mirror of
https://github.com/eddyem/lectures.git
synced 2025-12-06 10:45:09 +03:00
688 lines
23 KiB
TeX
688 lines
23 KiB
TeX
\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer}
|
||
\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen}
|
||
\usepackage{lect}
|
||
|
||
\title{Физические основы регистрации излучения}
|
||
\date{21 марта 2018 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}
|
||
\cols{\col{0.5}\centerline{\graph[0.5]{galileo_planets}~~\graph[0.38]{Dunhuang_star}}
|
||
\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[0.8]{humaneye}\vspace{-1.5em}
|
||
\img[0.5]{galileojupiter}
|
||
}\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{}\cols{\col{0.6}
|
||
\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).\\
|
||
Бинокулярное зрение "--- оценка расстояния и размеров.
|
||
\end{block}\col{0.4}\img{Spectre_absorption_des_cones}}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{}
|
||
\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}{}
|
||
\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}
|
||
\begin{block}{Детектирование}
|
||
\begin{itemize}
|
||
\item События (фотоны, частицы) "--- детекторы частиц, счетчики фотонов
|
||
\item Создаваемое тепло "--- болометры
|
||
\item Волновые характеристики "--- радиометры
|
||
\item Энергия "--- фотопластинки, ПЗС и т.д.
|
||
\end{itemize}
|
||
\end{block}
|
||
\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{EM_Spectrum}
|
||
\end{blueframe}
|
||
|
||
\begin{frame}{Источники излучения}
|
||
\small
|
||
\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}{Атмосферное пропускание}
|
||
\only<1>{\img{atm_trans}}
|
||
%\only<2>{\img{MWA-Observatories}}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{Инфракрасный диапазон}
|
||
\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 халькогенидов.
|
||
|
||
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{0.4}\img{herschel}}}
|
||
\only<2>{\img[0.7]{IR_atm}
|
||
\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<3>{\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, в планах), {\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]{HERSCHEL}
|
||
}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{blueframe}{Болометр}
|
||
\only<1>{\cols{
|
||
\col{0.5}\img{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{frame}{Оптический диапазон}
|
||
\only<1>{Световое загрязнение\img{light_pollution}}
|
||
%\only<2>{\img[0.5]{lpchange}}
|
||
\only<2>{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{Аналоговая регистрация и счет фотонов}
|
||
\begin{frame}{Фотографические пластинки}\only<1>{
|
||
1826, Нисефор Ньепс, гелиография (полимеризация битума).\img[0.8]{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{0.5}\img{Orion-Nebula_A_A_Common}
|
||
\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[0.5]{annie_jump_cannon_with_plate}
|
||
Annie Jump Cannon, 1896.}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
%\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}\black{Термоэлектрический генератор на элементах Пельтье}}
|
||
%\end{blueframe}
|
||
|
||
\begin{blueframe}{Фотоэффект}
|
||
\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{0.5}\img[0.9]{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*{-2em}\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}
|
||
\begin{block}{}
|
||
Конец 1970-х "--- микроканальные пластины.
|
||
|
||
1979, Lampton, M. and Carlson. C; 1982, Firmani, C. et. al.
|
||
|
||
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{0.5\textwidth}
|
||
\img{MCP}
|
||
\column{0.4\textwidth}
|
||
\img[0.8]{WSA}
|
||
\end{columns}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{ПЗС}
|
||
\begin{columns}
|
||
\column{0.5\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}
|
||
\end{columns}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{Электронное умножение на кремнии}
|
||
\vspace*{-1em}\begin{block}{Лавинные фотодиоды и EMCCD}
|
||
Лавинный фотодиод "--- ударная ионизация при больших напряжениях смещения. (лавинные стабилитроны).
|
||
|
||
Electron-Multiplying CCD содержат <<регистр умножения>> (аналогия с лавинным диодом).
|
||
Неопределенность уровня усиления "--- предпочтительна работа с одиночными фотонами (короткие
|
||
экспозиции).
