PCO 助力外太空观测系列(1):pco.edge 4.2 相机成功用于欧洲成像天文台平流层紫外线演示器(STUDIO)

2021-06-09 22:57:51 admincd

PCO 助力外太空观测系列(1):pco.edge 4.2 相机成功用于欧洲成像天文台平流层紫外线演示器(STUDIO)


Status of the STUDIO UV balloon mission and platform

成像天文台(STUDIO)紫外气球任务和平台的现状



A. Pahler* a , M. Ångermannb , J. Barnstedtc , S. Bouguerouaa , A. Colind , L. Contic , S. Dieboldc , R. Duffard§d , M. Embergera , L. Hankec , C. Kalkuhlc , N. Kappelmannc , T. Keiliga , S. Klinknera , A. Krabbea , O. Jansonb , M. Lengowskia , C. Lockowandtb , P. Maiera , T. Müllere , T. Rauchc , T. Schanzc , B. Stelzerc , M. Taherana , A. Vaerneusb , K. Wernerc , J. Wolfa

*andreas.pahler@irs.uni-stuttgart.de;https://www.irs.uni-stuttgart.de/en/; https://orcid.org/0000-0002-2692-8881

§https://orcid.org/0000-0001-5963-5850


摘要翻译

平流层气球为在大气限制的波长范围内进行观测提供了方便和可负担的平台。同时,它们可以作为一个有效的、为仪器和其他硬件的未来空间应用进行技术示范的步骤。成像天文台(STUDIO)的平流层紫外演示器是一个气球载物平台任务,在0.5米孔径望远镜上搭载成像微通道板(MCP)探测器。STUDIO目前计划在2022年夏季在瑞典埃斯兰热上空飞行。有关紫外线(UV)探测器的详细信息,请参阅Conti等人对本文的贡献部分。这次任务的科学目标是调查银河系平面内变化多端的热致密星和耀斑中的M矮星。同时,该任务还作为一个多功能和可扩展的天文气球平台以及上述MCP仪器的演示成果。缆车的设计允许使用不同的仪器或望远镜。此外,根据欧洲平流层气球观测站(ESBO)的设想,它还被设计用于多次、更长时间的飞行。本文介绍了STUDIO平台的设计、制造和测试现状,并进一步介绍了目前的飞行计划和Esrange的观测结果。

图文节选(1)

图片关键词图1.STUDIO望远镜和TIP组件




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成像天文台的光学载物由一个50厘米孔径的闭管望远镜组成,望远镜仪器台(TIP)连接在望远镜的背面。这架望远镜是一架f/13构造的改进型达尔-柯克汉姆望远镜。它具有一个50 cm的椭圆主镜、一个球面次镜和三个位于主镜中心孔的用于场校正的透镜。次镜可通过三个可远程操作的传动装置移动。它们用来移动望远镜的M2反射镜,分辨率为~3 µm、 而望远镜的焦距在180 nm波长处为±30 µm。TIP包括两个主要仪器:

1.先进的光子计数成像微通道板(MCP)探测器,在紫外线波段(180 nm–330 nm)进行观察,如第3.3节所述。

2.商用可见光相机pco.edge 4.2,主要作为闭环精细稳像系统中的跟踪传感器,它还将作为一个二级科学仪器,用于在可见光波段(350 nm–1000 nm)进行观测。


有关相机的详细信息及其在平流层中使用的资格,请参见第4.4节。此外,作为图像稳定系统的一部分,TIP包含一个安装在商用TIP/TILT平台上的快速转向镜,以实现1弧秒的指向稳定性。分色镜通过反射紫外光(180 nm–330 nm)和透射可见光(330 nm–1000 nm),将光束分为两个通道。接下来,这两个分离的光束,会通过使用高反射镜重定向到相应的探测器。在两个仪器的前面各放置一个过滤转盘。目前计划在MCP探测器上使用一个Sloan U滤镜,并且在可见光通道上使用几个。还有可能集成额外的过滤装置……



图文节选(4)


需要进行环境试验来保证各部件在平流层条件下的可靠性。迄今为止,环境试验主要在热真空条件下进行测试。在组装阶段即将结束时,我们将对系统进行冲击测试……到目前为止,热真空实验已成功在可见光相机(在下一节中描述)、滤光片轮(在第 4.6 节中描述)和反光漆样品上进行……


4.4 相机的热真空测试

STUDIO的稳像系统依赖于可见光跟踪相机。同一台相机将为科学案例提供多波长观测能力,或在可见光谱范围内为科学案例提供帮助。由于在平流层条件下使用相机所需要的相机修改费用对于ESBO DS的预算来说成本太高,因此考虑并最终选择了一种未经修改的商用相机用于STUDIO。制造商提供了一台pco. edge 4.2相机用于热真空试验,相机在没有被进行任何内部修改的情况下完成了试验。


