\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode},aspectratio=169]{beamer}
\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen}
\usepackage{lect}

\title{Физические основы регистрации излучения}
\date{8~апреля 2022~года}

\begin{document}
% Титул
\bgroup\setbeamercolor{normal text}{bg=black}
\begin{frame}
\maketitle
\end{frame}\egroup\logo{}
% Содержание
\begin{frame}
\tableofcontents
\end{frame}

\section{Человеческий глаз}
\begin{frame}{Человеческий глаз}\vspace*{-1em}
\cols{\col{0.5}
\centerline{\graph[0.5]{galileo_planets}~~\graph[0.38]{Dunhuang_star}}
\vspace*{-1.5em}\begin{block}{Глаз}
\begin{itemize}
\item Маленькая апертура ($\le8\,$мм)
\item Низкая чувствительность
\item Низкое угловое разрешение ($>16''$, чаще $1'$)
\item Узкий спектральный диапазон
\item Невозможность накопления сигнала
\item Малое поле ясного зрения
\item Цветочувствительность только при больших интенсивностях
\end{itemize}
\end{block}\col{0.5}
\img[0.6]{humaneye}\vspace{-1.5em}
\img[0.4]{galileojupiter}
}\end{frame}

\begin{lightframe}{}\cols{\col{0.55}
\begin{block}{}
Диапазон: $400\div750\,$нм (низкая чувствительность в УФ из-за материала хрусталика, защищающего сетчатку).\\
Высокочувствительные палочки и менее чувствительные колбочки.\\
$100\div200$ фотонов ($\lambda=510\div525\,$нм) в секунду для палочек!\\
Дальтонизм "--- схожесть или отсутствие светочувствительных белков.\\
Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году М.В.\,Ломоносов. Параллельно
существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга (ее развили Дэвид Хьюбел и Торстен Визел "---
нобелевская премия 1981\,г): в мозг поступает информация о разнице яркости (white-black, G-R, B-Y,
Y=R+G). У некоторых женщин~--- тетрахроматизм.\\
Бинокулярное зрение "--- оценка расстояния и размеров.
\end{block}\col{0.4}\hspace*{-2em}\smimg[1.2]{Spectre_absorption_des_cones}}
\end{lightframe}

\begin{frame}{}
\cols{\col{0.5}
\begin{block}{Анатомия глаза}
Cornea~-- роговица, первая <<линза>>.\\
Pupil~-- зрачок, диафрагма (iris).\\
Lens~-- зрачок, вторая <<линза>>.\\
Ciliary body~-- цилиарное тело.\\
Vitreous body~-- стекловидное тело, третья <<линза>>.\\
Choroid~-- сосудистая оболочка.\\
Retina~-- сетчатка.\\
Macula~-- центральная ямка.\\[1em]
$6\div7\,$млн колбочек, $\sim120\,$млн палочек.\\
Мозг <<переворачивает>> и <<дорисовывает>> изображение.
\end{block}
\col{0.48}\img{eye-anatomy}
}
\end{frame}

\begin{frame}{}
\only<1>{\img[0.8]{saturn-lassel}\vspace*{-1em} Зарисовка Сатурна Уильямом Ласселом (1799--1880).}
\only<2>{\img[0.85]{schr_sspot}\vspace*{-1em}
    Солнечные пятна (1785--1795). Hieronymus Schroeter (1745--1816).}
\only<3>{\img{M51}Зарисовки М51: а) Джон Гершель, 1833; b) и c) Уильям Парсонс (третий граф Росс); d) современное изображение (Canada-France-Hawaii Telescope).}
\end{frame}