|
||
\end{block}
|
||
\img[0.7]{EMCCD}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{КМОП}
|
||
\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)}
|
||
\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 силиконе "--- 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}}}
|
||
\end{blueframe}
|
||
|
||
\section{Примеры детекторов}
|
||
\begin{frame}{}
|
||
\begin{columns}
|
||
\column{0.5\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[0.6]{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[0.5]{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{0.35}\img{OTCCD}}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{Обработка снимков}
|
||
\cols{\col{0.57}\begin{block}{Последовательность обработки}
|
||
\begin{enumerate}
|
||
\item Темновые, <<плоские поля>>, bias'ы.
|
||
\item Медианное усреднение снимков неба.
|
||
\item Вычитание из рабочих кадров темновых.
|
||
\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{0.4}\img{irframe}}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\section{Характеристики детекторов}
|
||
\begin{frame}{Квантовая эффективность ПЗС}
|
||
\only<1>{QE "--- отношение количества падающих фотонов к детектируемым.\img{QE_PTGrey}}
|
||
\only<2>{\img[0.8]{quantumefficiencyfigure1}}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{Линейность}
|
||
Линейность ПЗС-камеры Apogee Alta 16M-HC (Kodak KAF-16803).
|
||
\img[0.7]{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}{}
|
||
Характерное время изменения состояния светоприемника, определяющее предельные экспозиции.\\
|
||
Потери времени на считывание и сохранение.
|
||
\end{block}
|
||
\img{TauOphPicsD}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
|
||
\begin{frame}{Пространственное разрешение}
|
||
\begin{block}{}Степень детализации изображения зависит от условий наблюдения, оптики телескопа
|
||
и прибора, размера пикселя.
|
||
\end{block}
|
||
\img[0.85]{digitalimagingfigure2}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{blueframe}{Выбор светоприемника под масштаб}
|
||
\centering\begin{minipage}{0.6\textwidth}
|
||
\begin{block}{Масштаб изображения}\centering
|
||
$5a\ge\Delta x \ge 2a,\qquad S_{tel}=\dfrac{F_{tel}}{206265}$
|
||
|
||
БТА: $1/S=8.6''/$мм, $\Delta x_{1''}=116.36\,$мкм
|
||
|
||
$a_{opt}=23.3\,$мкм. Нужен редуктор $\sim2.5\,$раз!
|
||
|
||
$m = \dfrac{S_{cam}}{S_{tel}}=\dfrac{F_{cam}}{F_{coll}}<1$
|
||
\end{block}\end{minipage}
|
||
\img[0.9]{focal_reducer}
|
||
\end{blueframe}
|
||
|
||
\begin{frame}{Шумы}\vspace*{-0.5em}
|
||
\begin{block}{}
|
||
Выходной сигнал всегда отличается от входного: пуассонова статистика фотонов, фон неба,
|
||
тепловой (темновой) шум, космические частицы, шум считывания и т.п. Мультипликативный и
|
||
аддитивный шумы.
|
||
\end{block}\vspace*{-0.5em}
|
||
\img[0.7]{Kodak_dark}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\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}
|
||
|
||
\begin{frame}{Типы подложек светоприемников}
|
||
\img{detector_wavelengths}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{frame}{}
|
||
\img{Observatories_across_spectrum_labeled_full}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\begin{blueframe}{Закон Мура}
|
||
\vspace*{-1em}\img[0.7]{moorelaw}
|
||
\vspace*{-2\baselineskip}\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}
|
||
|
||
|
||
\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}Зарисовка Сатурна Уильямом Ласселом (1799--1880).}
|
||
\only<2>{\img{schr_sspot}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}
|
||
|
||
\begin{blueframe}{Гибридные матрицы (Focal Plane Array)}
|
||
\only<1>{\cols{\col{0.6}\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{0.4}\img{hgcdte3}}}
|
||
\only<2>{\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<3>{\cols{\col{0.47}\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{irdark}}
|
||
\black{\small OPTO--ELECTRONICS REVIEW \textbf{20}\,(3), 279--308.}}
|
||
\end{blueframe}
|
||
|
||
|
||
\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}
|
||
\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{0.5}\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 снимков}
|
||
\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{0.5}\img{irsky}}}
|
||
\only<2,3>{\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<2>{\img{irdemob}}
|
||
\only<3>{\img{chopnod}}}}
|
||
\end{frame}
|
||
|
||
\end{document} |