世界上最大的数码相机首次拍摄3200万像素的图像——将探索宇宙之谜

LSST相机焦平面第一图像

SLAC的工作人员用LSST相机的完整焦平面拍摄了首批3200万像素的图像,LSST相机是维拉·C·鲁宾天文台未来的“眼睛”。它们是单次拍摄的最大数字图像。最早拍摄的对象之一是一个罗曼尼斯科,选择它非常详细的纹理。信贷:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

这台相机将探索宇宙之谜,作为鲁宾天文台空间和时间遗产调查的一部分。

人员在能源部SLAC国家加速器实验室采取了第一个3200像素的数码照片最大的过一枪——大量的成像传感器,将成为未来的心脏和灵魂相机的维拉·c·鲁宾天文台。

这些图像非常大,需要378个4K超高清电视屏幕才能完整显示其中一个,而且它们的分辨率非常高,你可以在15英里外看到一个高尔夫球。这些和其他属性将很快推动前所未有的天体物理学研究。

LSST照相机全焦平面

未来LSST相机的整个焦平面超过2英尺宽,包含189个单独的传感器,将产生3.2亿像素的图像。SLAC的工作人员现在已经用它拍摄了第一张照片。使用新闻稿底部的链接以全分辨率浏览它们。信贷:Jacqueline Orrell/SLAC国家加速器实验室

接下来,传感器阵列将集成到世界上最大的数码相机中,该相机目前正在SLAC建造中。一旦安装在智利的鲁宾天文台,这台相机将生成整个南方天空的全景图像——10年里每隔几个晚上就会有一张全景图。

它的数据将输入鲁宾天文台遗留的空间和时间调查(LSST)——一个比地球上现存的人类还要多的星系目录,以及无数天体物理物体的运动目录。使用LSST相机,天文台将制作有史以来最大的天文电影,并揭示宇宙中一些最大的奥秘,包括暗物质和暗能量。

用传感器拍摄的第一张照片是对相机焦平面的测试,焦平面的组装于今年1月在SLAC完成。

“这对我们来说是一个巨大的里程碑,”美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的lst摄像机项目经理文森特·Riot说。焦平面将产生lst的图像,所以它是鲁宾天文台的能力和敏感的眼睛。”

SLAC的天文台主任史蒂文·卡恩(Steven Kahn)说:“这项成就是鲁宾天文台整个项目中最重要的成就之一。LSST相机焦平面的完成及其成功测试是相机团队取得的巨大胜利,将使鲁宾天文台能够提供下一代天文科学。”


维拉·C·鲁宾天文台及其LSST相机。信贷:奥利维尔·博宁/斯拉克国家加速器实验室

最佳科学的技术奇迹

在某种程度上,焦平面类似于数字消费相机的成像传感器或手机中的相机:它捕捉物体发出或反射的光,并将其转换为用于生成数字图像的电信号。但是LSST相机的焦平面要复杂得多。事实上,它包含189个单独的传感器,或电荷耦合器件(CCD),每一个都能带来1600万像素——与大多数现代数码相机的成像传感器数量相当。

一组九个CCD及其配套电子设备在DOE的布鲁克海文国家实验室组装成方形单元,称为“科学筏”,并运至SLAC。在那里,摄像小组将其中的21个木筏,加上另外四个不用于成像的特殊木筏,插入到一个网格中,将它们固定到位。

LSST相机焦平面

LSST相机焦平面的单个成像传感器和配套电子设备被封装成两种不同的单元,称为“筏”。有两种不同类型的单元:21个方形筏(中),每个筏包含9个传感器,将为鲁宾天文台的科学计划生成图像。另外四个只有三个传感器的特种木筏(左)将用于相机对焦和使望远镜与地球自转同步。信贷:Farrin Abbott/SLAC国家加速器实验室

焦平面具有一些真正非凡的性质。它不仅包含高达32亿像素,而且像素也非常小——大约10微米宽——焦平面本身非常平坦,变化幅度不超过人类头发宽度的十分之一。这使得相机能够产生非常高分辨率的清晰图像。焦平面的宽度超过2英尺,与全画幅消费相机的1.4英寸宽成像传感器相比是巨大的,并且足够大,可以捕捉到大约40个满月大小的部分天空。最后,整个望远镜的设计使成像传感器能够发现比肉眼可见光暗1亿倍的物体——这种灵敏度可以让你从数千英里外看到蜡烛。

LSST照相机高尔夫球

LSST相机的焦平面具有足够大的表面积,可以捕捉到大约40个满月大小的天空部分。它的分辨率如此之高,以至于你可以在15英里外发现一个高尔夫球。信贷:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

加州大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)的lst摄像机项目科学家史蒂文·里茨(Steven Ritz)说:“这些规格简直令人震惊。”“这些独特的特性将使鲁宾天文台雄心勃勃的科学计划成为可能。”

在10年内,该相机将收集大约200亿个星系的图像。里兹说:“这些数据将提高我们对星系如何随时间演化的认识,让我们比以往更深入、更精确地测试我们的暗物质和暗能量模型。”。“该观测站将成为广泛科学领域的一个极好的设施——从对太阳系的详细研究到对可见宇宙边缘遥远物体的研究。”

高风险的装配过程

今年早些时候,焦平面的完工结束了斯拉克船员六个月的紧张工作,他们将25艘救生筏插入了方格中的狭窄狭缝中。为了最大限度地扩大成像面积,相邻木筏上的传感器之间的间隙小于五根人类毛发的宽度。由于成像传感器彼此接触很容易破裂,这使得整个操作非常棘手。

