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）紫外氣球任務和平臺的現狀
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用進行技術示范的步驟。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，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。這次任務的科學目標是調查銀河系平面內變化多端的熱致密星和耀斑中的M矮星。同時，該任務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。纜車的設計允許使用不同的儀器或望遠鏡。此外，根據歐洲平流層氣球觀測站（ESBO）的設想，它還被設計用于多次、更長時間的飛行。本文介紹了STUDIO平臺的設計、制造和測試現狀，并進一步介紹了目前的飛行計劃和Esrange的觀測結果。
圖文節選（1）
圖1.STUDIO望遠鏡和TIP組件
成像天文臺的光學載物由一個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節所述。
2.商用可見光相機pco.edge 4.2，主要作為閉環精細穩像系統中的跟蹤傳感器，它還將作為一個二級科學儀器，用于在可見光波段（350 nm–1000 nm）進行觀測。
有關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。此外，作為圖像穩定系統的一部分，TIP包含一個安裝在商用TIP/TILT平臺上的快速轉向鏡，以實現1弧秒的指向穩定性。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的探測器。在兩個儀器的前面各放置一個過濾轉盤。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……
圖文節選（4）
需要進行環境試驗來保證各部件在平流層條件下的可靠性。迄今為止，環境試驗主要在熱真空條件下進行測試。在組裝階段即將結束時，我們將對系統進行沖擊測試……到目前為止，熱真空實驗已成功在可見光相機（在下一節中描述）、濾光片輪（在第 4.6 節中描述）和反光漆樣品上進行……
4.4 相機的熱真空測試
STUDIO的穩像系統依賴于可見光跟蹤相機。同一臺相機將為科學案例提供多波長觀測能力，或在可見光譜范圍內為科學案例提供幫助。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的預算來說成本太高，因此考慮并最終選擇了一種未經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，以及幾次低至-30 °C接口溫度的溫度循環。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境條件。相機的CMOS傳感器由內置的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，一種被動冷卻系統正在被開發中，以用于 STUDIO 的飛行中。
在真空中界面溫度超過 17 °C 時，相機電子設備會在不使用液體冷卻系統時由于過熱而關閉Peltier冷卻器。此過程沒有對相機整體或其中任何內部組件造成明顯損壞。因為內部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重要的科學應用，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并符合數據表數值。正如預期的那樣，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 節所述。此外，它在真空和標準條件下都實現了數據表中關于圖像質量和噪聲的承諾。
綜上所述，pco.edge 4.2相機在STUDIO飛行期間能夠承受預期的環境條件，盡管在測試期間也出現一些限制。這些局限性主要涉及到沒有液體冷卻回路的真空冷卻，并且將在STUDIO的熱學設計中加以考慮。
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，以驗證其性能和數據表中給出的參數。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。
實驗表征在在環境溫度和壓力下、在5級潔凈室內進行，并使用積分球作為光源。大多數測量參數結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 光學組件極限星等所做的估計……預計該相機將與 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，對應于收集信號的 6 倍……早期模擬的結果表明，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果已被推斷得出……結果與早期估計一致……
關于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量和準確的測量結果。pco.edge 系列相機具有循環水制冷升級選項。
pco.edge 4.2 專門為需要超高量子效率、16位動態范圍、高幀速率、長曝光時間和極低讀出噪音的用戶精心設計。
基本參數： 熱穩定（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 緊湊機身設計: 102 x 79 x 70 mm3 可選項：水制冷系統
【關于PCO】
PCO于1987年誕生于德國，是高端科學級相機和高端工業相機系統的頂級技術和產品提供商，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）感光以及超高動態范圍等諸多成像相關之方向，具有獨特的核心技術優勢。其產品包含最新的高靈敏高性能的sCMOS相機、高畫質高速攝像機、增強型sCMOS相機、Two-Tap CMOS頻域FLIM相機等。
德國PCO相機和技術可廣泛應用于可見光、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、生命科學、工程、國防、工業以及光電科學、天文學等諸多領域。
元奧儀器作為德國PCO公司指定中國區代理商，熱情為各位客戶提供產品咨詢，售前售后服務。并提供樣機演示服務。歡迎各位客戶來電詳詢。