon-Active Integrated Circuit）oSLOAN数字巡天，54个芯片MASAIC，oCFHT 望远镜采用40个40962048芯片复盖1度视场o读出噪声不可忽略，219e/px；o饱和信号限制，亮星产生blooming 或ble

11、eding现象，沿一列像素流出；o对宇宙线敏感；o光度的阈值大于1050e/px，低光度引进新噪声；o数据量太大，放大、存储成问题4、例子oHST（1992) n4 CCD 束分裂器镶嵌nLoral 800800像素、15mm芯片n前照光，磷涂层提高紫外响应nRON（读出噪声）5e/pxnQE(6000A)35%oHST（2001)n2 CCD 物理镶嵌nMaconi 40962048像素、15mm芯片n薄化后照光，防反射层提高紫外响应nRON3e/pxnQE(6000A)70%oSLOAN巡天（1997）nDrift Scanning MOSAIC，54芯片nTektronix 20482048，24mm，56阵列n前照光，薄化后照光都有，防反射涂层nRON5e/pxnQE(6000A) 60%47 Tuc星团的赫罗图左：照相测光，Hessey 1977右：CCD测光，Hessey 19875、对比常用的天文图象处理软件oIRAF 光学美国NOAOoMIDAS 射电、光学 欧洲oAPP