\section{Типы детекторов и диапазоны}
\begin{frame}{Диапазоны длин волн}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{Регистрируемые формы энергии}
\begin{itemize}
\item Электромагнитное излучение (от гамма-- до радиоволн).
\item Космические лучи (субатомные заряженные частицы высоких энергий).
\item Нейтрино.
\item Гравитационные волны.
\end{itemize}
\end{block}\vspace*{-0.8em}
\begin{block}{Детектирование}
\begin{itemize}
\item События (фотоны, частицы) "--- детекторы частиц, счетчики фотонов
\item Создаваемое тепло "--- болометры
\item Волновые характеристики "--- радиометры
\end{itemize}
\end{block}\vspace*{-0.8em}
\begin{block}{Измеряемые параметры}
\begin{itemize}
\item Направление и время прибытия излучения.
\item Интенсивность на разных длинах волн.
\item Степень поляризации излучения.
\item Фазовые сдвиги между волнами.
\end{itemize}
\end{block}
\end{frame}

\begin{blueframe}{Электромагнитный спектр}
\img[0.85]{EM_Spectrum}
\end{blueframe}

\begin{frame}{Источники излучения}
\centerline{\begin{tabular}{|p{1.5cm}|c|c|p{4cm}|p{2cm}|}
\hline
\bf Диапазон & \bf $\pmb\lambda$, нм & \bf $\pmb{T}$, K &\bf Тепловые
источники &\bf Нетепловые \\ \hline
Гамма & $<0.01$ & $>10^8$ & Термоядерный синтез & ppI, IC, DR\\
Рентген & $0.01$--$20$ & $10^6$--$10^8$& Газ в скоплениях галактик, остатки сверхновых, солнечная
корона & IC, SR\\
УФ & $20$--$400$& $10^5$--$10^6$& Остатки сверхновых, горячие звезды& SR\\
Видимый& $400$--$700$& $10^4$--$10^5$& Звездные атмосферы, оболочки& SR\\
ИК & $700$--$10^6$& $10$--$10^3$& Холодные облака газа и пыли, планеты, спутники& SR\\
Радио& $>10^6$ & $<10$& Темные пылевые облака& SR\\
\hline
\end{tabular}}
ppI~-- протон-протонные столкновения, IC~-- обратное комптоновское рассеяние, DR~-- тормозное
излучение, SR~-- синхротронное излучение.
\end{frame}

\begin{frame}{Всеволновой космос}
\vspace*{-1em}
\only<1>{\img[0.7]{allwavesky}}
\only<2>{\img[0.9]{MWA-whirlpool-galaxy}}
\end{frame}

\begin{frame}
\img[0.75]{multiwave_galaxy}
\end{frame}


\begin{frame}{Атмосферное пропускание}
\vspace*{-0.8em}
\only<1>{\img[0.9]{atm_trans}}
\only<2>{\img[0.9]{MWA-Observatories}}
\end{frame}

\if0
\begin{frame}{Типы подложек светоприемников}
\img{detector_wavelengths}
\end{frame}
\fi

\begin{frame}{}
\img[0.85]{Observatories_across_spectrum_labeled_full}
\end{frame}


\begin{frame}{Инфракрасный диапазон}
\vspace*{-1em}\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
1800~--- открытие ИК излучения Уильямом Гершелем.

1838~--- измерение солнечной постоянной Клодом Пулье (1.23\,кВт/м$^2$, современное значение
1.367\,кВт/м$^2$).

1880~--- болометр Лэнгли. 1875~--- радиометр Крукса. Термопары.

1957~--- открытие свойств HgCdTe.

1962~--- фотометрическая система Джонсона, измерения фотоэлектрическими ячейками на PbS и InSb.

1970~--- IR~CCD, матрицы диодов Шоттки.

