Приборы с зарядовой связью в астрономии

Приборы с зарядовой связью, или ПЗС, представляют собой кремниевые матрицы для формирования изображений, которые стали основным оптическим детектором современной астрономии, регистрируя свет с высокой эффективностью и превосходной линейностью.

Definition

ПЗС — это полупроводниковый детектор, в котором фотоны генерируют заряд в массиве потенциальных ям, заряд сдвигается пиксель за пикселем к выходному усилителю, а полученное цифровое изображение регистрирует пространственное распределение падающего света.

Scope

Эта тема охватывает то, как ПЗС накапливают и передают заряд, квантовую эффективность и использование обратной засветки и антибликовых покрытий, шум считывания и архитектуру считывания, темновой ток и охлаждение, эффективность переноса заряда, цветение и насыщение, а также этапы обработки данных, такие как коррекция смещения, темнового тока и плоского поля.

Core questions

• Как ПЗС собирает и считывает заряд?
• Что определяет квантовую эффективность ПЗС в зависимости от длины волны?
• Какие источники шума ограничивают обнаружение слабых источников?
• Какие этапы калибровки необходимы для обработки данных ПЗС?

Key theories

Сбор и перенос заряда

Фотогенерированные электроны собираются в потенциальных ямах пикселей и тактируются по массиву к усилителю считывания, при этом для предотвращения размытия требуется эффективность переноса заряда, близкая к единице.

Квантовая эффективность и обратная засветка

Утоньшение ПЗС и его подсветка с обратной стороны с антибликовыми покрытиями повышает пиковую квантовую эффективность более чем на девяносто процентов и расширяет чувствительность в синюю и ультрафиолетовую области спектра.

Шум и калибровочные кадры

Шум считывания и темновой ток устанавливают порог обнаружения, а кадры смещения, темнового тока и плоского поля используются для удаления инструментальных сигнатур и вариаций чувствительности от пикселя к пикселю.

Clinical relevance

ПЗС лежат в основе большинства наземных и космических оптических изображений, фотометрии и спектроскопии; их эффективность и линейность позволили проводить точные измерения от космологии сверхновых до фотометрии транзитов экзопланет и крупномасштабных обзорных исследований.

History

Изобретенные в Bell Labs в 1969 году, ПЗС впервые были применены в астрономии в конце 1970-х годов, быстро вытеснив фотографические пластинки. Последовали более крупные форматы, мозаики, а также варианты с глубоким истощением и обратной засветкой, и теперь ПЗС покрывают фокальные плоскости крупных обзорных телескопов.

Key figures

• Willard Boyle
• George E. Smith
• James Janesick

Seminal works

• howell2006
• rieke2003

Frequently asked questions

Что такое плоское поле и зачем оно нужно?

Плоское поле — это изображение равномерно освещенного источника, используемое для отображения того, как чувствительность каждого пикселя и пропускание оптики изменяются по полю. Деление научных изображений на плоское поле корректирует эти вариации, так что равномерное небо дает равномерный измеренный сигнал.

Почему астрономические ПЗС считываются медленно?

Быстрое считывание заряда добавляет шум в выходной усилитель. Для работы со слабыми объектами ПЗС считывается медленно, чтобы поддерживать низкий уровень шума считывания, обменивая скорость на чувствительность, в то время как критичные по времени наблюдения могут использовать более быстрые режимы, которые допускают несколько более высокий уровень шума.