อุปกรณ์รับภาพแบบประจุเชื่อมโยงในทางดาราศาสตร์

อุปกรณ์รับภาพแบบประจุเชื่อมโยง หรือ CCDs เป็นแถวลำดับภาพซิลิคอนที่กลายเป็นอุปกรณ์ตรวจจับแสงเชิงแสงที่สำคัญในทางดาราศาสตร์สมัยใหม่ โดยสามารถบันทึกแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและมีความเป็นเชิงเส้นที่ดีเยี่ยม

Definition

CCD คืออุปกรณ์ตรวจจับสารกึ่งตัวนำที่โฟตอนสร้างประจุในแถวลำดับของบ่อศักย์ ประจุจะถูกเลื่อนทีละพิกเซลไปยังเครื่องขยายสัญญาณขาออก และภาพดิจิทัลที่ได้จะบันทึกการกระจายเชิงพื้นที่ของแสงที่ตกกระทบ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่ CCDs สะสมและถ่ายโอนประจุ, ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมและการใช้การส่องสว่างจากด้านหลังและการเคลือบสารกันการสะท้อน, สัญญาณรบกวนจากการอ่านและสถาปัตยกรรมการอ่านข้อมูล, กระแสความมืดและการทำความเย็น, ประสิทธิภาพการถ่ายโอนประจุ, การบานของภาพและการอิ่มตัวของสัญญาณ, และขั้นตอนการลดข้อมูล เช่น การแก้ไขไบแอส, ดาร์ก, และแฟลตฟิลด์

Core questions

• CCD รวบรวมและอ่านประจุได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพเชิงควอนตัมของ CCD ในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ?
• แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนใดที่จำกัดการตรวจจับแหล่งกำเนิดแสงที่จาง?
• ต้องมีขั้นตอนการสอบเทียบใดบ้างในการลดข้อมูล CCD?

Key theories

การรวบรวมและการถ่ายโอนประจุ

อิเล็กตรอนที่เกิดจากโฟตอนจะถูกรวบรวมในบ่อศักย์ของพิกเซลและถูกส่งผ่านแถวลำดับไปยังเครื่องขยายสัญญาณขาออก โดยต้องมีประสิทธิภาพการถ่ายโอนประจุใกล้เคียงหนึ่งร้อยเปอร์เซ็นต์เพื่อหลีกเลี่ยงการเบลอของภาพ

ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมและการส่องสว่างจากด้านหลัง

การทำให้ CCD บางลงและส่องสว่างจากด้านหลัง พร้อมกับการเคลือบสารกันการสะท้อน จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเชิงควอนตัมสูงสุดให้สูงกว่าเก้าสิบเปอร์เซ็นต์ และขยายความไวในการตรวจจับไปยังช่วงแสงสีน้ำเงินและรังสีอัลตราไวโอเลต

สัญญาณรบกวนและเฟรมสอบเทียบ

สัญญาณรบกวนจากการอ่านและกระแสความมืดเป็นตัวกำหนดขีดจำกัดการตรวจจับ และเฟรมไบแอส, ดาร์ก, และแฟลตฟิลด์ถูกใช้เพื่อขจัดสัญญาณรบกวนจากอุปกรณ์และความแปรผันของความไวระหว่างพิกเซล

Clinical relevance

CCDs เป็นพื้นฐานของการถ่ายภาพเชิงแสง การวัดแสง และสเปกโทรสโกปีส่วนใหญ่ทั้งบนพื้นโลกและในอวกาศ ประสิทธิภาพและความเป็นเชิงเส้นของ CCDs ทำให้สามารถทำการวัดที่แม่นยำได้ ตั้งแต่จักรวาลวิทยาของซูเปอร์โนวาไปจนถึงการวัดแสงจากการผ่านหน้าดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ และการสำรวจภาพขนาดใหญ่

History

CCD ถูกประดิษฐ์ขึ้นที่ Bell Labs ในปี 1969 และถูกนำมาใช้ในทางดาราศาสตร์ครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1970 โดยเข้ามาแทนที่แผ่นฟิล์มถ่ายภาพอย่างรวดเร็ว รูปแบบที่ใหญ่ขึ้น, การจัดเรียงแบบโมเสก, และรุ่นที่บางเป็นพิเศษและส่องสว่างจากด้านหลังได้ถูกพัฒนาตามมา และปัจจุบัน CCDs ถูกนำมาใช้ในระนาบโฟกัสของกล้องโทรทรรศน์สำรวจที่สำคัญหลายแห่ง

Key figures

• Willard Boyle
• George E. Smith
• James Janesick

Seminal works

• howell2006
• rieke2003

Frequently asked questions

แฟลตฟิลด์คืออะไรและทำไมจึงจำเป็น?

แฟลตฟิลด์คือภาพของแหล่งกำเนิดแสงที่ส่องสว่างอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งใช้ในการทำแผนที่ว่าความไวของแต่ละพิกเซลและการส่งผ่านของเลนส์แตกต่างกันไปทั่วทั้งสนามอย่างไร การหารภาพทางวิทยาศาสตร์ด้วยแฟลตฟิลด์จะช่วยแก้ไขความแปรผันเหล่านี้ เพื่อให้ท้องฟ้าที่สม่ำเสมอสร้างสัญญาณที่วัดได้สม่ำเสมอ

ทำไม CCD ทางดาราศาสตร์จึงอ่านข้อมูลช้า?

การอ่านประจุอย่างรวดเร็วจะเพิ่มสัญญาณรบกวนในเครื่องขยายสัญญาณขาออก สำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่จาง CCD จะถูกอ่านอย่างช้าๆ เพื่อรักษาสัญญาณรบกวนจากการอ่านให้ต่ำ โดยแลกความเร็วกับความไว ในขณะที่การสังเกตการณ์ที่สำคัญด้านเวลาอาจใช้โหมดที่เร็วกว่าซึ่งยอมรับสัญญาณรบกวนที่สูงขึ้นเล็กน้อย