2000е~--- различные виды FPA.
\ldots
\end{block}
\col{0.35}\img{herschel}}}
\only<2>{\img[0.6]{IR_atm}\vspace*{-1em}
\begin{block}{Диапазоны}
\begin{itemize}
\item $0.75\div1.4\,$мкм~--- ближний ИК, ПЗС;
\item $1.4\div3\,$мкм~--- коротковолновый ИК, HgCdTe (до $2.54\,$мкм), InSb (до $5.4\,$мкм);
\item $3\div8\,$мкм~--- средний ИК, Si:As ($5\div28\,$мкм);
\item $8\div15\,$мкм~--- длинноволновый ИК, Si:As;
\item $15\div1000\,$мкм~--- дальний ИК и субмиллиметровый диапазон.
\end{itemize}
\end{block}}
\only<3>{
\centering\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
\hline\ж $\pmb\lambda,\,$мкм & \ж Полоса &\ж Прозрачность неба & \ж Яркость неба\\\hline
$1.1$--$1.4$ & J & высокая & низкая\\
$1.5$--$1.8$ & H & высокая & очень низкая\\
$2.0$--$2.4$ & K & высокая & очень низкая\\
$3.0$--$4.0$ & L & достаточно высокая& низкая\\
$4.6$--$5.0$ & M & низкая & высокая \\
$7.5$--$14.5$& N & \multicolumn{1}{p{3.5cm}|}{низкая (кроме 8--9 и 10--12\,мкм, где средняя)} &
очень высокая\\
$17$--$25$   & Q & очень низкая & очень высокая \\
$28$--$40$   & Z & очень низкая & очень высокая \\
$330$--$370$ & & очень низкая & низкая\\\hline
\end{tabular}
}
\only<4>{\begin{block}{Телескопы}
{\ж Наземные}: {\ж VISTA} (4.1\,м), UKIRT (3.8\,м), IRTF (3\,м), и др.

{\ж На борту самолета}: {\ж SOFIA} (2.5\,м).

{\ж Космические}: JWST (6.5\,м), {\ж Herschel} (3.5\,м), Spitzer (0.85\,м) и др.
\end{block}
\centering
\graph[0.3]{VISTA}\hspace{1em}
\graph[0.35]{SOFIA}\hspace{1em}
\graph[0.25]{HERSCHELS}
}
\end{frame}

\begin{frame}{Оптический диапазон}
\vspace*{-1em}
\only<1>{Световое загрязнение\img{light_pollution}}
\only<2>{\img[0.4]{lpchange}}
\only<3>{Расположение\img{largest_scopes}}
\end{frame}

\begin{frame}{Ультрафиолетовый диапазон}
Только космические телескопы: UVIT на Astrosat (40\,см), HST (2.4\,м), UVOT на SWIFT (30\,см) и
многие другие.

\centering
\graph[0.3]{Astrosat}\hspace{1em}
\graph[0.35]{HST}\hspace{1em}
\graph[0.25]{SWIFT}
\end{frame}

\section{Характеристики детекторов}
\begin{frame}{Характеристики детекторов}
\begin{block}{}
Размер, количество пикселей (каналов), чувствительность в зависимости от длины волны (квантовая эффективность) и доступный спектральный диапазон, динамический диапазон, линейность, накопление сигнала, временн\'ое разрешение, шумовые характеристики, стабильность, цена.
\end{block}
\begin{block}{Эволюция детекторов}
Историческая эволюция: глаз \Arr фотопластинка \Arr одноканальные фотоэлектрические приемники \Arr сканеры фотопластинок \Arr телевизионные сканеры \Arr полупроводниковые устройства (фотодиоды, ПЗС, композитные ИК приемники, болометры, лавинные фотодиоды, КМОП) \Arr устройства, измеряющие энергию фотона (STJ "--- на сверхпроводящих туннельных переходах, transition-edge sensor "--- повышение сопротивления свехпроводящего перехода).
\end{block}
\end{frame}

