PCO 助力外太空觀測系列（1）：pco.edge 4.2 相機成功用于歐洲成像天文臺平流層紫外線演示器（STUDIO）
PCO 助力外太空觀測系列（1）：pco.edge 4.2 相機成功用于歐洲成像天文臺平流層紫外線演示器（STUDIO）
Status of the STUDIO UV balloon mission and platform
成像天文臺（STUDIO）紫外氣球任務(wù)和平臺的現(xiàn)狀
A. Pahler* a , M. ?ngermannb , 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
摘要翻譯
平流層氣球為在大氣限制的波長范圍內(nèi)進行觀測提供了方便和可負擔的平臺。同時，它們可以作為一個有效的、為儀器和其他硬件的未來空間應(yīng)用進行技術(shù)示范的步驟。成像天文臺（STUDIO）的平流層紫外演示器是一個氣球載物平臺任務(wù)，在0.5米孔徑望遠鏡上搭載成像微通道板（MCP）探測器。STUDIO目前計劃在2022年夏季在瑞典埃斯蘭熱上空飛行。有關(guān)紫外線（UV）探測器的詳細信息，請參閱Conti等人對本文的貢獻部分。這次任務(wù)的科學(xué)目標是調(diào)查銀河系平面內(nèi)變化多端的熱致密星和耀斑中的M矮星。同時，該任務(wù)還作為一個多功能和可擴展的天文氣球平臺以及上述MCP儀器的演示成果。纜車的設(shè)計允許使用不同的儀器或望遠鏡。此外，根據(jù)歐洲平流層氣球觀測站（ESBO）的設(shè)想，它還被設(shè)計用于多次、更長時間的飛行。本文介紹了STUDIO平臺的設(shè)計、制造和測試現(xiàn)狀，并進一步介紹了目前的飛行計劃和Esrange的觀測結(jié)果。
圖文節(jié)選（1）
圖1.STUDIO望遠鏡和TIP組件
成像天文臺的光學(xué)載物由一個50厘米孔徑的閉管望遠鏡組成，望遠鏡儀器臺（TIP）連接在望遠鏡的背面。這架望遠鏡是一架f/13構(gòu)造的改進型達爾-柯克漢姆望遠鏡。它具有一個50 cm的橢圓主鏡、一個球面次鏡和三個位于主鏡中心孔的用于場校正的透鏡。次鏡可通過三個可遠程操作的傳動裝置移動。它們用來移動望遠鏡的M2反射鏡，分辨率為~3 μm、 而望遠鏡的焦距在180 nm波長處為±30 μm。TIP包括兩個主要儀器:
1.先進的光子計數(shù)成像微通道板（MCP）探測器，在紫外線波段（180 nm–330 nm）進行觀察，如第3.3節(jié)所述。
2.商用可見光相機pco.edge 4.2，主要作為閉環(huán)精細穩(wěn)像系統(tǒng)中的跟蹤傳感器，它還將作為一個二級科學(xué)儀器，用于在可見光波段（350 nm–1000 nm）進行觀測。
有關(guān)相機的詳細信息及其在平流層中使用的資格，請參見第4.4節(jié)。此外，作為圖像穩(wěn)定系統(tǒng)的一部分，TIP包含一個安裝在商用TIP/TILT平臺上的快速轉(zhuǎn)向鏡，以實現(xiàn)1弧秒的指向穩(wěn)定性。分色鏡通過反射紫外光（180 nm–330 nm）和透射可見光（330 nm–1000 nm），將光束分為兩個通道。接下來，這兩個分離的光束，會通過使用高反射鏡重定向到相應(yīng)的探測器。在兩個儀器的前面各放置一個過濾轉(zhuǎn)盤。目前計劃在MCP探測器上使用一個Sloan U濾鏡，并且在可見光通道上使用幾個。還有可能集成額外的過濾裝置……
圖文節(jié)選（4）
需要進行環(huán)境試驗來保證各部件在平流層條件下的可靠性。迄今為止，環(huán)境試驗主要在熱真空條件下進行測試。在組裝階段即將結(jié)束時，我們將對系統(tǒng)進行沖擊測試……到目前為止，熱真空實驗已成功在可見光相機（在下一節(jié)中描述）、濾光片輪（在第 4.6 節(jié)中描述）和反光漆樣品上進行……
4.4 相機的熱真空測試
STUDIO的穩(wěn)像系統(tǒng)依賴于可見光跟蹤相機。同一臺相機將為科學(xué)案例提供多波長觀測能力，或在可見光譜范圍內(nèi)為科學(xué)案例提供幫助。由于在平流層條件下使用相機所需要的相機修改費用對于ESBO DS的預(yù)算來說成本太高，因此考慮并最終選擇了一種未經(jīng)修改的商用相機用于STUDIO。制造商提供了一臺pco. edge 4.2相機用于熱真空試驗，相機在沒有被進行任何內(nèi)部修改的情況下完成了試驗。
進行了四次低至3毫巴的壓力循環(huán)，以及幾次低至-30 °C接口溫度的溫度循環(huán)。這架相機沒有受到任何損壞，而且被證明能夠承受與平流層相似的環(huán)境條件。相機的CMOS傳感器由內(nèi)置的Peltier元件冷卻至5°C。對于進行的測試，相機使用液體進行冷卻。然而，液體冷卻回路被證明難以密封。因此，一種被動冷卻系統(tǒng)正在被開發(fā)中，以用于 STUDIO 的飛行中。