进行了四次低至3毫巴的压力循环,以及几次低至-30 °C接口温度的温度循环。这架相机没有受到任何损坏,而且被证明能够承受与平流层相似的环境条件相机的CMOS传感器由内置的Peltier元件冷却至5°C。对于进行的测试,相机使用液体进行冷却。然而,液体冷却回路被证明难以密封。因此,一种被动冷却系统正在被开发中,以用于 STUDIO 的飞行中。


在真空中界面温度超过 17 °C 时,相机电子设备会在不使用液体冷却系统时由于过热而关闭Peltier冷却器。此过程没有对相机整体或其中任何内部组件造成明显损坏。因为内部Peltier元件不是用来加热传感器的,所以在界面温度低于 -10 °C 时,CMOS 传感器的温度会下降到低于 5 °C。对于那些传感器温度恒定至关重要的科学应用,可使用外部温控器来帮助维持传感器温度……


为了验证相机在这些极端条件下可以正常运行,拍摄了测试目标和暗帧的图像。暗电流被证实与压力无关并符合数据表数值。正如预期的那样,暗电流在 -10 °C 时随温度下降减小到几乎为零。除了热真空测试之外,摄像机还在实验室和空中进行了测试,如第 4.5 节所述。此外,它在真空和标准条件下都实现了数据表中关于图像质量和噪声的承诺。


综上所述,pco.edge 4.2相机在STUDIO飞行期间能够承受预期的环境条件,尽管在测试期间也出现一些限制。这些局限性主要涉及到没有液体冷却回路的真空冷却,并且将在STUDIO的热学设计中加以考虑。


4.5 相机的空中测试

在实验室和空中对pco.edge 4.2相机进行了初步测试,以验证其性能和数据表中给出的参数。我们的兴趣主要集中在帧速率、噪声、偏置噪声、读出噪声和暗电流上。


实验表征在在环境温度和压力下、在5级洁净室内进行,并使用积分球作为光源。大多数测量参数结果稍好于制造商所述。在全幅2048 x 2048分辨率的慢扫描中实现了35 fps的帧速率。在5 °C传感器温度下,只有0.36 电子/像素/秒的暗电流,测出了0.652 e-的读出噪声和47.20 e-的偏置噪声……


在实验室测试之后,使用该相机在空中进行了测试,以验证对 STUDIO 光学组件极限星等所做的估计……预计该相机将与 STUDIO 50厘米望远镜一起使用,该望远镜的收集面积大约是其六倍,对应于收集信号的 6 倍……早期模拟的结果表明,对于 STUDIO 望远镜和 PCO.edge 4.2 相机的组合,在 40 的 SNR下,进行 10 ms 的积分,可以达到 10.5(V 波段)的极限星等。使用商用望远镜的空中测试结果已被推断得出……结果与早期估计一致……


关于pco.edge 4.2

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pco.edge 4.2 具有新异的科研级CMOS(sCMOS)芯片,能提供清晰的图像质量和准确的测量结果。pco.edge 系列相机具有循环水制冷升级选项。
pco.edge 4.2 专门为需要超高量子效率、16位动态范围、高帧速率、长曝光时间和极低读出噪音的用户精心设计。


基本参数

  • 热稳定(制冷)0 °C / +5 °C / +7 °C

  • 超低中值读出噪音0.8 e-

  • 高分辨率2048 x 2048像素

  • 动态范围37 500 : 1 (CLHS, USB) / 33 000 : 1 (CL)

  • 量子效率可达82 %

  • 快门曝光时间: 100 µs to 20 s

  • 最高帧速率100 fps

  • 滚动快门或全域重置快门

  • 光片成像 (Lightsheet) 模式

  • Camera Link HS 接口、全接口或者USB 3.0 接口

  • 紧凑机身设计: 102 x 79 x 70 mm3

  • 可选项:水制冷系统



【关于PCO】

PCO于1987年诞生于德国,是高端科学级相机和高端工业相机系统的顶级技术和产品提供商,在高灵敏、超低读出噪声、高帧速率、相机制冷、广泛的可选曝光时间范围、紫外(UV)到近红外(NIR)感光以及超高动态范围等诸多成像相关之方向,具有独特的核心技术优势。其产品包含最新的高灵敏高性能的sCMOS相机、高画质高速摄像机、增强型sCMOS相机、Two-Tap CMOS频域FLIM相机等。

德国PCO相机和技术可广泛应用于可见光、紫外光、近红外光、荧光、弱光和单光子级信号的成像和定量分析,以及时间分辨、荧光寿命分析、高速和超高速成像等。其适用范围涵盖物理科学、生命科学、工程、国防、工业以及光电科学、天文学等诸多领域。

元奥仪器作为德国PCO公司指定中国区代理商,热情为各位客户提供产品咨询,售前售后服务。并提供样机演示服务。欢迎各位客户来电详询。

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