\section{Аналоговая регистрация и счет фотонов}
\begin{frame}{Фотографические пластинки}\only<1>{
1826, Нисефор Ньепс, гелиография (полимеризация битума).\img[0.75]{Nieps}}
\only<2>{
\cols{\col{0.5}
\begin{block}{}
\begin{itemize}
\item Большой формат
\item Очень низкая эффективность ($<1\%$)
\item Сложность перевода в цифровую форму
\item Нелинейность, сложность калибровки
\end{itemize}
\end{block}\img[0.8]{ISO6speedMethod}
\col{0.4}\img{Orion-Nebula_A_A_Common}\vspace*{-1em}
\begin{block}{}
Andrew Ainslie Common, 1883~г. "--- туманность Ориона.
\end{block}}}
\only<3>{\vspace*{-0.5em}\begin{block}{``Harvard Computers'' (Pickering's Harem)}
Edward Charles Pickering, 1881. Привлечение женщин для обработки растущей коллекции фотопластинок
Гарвардской обсерватории. The Henry Draper Catalogue. Обнаружение переменных звезд, изучение
спектров, классификация галактик.
\end{block}\vspace*{-0.5em}
\img[0.45]{annie_jump_cannon_with_plate}
Annie Jump Cannon, 1896.}
\end{frame}

\begin{blueframe}{Болометр}
\only<1>{\cols{
\col{0.4}\img[0.8]{Bolometer_conceptual_schematic}\col{0.4}
\begin{block}{}
1878~г. Сэмюэль Лэнгли изобрел болометр: две платиновые полоски, зачерненные ламповой сажей,
включенные по схеме моста Уитсона и подключенные к чувствительному гальванометру.

Болометр Лэнгли чувствовал корову за милю!

Расширение диапазона до ИК.
\end{block}}}
\only<2>{\cols{\col{0.4}\img{Wheatstonebridge}
\col{0.6}\begin{block}{}
Мост Уитстона: $\dfrac{R_2}{R_1}=\dfrac{R_x}{R_3}$ \Arr $R_x=\dfrac{R_2}{R_1}R_3$.

$$V_{G}=\left(\frac{R_2}{R_{1}+R_{2}}-\frac{R_x}{R_{x}+R_{3}}\right)V_{s}$$
$\dfrac{R_x}{R_3}=\dfrac{V_s-2V_G}{V_s+2V_G}$~--- если $V_s=10\,$В, то при $V_G=1\,$мВ
относительное изменение сопротивления составит $4\cdot10^{-4}$.

$R_3$ и $R_x$~--- зачерненные платиновые полоски. Точность измерений~--- до $10^{-5}{}\degr C$.
\end{block}}}
\end{blueframe}

\begin{blueframe}{Термопара}
\cols{\col{0.5}\begin{block}{Эффект Зеебека}
Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и
температур горячего ($T_1$) и холодного ($T_2$) контактов:
$$\mathcal {E}=\Int_{T_{1}}^{T_{2}}\alpha_{12}(T)dT.$$

Объясняется совокупностью трех эффектов: зависимостью  от температуры скорости электронов и
энергии Ферми (контактная разность потенциалов) и фононным увлечением электронов.
\end{block}
\col{0.5}\img{Zeebek}\vspace*{-6em}
\black{Термоэлектрический генератор на элементах Пельтье}}
\end{blueframe}

\begin{blueframe}{Фотоэффект}
    \vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.5}
\begin{block}{Внешний фотоэффект}
$$h\nu =A+\frac{mv^2}{2}$$
\end{block}
\begin{block}{Внутренний фотоэффект}
$W_{min}$~--- ширина запрещенной зоны. $W_{max}$~--- энергия выхода.

Фотон с требуемой энергией формирует электронно-дырочную пару. Примеси позволяют уменьшить красный
предел (электрон находится в запрещенной зоне).

Фоторезисторы.
\end{block}
\col{0.5}\img{inside-photo-effect}}}
\only<2>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{Фотовольтаический (фотогальванический) эффект}
Напрямую связан с фотоэлектическим эффектом.
Режимы: фотогальванический (без внешнего напряжения) и фотопроводимости (обратное смещение).

Генерируемая в обедненной области пара разрывается потенциалом Гальвани. Происходит накопление
заряда.