这些木筏也很昂贵,每艘高达300万美元。

在传感器集成前线工作的SLAC机械工程师Hannah Pollek表示:“高风险和紧公差的组合使这个项目非常具有挑战性。但我们拥有一个多元化的团队,我们基本上做到了这一点。”


将木筏插入LSST相机的焦平面是一项高风险的操作,耗时约六个月。信贷:奥利维尔·博宁/斯拉克国家加速器实验室

团队成员花了一年的时间准备安装木筏,安装了许多没有进入最后焦点平面的“练习”木筏。这样,他们就可以利用SLAC的首席机械工程师特拉维斯·兰格(Travis Lange)开发的一种专门的龙门架,完善将每个2英尺高、20磅重的木筏拉入网格的过程。

SLAC的lst相机集成和测试团队负责人Tim Bond说:“单个相机组件的大小令人印象深刻,团队的规模也令人印象深刻。这需要一个精心设计的团队来完成焦平面组装,每个人都接受了挑战。”

lst相机焦平面构建

安装RTM 21/21以完成3.2GP CCD阵列。信贷:Jacqueline Orrell/SLAC国家加速器实验室

拍摄前3.2亿像素图像

焦平面被放置在低温恒温器中,传感器被冷却到零下150度华氏温度,它们所需的工作温度。由于冠状病毒大流行,在几个月没有进入实验室后,摄像小组在5月份恢复了工作,但能力有限,并遵循严格的社交距离要求。目前正在进行广泛的测试,以确保焦平面满足支持鲁宾天文台科学计划所需的技术要求。

lst相机焦平面针孔投影仪

拍摄第一批3200万像素的图像是焦平面的第一次重要测试。为了做到这一点,SLAC的团队使用了一个150微米的针孔来将图像投射到焦平面上。左图:针孔投影仪的原理图,它将罗曼斯科画家的精细纹理投射到焦平面上。右:SLAC的Utsumi Yousuke和Aaron Roodman在将第一张图像投影到焦平面上后,将针孔投影仪从低温恒温器上移除。使用本新闻稿底部的链接来探索完整分辨率的测试图像。资料来源:Greg Stewart/Jacqueline Orrell/SLAC国家加速器实验室

其中一项测试是给各种物体拍摄第一批3200万像素的图像,其中包括罗曼斯科植物的头部,罗曼斯科植物是一种花椰菜,因为其表面结构非常详细而被选中。为了做到这一点,SLAC的团队使用了一个150微米的针孔来将图像投射到焦平面上。这些照片可以在网上以全分辨率浏览(链接在发布的底部),展示了成像传感器捕捉到的非凡细节。

“拍摄这些照片是一项重大成就,”SLAC的Aaron Roodman说,他是负责组装和测试lst相机的科学家。“通过严格的规格,我们真正地推动了利用焦平面的每一平方毫米的可能极限,并最大限度地利用它。”

摄影队在主场

随着团队完成相机装配,更具挑战性的工作摆在面前。

在接下来的几个月里,他们将把带有焦平面的低温恒温器插入相机主体,并添加相机的镜头,包括世界上最大的光学镜头、快门和滤光片交换系统,用于研究不同颜色的夜空。到2021年年中,SUV大小的摄像头将在开始前往智利之前完成最终测试。

SLAC首席研究官兼基础物理实验室副主任乔安妮·休伊特(JoAnne Hewett)说:“摄像机即将完工是非常令人兴奋的,我们为在建造鲁宾天文台的这一关键组成部分中发挥如此重要的作用感到自豪。”。“这是一个里程碑,它使我们以前所未有的方式更接近于探索有关宇宙的基本问题。”

口径照相机组件

在接下来的几个月里,LSST相机团队将集成其余的相机组件,包括镜头、快门和滤光片交换系统。到2021年年中,SUV大小的摄像头将准备好进行最终测试。信贷:克里斯·史密斯/斯拉克国家加速器实验室

单击下面的链接,浏览使用LSST相机的焦平面以全分辨率拍摄的图像。按web viewer左上角的“+/-”按钮放大和缩小图像。这些图像中的特征将在本文底部解释

罗曼斯科的lst负责人罗曼内斯科负责人

LSST火焰雕刻弗拉马利翁出版社雕刻

维拉·鲁宾维拉·鲁宾

lst相机团队照片拼贴的lst相机团队照片

针孔投影仪图像的详细功能

口径衍射环

衍射环:

这些是由真空窗上的微小尘埃颗粒或微小缺陷造成的。它们以衍射环的形式出现,因为针孔投影仪产生了一束非常平行的光束,与鲁宾天文台的f# 1.23光束有很大不同。鲁宾天文台的图像不会有这样的衍射环。同时,当前的真空窗口也是一个测试窗口。最后的低温恒温窗口是第三照相机镜头,并已作出了比测试窗口更高的光学标准。它将于今年晚些时候安装。

这些衍射环是成对出现的,因为我们应用了一个简单的照明校正,从一张空白纸上拍摄的校准图像。对于每一个图像,我们必须移除和更换针孔投影仪,所以这些环不能在两个图像之间完美地对齐。

LSST宇宙线

宇宙射线:

你还可以在图像中看到许多宇宙射线;这些是次级电子或介子在图像中的小亮点或短条纹。这些都出现在所有的天文图像中,鲁宾天文台的图像将被检测和屏蔽。

这些照片的曝光时间为600秒,而我们计划的曝光时间为15秒,而且曝光时间越长,宇宙射线就越多。

口径反射

反射:

最后,在这些图像中有一个圆形反射,来自低温恒温器的内部。来自望远镜的光线将被整个lst摄像机屏蔽或阻挡,不应该到达低温恒温器的这部分。

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