在真空中界面溫度超過 17 °C 時，相機電子設(shè)備會在不使用液體冷卻系統(tǒng)時由于過熱而關(guān)閉Peltier冷卻器。此過程沒有對相機整體或其中任何內(nèi)部組件造成明顯損壞。因為內(nèi)部Peltier元件不是用來加熱傳感器的，所以在界面溫度低于 -10 °C 時，CMOS 傳感器的溫度會下降到低于 5 °C。對于那些傳感器溫度恒定至關(guān)重要的科學(xué)應(yīng)用，可使用外部溫控器來幫助維持傳感器溫度……
為了驗證相機在這些極端條件下可以正常運行，拍攝了測試目標和暗幀的圖像。暗電流被證實與壓力無關(guān)并符合數(shù)據(jù)表數(shù)值。正如預(yù)期的那樣，暗電流在 -10 °C 時隨溫度下降減小到幾乎為零。除了熱真空測試之外，攝像機還在實驗室和空中進行了測試，如第 4.5 節(jié)所述。此外，它在真空和標準條件下都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)表中關(guān)于圖像質(zhì)量和噪聲的承諾。
綜上所述，pco.edge 4.2相機在STUDIO飛行期間能夠承受預(yù)期的環(huán)境條件，盡管在測試期間也出現(xiàn)一些限制。這些局限性主要涉及到?jīng)]有液體冷卻回路的真空冷卻，并且將在STUDIO的熱學(xué)設(shè)計中加以考慮。
4.5 相機的空中測試
在實驗室和空中對pco.edge 4.2相機進行了初步測試，以驗證其性能和數(shù)據(jù)表中給出的參數(shù)。我們的興趣主要集中在幀速率、噪聲、偏置噪聲、讀出噪聲和暗電流上。
實驗表征在在環(huán)境溫度和壓力下、在5級潔凈室內(nèi)進行，并使用積分球作為光源。大多數(shù)測量參數(shù)結(jié)果稍好于制造商所述。在全幅2048 x 2048分辨率的慢掃描中實現(xiàn)了35 fps的幀速率。在5 °C傳感器溫度下，只有0.36 電子/像素/秒的暗電流，測出了0.652 e-的讀出噪聲和47.20 e-的偏置噪聲……
在實驗室測試之后，使用該相機在空中進行了測試，以驗證對 STUDIO 光學(xué)組件極限星等所做的估計……預(yù)計該相機將與 STUDIO 50厘米望遠鏡一起使用，該望遠鏡的收集面積大約是其六倍，對應(yīng)于收集信號的 6 倍……早期模擬的結(jié)果表明，對于 STUDIO 望遠鏡和 PCO.edge 4.2 相機的組合，在 40 的 SNR下，進行 10 ms 的積分，可以達到 10.5（V 波段）的極限星等。使用商用望遠鏡的空中測試結(jié)果已被推斷得出……結(jié)果與早期估計一致……
關(guān)于pco.edge 4.2
pco.edge 4.2 具有新異的科研級CMOS（sCMOS）芯片，能提供清晰的圖像質(zhì)量和準確的測量結(jié)果。pco.edge 系列相機具有循環(huán)水制冷升級選項。
pco.edge 4.2 專門為需要超高量子效率、16位動態(tài)范圍、高幀速率、長曝光時間和極低讀出噪音的用戶精心設(shè)計。
基本參數(shù)： 熱穩(wěn)定（制冷）0 °C / +5 °C / +7 °C 超低中值讀出噪音0.8 e- 高分辨率2048 x 2048像素 動態(tài)范圍37 500 : 1 (CLHS, USB) / 33 000 : 1 (CL) 量子效率可達82 % 快門曝光時間: 100 μs to 20 s 最高幀速率100 fps 滾動快門或全域重置快門 光片成像 (Lightsheet) 模式 Camera Link HS 接口、全接口或者USB 3.0 接口 緊湊機身設(shè)計: 102 x 79 x 70 mm3 可選項：水制冷系統(tǒng)
【關(guān)于PCO】
PCO于1987年誕生于德國，是高端科學(xué)級相機和高端工業(yè)相機系統(tǒng)的頂級技術(shù)和產(chǎn)品提供商，在高靈敏、超低讀出噪聲、高幀速率、相機制冷、廣泛的可選曝光時間范圍、紫外（UV）到近紅外（NIR）感光以及超高動態(tài)范圍等諸多成像相關(guān)之方向，具有獨特的核心技術(shù)優(yōu)勢。其產(chǎn)品包含最新的高靈敏高性能的sCMOS相機、高畫質(zhì)高速攝像機、增強型sCMOS相機、Two-Tap CMOS頻域FLIM相機等。
德國PCO相機和技術(shù)可廣泛應(yīng)用于可見光、紫外光、近紅外光、熒光、弱光和單光子級信號的成像和定量分析，以及時間分辨、熒光壽命分析、高速和超高速成像等。其適用范圍涵蓋物理科學(xué)、生命科學(xué)、工程、國防、工業(yè)以及光電科學(xué)、天文學(xué)等諸多領(lǐng)域。
元奧儀器作為德國PCO公司指定中國區(qū)代理商，熱情為各位客戶提供產(chǎn)品咨詢，售前售后服務(wù)。并提供樣機演示服務(wù)。歡迎各位客戶來電詳詢。