Фотодиоды, ПЗС, CMOS.
\end{block}
\col{0.4}\img{PhotovoltaicEffect}}}
\end{blueframe}

\begin{frame}{Ускорение и размножение электронов}
\vspace*{-2em}\begin{block}{}
1940-е годы. Счет фотонов. Большие "--- потому одноканальные.
\end{block}
\img{PhotoMultiplierTubeAndScintillator}
\end{frame}

\section{Многоканальные светоприемники}
\begin{blueframe}{ЭЛТ}
\vspace*{-1em}\begin{block}{}
1964, E. Luedicke, A. D. Cope, and L. E. Flory. Astronomical Image-Integration System Using a
Television Camera Tube.

На $3^m\div4^m$ чувствительнее фотопластинок.
\end{block}
\img{Orthicon}
\end{blueframe}

\begin{frame}{ЭОП}
\cols{\col{0.4}
\begin{block}{}
Первую конструкцию ЭОП предложили в 1928\,г. изобретатели из компании Philips.\\
Первое поколение "--- каскады ФЭУ.\\
Второе "--- микроканальная технология (уменьшение паразитной засветки).\\
Третье "--- фотокатоды на арсениде галлия (больше усиление, меньше размеры).\\
Четвертое (2014\,г!) "--- чувствительность $400\div1000\,$нм, лучшее качество изображения, уменьшение размеров.
\end{block}
\col{0.58}
\img{Gen3-Image-Tube}}
\end{frame}


\begin{frame}{МКП + КПА}
\vspace*{-1em}\begin{block}{}
Конец 1970-х "--- микроканальные пластины.

1983, Siegmund, O.H.W. et al. "Application of the wedge and strip anode to position sensing with
microchannel plates and  proportional counters".

1986, Siegmund, O.H.W. et al. "Wedge and strip image readout systems for photon-counting detectors
in space astronomy".
\end{block}
\begin{columns}
\column{0.45\textwidth}
\img{MCP}
\column{0.4\textwidth}
\img[0.8]{WSA}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}{ПЗС}
    \vspace*{-1em}
\begin{columns}
\column{0.4\textwidth}
\img{ccdintro}
\column{0.5\textwidth}
\begin{block}{}
1969, Уиллард Бойл и Джордж Смит, лаборатории Белла.

1975 "--- первая ПЗС 100x100 (Steven Sasson, Kodak).

1976 "--- запуск спутника--шпиона с ПЗС 800x800.
\end{block}\vspace*{-1em}
\img[0.7]{ccdanatomy}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}{Квантовая эффективность ПЗС}
    \only<1>{QE "--- отношение количества падающих фотонов к детектируемым.\img[0.92]{QE_PTGrey}}
    \only<2>{\img[0.6]{quantumefficiencyfigure1}}
\end{frame}

\begin{frame}{Линейность}
    Линейность ПЗС-камеры Apogee Alta 16M-HC (Kodak KAF-16803).
    \img[0.6]{Apogee_linearity}
    $\pm0.5\%$  ($2000\div40000$ ADU) $\pm1.0\%$ ($0\div45000$ ADU).
\end{frame}

\begin{frame}{Динамический диапазон}
    \cols{\col{0.4}\begin{block}{}
            Максимальный размах уровней сигнала, при котором он регистрируется без потерь.\\
            Идеал "--- бесконечный динамический диапазон.
        \end{block}
        \col{0.6}\img{bloomingfigure4}}
\end{frame}

\begin{frame}{Временн\'ое разрешение}
    \begin{block}{}
        Минимальный интервал времени, в течение которого можно обнаружить изменение потока
        излучения.\\
        Потери времени на считывание и сохранение.
    \end{block}
    \img{TauOphPicsD}
\end{frame}

\begin{frame}{Пространственное разрешение}
    \vspace*{-0.7em}
    \begin{block}{}Степень детализации изображения зависит от условий наблюдения, оптики телескопа
    и прибора, размера пикселя.
    \end{block}\vspace*{-0.4em}
    \img[0.75]{digitalimagingfigure2}
\end{frame}

\begin{blueframe}{Выбор светоприемника под масштаб}
    \centering\begin{minipage}{0.6\textwidth}
        \begin{block}{Масштаб изображения}\centering
            $5a\ge\Delta x \ge 2a,\qquad S_{tel}=\dfrac{F_{tel}}{206265}$, $m =
            \dfrac{S_{cam}}{S_{tel}}=\dfrac{F_{cam}}{F_{coll}}$.

            БТА: $1/S=8.6''/$мм, $\Delta x_{1''}=116.36\,$мкм

            $a_{opt}=13\,$мкм. Нужен редуктор $\sim2.5\,$раз!

    \end{block}\end{minipage}
    \img[0.9]{focal_reducer}
\end{blueframe}

\begin{frame}{Шумы}\vspace*{-1em}
    \only<1>{
        \begin{block}{}
            Выходной сигнал всегда отличается от входного: пуассонова статистика фотонов, фон неба,
            тепловой (темновой) шум, космические частицы, шум считывания и т.п.
        \end{block}\vspace*{-0.5em}
        \img[0.6]{Kodak_dark}}
    \only<2>{
        \begin{block}{}
            Если пуассонов шум фотонов плоского поля превышает шум считывания, гистограмма имеет
            почти
            гауссову
            форму.
            $$\sigma\ind{ADU}=\frac{\sqrt{\mean{F}\cdot G}}{G}$$
            $\sigma\ind{ADU}$~-- полуширина гистограммы плоского поля, $\mean F$~-- средний уровень
            плоского,
            $G$~-- gain (коэффициент преобразования фотоэлектронов в ADU).

            Два кадра bias ($B$) и плоского ($F$):
            $$
            G = \frac{(\mean{F_1}+\mean{F_2}) -
                (\mean{B_1}+\mean{B_2})}{\sigma^2_{F_1-F_2}-\sigma^2_{B_1-B_2}}
            $$
            Шум считывания:
            $$
            RN = \frac{G\cdot\sigma_{B_1-B_2}}{\sqrt2}
            $$
        \end{block}
    }
\end{frame}

\begin{frame}{КМОП}\vspace*{-1em}
\begin{columns}
\column{0.7\textwidth}
\only<1>{\img{CCD-VS-CMOS}}
\only<2>{\img{HgCdTe_ULBcam}}
\column{0.3\textwidth}
\begin{block}{}
Конец 1980-х "--- <<активно-пиксельные датчики>>. Недеструктивное считывание, произвольный доступ.
Но низкая квантовая эффективность.

\onslide<2>{ИК-детекторы на HgCdTe}
\end{block}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{blueframe}{Гибридные матрицы (Focal Plane Array)}\vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
В n-канальном полупроводнике легируются p-канальные площадки "--- пиксели.

Каждый пиксель является конденсатором, накапливающим фотогальванические дырки, либо же конденсаторы
легируются в ROIC.

Толщина полупроводника: слишком маленькая "--- прозрачная для фотонов, слишком большая "---
рекомбинация пар в процессе экспозиции. Обычно около 10\,мкм.

Просветляющее покрытие.
\end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte1}}}
\only<2>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
На кремнии "--- считывающая схема (ReadOut Integrated Circuit).

Регистрирующая структура прижимается к считывающей.

Контакт посредством индиевых шариков (мягкий металл даже при криогенных температурах).

Индивидуальная цепь считывания для каждого пикселя.

Независимая адресация, недеструктивное считывание. Отсутствие растекания заряда, как в ПЗС.
<<Плохие>> пиксели не влияют на окружение!
\end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte2}}}
\only<3>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{}
$V_{reset}$~--- уровень смещения (bias), $V_{read}\propto q$.

Усилитель на МОП позволяет практически свести к нулю утечки при недеструктивном считывании.

$\Phi_{read}$ подается через элемент <<2И>> на двух МОП (адресация столбца и строки).
\end{block}
\col{0.5}\img{hgcdte3}}}
\only<4>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Hawaii HgCdTe 1024x1024.\par Пиксель 18.5\,мкм.\par Gain 5.4\,e/ADU.\par RON 2.1\,ADU.\par Около
10000 плохих пикселей.\par Нелинейность меньше 1.5\% от 0 до 10000\,ADU.\par Темновой ток при
T=78\,K меньше 0.1\,e/s.
\end{block}
\col{0.5}\img{hawqe}}
\vspace{1em}
\black{\small https://www.eso.org/sci/facilities/lasilla/instruments/sofi/inst/HawaiiDetector.html}}
\only<5>{\cols{\col{0.4}\begin{block}{}
Высокий шум InSb при $T>60\,$К определяется большим уровнем генерационно-рекомбинационных токов.

У HgCdTe в этом диапазоне г-р токи практически нулевые, шум определяется в основном диффузными
токами.

$$T_{max}=\frac{200\,K}{\lambda_c\text{\,$\mu$m}}$$
\end{block}
\col{0.5}\img[0.8]{irdark}}\vspace*{-1em}
\black{\small OPTO--ELECTRONICS REVIEW \textbf{20}\,(3), 279--308.}}
\end{blueframe}

\section{Примеры детекторов}
\begin{frame}{}
\begin{columns}
\column{0.4\textwidth}
\only<1>{\img{SDSSFaceplate}}
\only<2>{\img{frame_transfer_CCD}}
\column{0.5\textwidth}
\begin{block}{}
\only<1>{Слоановский обзор SDSS, 30 ПЗС 2048x2048 в сканирующем режиме.}
\only<2>{ПЗС с переносом заряда позволяют уменьшить воздействие посторонней засветки во время
считывания.}
\end{block}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}{STJ, TES "--- измерение энергии фотона}
\only<1>{\begin{block}{STJ}
Два сверхпроводника, разделенных тонким изолятором.

Алюминий (1.2К), ниобий (4.2К).

100..1000ГГц "--- радиоастрономия. Счетчик фотонов в широком диапазоне.
\end{block}\img[0.5]{Josephson}}
\only<2>{
\begin{block}{TES}
Transition-edge sensor "--- криогенный датчик, в основе работы которого используется зависимость от температуры сопротивления на границе фазового перехода в сверхпроводящее состояние.
\end{block}
\img[0.4]{NIST_Tungsten_Transition_Edge_Sensor}}
\end{frame}

\begin{frame}{OTCCD}
\vspace*{-1em}\cols{\col{0.6}
\begin{block}{arXiv:astro-ph/9705165, 1997}
The Orthogonal Transfer CCD позволяет переносить заряд в любом из четырех направлений. Отслеживание атмосферных наклонов волнового фронта с частотой до 100\,Гц. Проще tip-tilt систем.
\end{block}
\col{0.3}\img{OTCCD}}
\end{frame}

\begin{frame}{ПЗС, итоги}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{}
\begin{itemize}
 \item Для повышения эффективности толщина рабочего слоя ПЗС должна быть не больше подложки n-типа,
	back-illuminated. Усложнение техпроцесса, удорожание.
 \item Глубокое охлаждение чипа: при $-80\degr$C с ростом температуры на $\sim7\degr$C темновой шум
	увеличивается в два раза.
 \item Кремниевая подложка имеет красную границу на $\sim1.1\,$мкм, в ИК светоприемники с
	кремниевыми подложками не будут работать.
 \item Утончение чипа приводит к росту прозрачности для больших длин волн и появлению фрингов.
 \item Большой проблемой является растекание заряда с переэкспонированных пикселей.
 \item ПЗС невозможно оснастить <<электронным>> затвором, их затвор механический.
 \item Дефекты подложки приводят к появлению <<горячих>> и <<плохих>> пикселей.
 \item Постоянное воздействие космических частиц вызывает необратимую деградацию.
\end{itemize}
\end{block}
\end{frame}

\begin{blueframe}{CMOS, итоги}\vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Сканирование производится построчно.

<<Медленная>> шина "--- строки (Y). <<Быстрая>> "--- столбцы (X).

Тактирование сдвигового регистра X поочередно адресует пиксели в строке.

Подключение сброса: индивидуально, построчно или глобально.

Если считывание не завершается сбросом, накопление продолжается "--- недеструктивное считывание.
\end{block}
\col{0.4}\img{hawlcc}}}
\only<2>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Двойная коррелированная выборка}
$V_b$~--- начальный уровень смещения.\par
$V_1$~--- уровень при считывании сразу после сброса.\par
$V_2$~--- считывание в конце экспозиции.

$V_2-V_1$~--- двойная коррелированная выборка.
\end{block}
\col{0.5}\img{cds}}}

\only<3>{\cols{\col{0.57}\begin{block}{Недеструктивное считывание}
Fowler (F) and Follow-Up-the-Ramp (FUR, отслеживание наклона) sampling.\par
$\SNR_{FUR}=\SNR_{DC}\sqrt{\dfrac{n(n+1)}{6(n-1)}}$.\par
Для $n\gg1$\par
$t=nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{8}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{\frc68}$
$t\gg nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{2}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{3}$!

Однако, FUR более применим в космосе: восстановление изображений, поврежденных космикой!
\end{block}
\col{0.4}\img{nondestr}}}
\end{blueframe}

\begin{frame}{Обработка ИК-снимков}\vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Яркость неба}
Высокий уровень шумов от самого телескопа.\par
В дальнем ИК небо ярче объектов!\par
Фон неба зависит от положения объекта.\par
<<Nodding>> "--- небольшие перемещения телескопа между экспозициями для получения снимков неба.
\end{block}
\col{0.4}\img{irsky}}}
\only<2>{\cols{\col{0.57}\begin{block}{Последовательность обработки}
\begin{enumerate}
\item Медианное усреднение снимков неба.
\item Вычитание неба из снимков объекта.
\item Деление результата на плоское поле.
\item Обработка результата.
\end{enumerate}
Переполненные поля требуют б\'ольших перемещений телескопа для формирования изображения неба.
\end{block}
\col{0.34}\img{irframe}}}
\only<3,4>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Mid IR: Chopping + Nodding}
В среднем ИК фон неба быстро меняется. Экспозиции "--- не более 50\,мс!
\begin{enumerate}
\item{} <<Chopping>> \Arr on$_i$/off$_i$.
\item $\Sum_{i=0}^{i=xxxxx}$ \Arr On$^1$-Off$^1$.
\item{} <<Nodding>>, repeat \Arr On$^2$-Off$^2$.
\item Sky=On$^1$-Off$^1$+On$^2$-Off$^2$.
\item Accumulated=On$^1$-Off$^1$-(On$^2$-Off$^2$).
\item Совмещение \Arr Shift+add.
\end{enumerate}
\end{block}
\col{0.5}\only<3>{\img{irdemob}}
\only<4>{\img{chopnod}}}}
\end{frame}


\begin{blueframe}{Закон Мура}\vspace*{-1em}
\vspace*{-1em}\img[0.5]{moorelaw}
\vspace*{-1em}\vbox to 0pt{\black{Удвоение числа транзисторов на ИС каждые 2 года.}}
\end{blueframe}


\begin{frame}{Спасибо за внимание!}
\centering
\begin{minipage}{5cm}
\begin{block}{mailto}
eddy@sao.ru\\
edward.emelianoff@gmail.com
\end{block}\end{minipage}
\end{frame}
\end{document}
