光學(xué)偵測元件課件

光學(xué)偵測元件光學(xué)偵測元件偵測器定義：能與星體輻射電磁波發(fā)生交互作用的元件電磁波包含了無線電、微波、紅外線、可見光、紫外光、X光、宇宙射線等等天文上最簡單的可見光偵測器：人眼瞳孔的大小約5mm，黑暗下完全張開約7mm，肉眼所能看到的極限星等約六等視覺暫留現(xiàn)象使我們所看的物體大約是處於1/20秒左右的曝光時(shí)間，曝光時(shí)間越長，可以看到越暗的星體，但是反應(yīng)速度會(huì)便慢，不利於生物競爭偵測器定義：偵測器量子效率(QuantumEfficiency;QE)入射光子不一定會(huì)和偵測器發(fā)生作用，發(fā)生作用的光子才能產(chǎn)生訊號QE=發(fā)生作用光子數(shù)/入射光子數(shù)人眼的QE只有1%左右，照相底片約2-4%即使光子與偵測器發(fā)生作用，不一定會(huì)被量測到，可能會(huì)在傳送或輸出過程中被遺失通常我們使用的是DetectiveQuantumEfficiency(DQE)=量測到光子數(shù)/入射光子數(shù)偵測器量子效率(QuantumEfficiency;QE底片十八世紀(jì)便已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用銀鹽(或稱為鹵化銀)作為感光物質(zhì)。氯化銀→硝酸銀→溴化銀底板的演進(jìn)：紙面→玻璃→賽璐璐→醋酸纖維現(xiàn)代的黑白底片的感光劑為溴化銀(AgBr)，但是某些底片是使用另外的鹵化銀，如氯化銀(AgCl)，碘化銀(AgI)。依其感光感度最敏感為：溴化銀>氯化銀>碘化銀底片十八世紀(jì)便已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用銀鹽(或稱為鹵化銀)作為感光物質(zhì)。底片溴化銀的分光感度對於藍(lán)光有反應(yīng)(400nm-510nm)，為了要和肉眼的分光感度大致一樣,所以必須加入另外的分光增感色素(Colorsensitization/Spectralsensitization)來延長綠、黃、紅色光的感色域在1873年由Vogel發(fā)現(xiàn)一種稱為Corallin(SodiumAurin)的色素可有效提昇感色性，形成全色片(Panchofilm)的特性底片溴化銀的分光感度對於藍(lán)光有反應(yīng)(400nm-510nm)底片溴化銀遇光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生離子化，使溴離子放出一帶負(fù)電的自由電子，此自由電子和帶正電荷的銀離子結(jié)合為不帶電的銀粒子後，形成銀粒子堆積，稱為潛像(LatentImage)潛像仍無法由肉眼所見，所以要以化學(xué)方式將潛像顯現(xiàn)出來→顯影底片溴化銀遇光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生離子化，使溴離子放出一帶負(fù)電的自底片決定底片感光度的機(jī)制：溴化銀結(jié)晶的大小底片曝光速度（感光度，ASA）常見的有50,64,100,200,400,800,1600,3200高ASA為高速底片反差較大、粒子粗低ASA為低速底片反差小、粒子細(xì)較適合放大分為三大類：黑白負(fù)片(BWnegative)、彩色負(fù)片(Colornegative)與彩色正片（Colorpositiveorslide)常見規(guī)格分為135、120(6×4.5、6×6、6×7、6×9、6×12)、4×5、8×10、10×12及APS幾種135底片的大小為36mm×24mm底片的QE值約在3%左右底片決定底片感光度的機(jī)制：溴化銀結(jié)晶的大小底片倒易律：曝光量=照明度(Intensity,I)×曝光時(shí)間(Exposuretime,t)一般的底片在極亮或極暗的情形下倒易律會(huì)失效→非線性天文攝影長時(shí)間曝光用的底片必須考量倒易律失效的情形底片倒易律：曝光量=照明度(Intensity,I)×曝光光電效應(yīng)/CLASSES/252/photoelectric_effect.html光電效應(yīng)http://www.phys.virginia.e光電倍增管(Photomultipliers,PMT)對紫外光、可見光和近紅外光敏感能使進(jìn)入的微弱光信號增強(qiáng)至原本的108，使光信號能被測量(QE~10%)光電倍增管(Photomultipliers,PMT)對紫天文偵測器的革命-CCD的誕生1970年由貝爾實(shí)驗(yàn)室(BellLab.)的Boyle與Smith所開發(fā)。由許多的「像元」(pixel)所組成。每個(gè)像元都是獨(dú)立的「光子偵測器」天文偵測器的革命-CCD的誕生1970年由貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bel1966,CharlesK.Kaomadeadiscoverythatledtoabreakthroughinfiberoptics.Hecarefullycalculatedhowtotransmitlightoverlongdistancesviaopticalglassfibers.Withafiberofpurestglassitwouldbepossibletotransmitlightsignalsover100kilometers,comparedtoonly20metersforthefibersavailableinthe1960s.In1969WillardS.BoyleandGeorgeE.Smithinventedthefirstsuccessfulimagingtechnologyusingadigitalsensor,aCCD(Charge-CoupledDevice).TheCCDtechnologymakesuseofthephotoelectriceffect,astheorizedbyAlbertEinsteinandforwhichhewasawardedthe1921year'sNobelPrize.Bythiseffect,lightistransformedintoelectricsignals.Thechallengewhendesigninganimagesensorwastogatherandreadoutthesignalsinalargenumberofimagepoints,pixels,inashorttime.TheCCDisthedigitalcamera'selectroniceye.Itrevolutionizedphotography,aslightcouldnowbecapturedelectronicallyinsteadofonfilm.SeePressRelease(新聞稿)/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html1966,CharlesK.KaomadeadiCCD原理透過光電效應(yīng)(Photoelectriceffect)將光子轉(zhuǎn)為電子光電效應(yīng)在1902年就已經(jīng)德國物理學(xué)家PhilippLenard所觀測到AlbertEinstein成功的解釋這個(gè)現(xiàn)象，贏得NobelPrize半導(dǎo)體、導(dǎo)體與絕緣體的能階半導(dǎo)體和絕緣體之間的差異在於兩者之間能隙（energybandgap）寬度不同，亦即電子欲從價(jià)帶跳入傳導(dǎo)帶（conductionband）時(shí)所必須獲得的最低能量不一樣。通常能隙寬度小於3電子伏特（eV）者為半導(dǎo)體，以上為絕緣體。利用半導(dǎo)體（通常為矽）作為「光子計(jì)數(shù)器」只要給予適當(dāng)?shù)碾妷?，形成位能井就可以將光電效?yīng)的電子鎖住在半導(dǎo)體的能隙中，而不被傳導(dǎo)帶移走。CCD原理透過光電效應(yīng)(Photoelectriceffe就種類來分有：線性(Linear)CCD矩陣(Matrix)CCD就種類來分有：QuantumEfficiencyWFPC2/HSTQuantumEfficiencyWFPC2/HSTChargeCollection,TransferandCountChargeCollection,TransferanBloomingandAnti-BloomingBlooming:當(dāng)電荷於量子井嚴(yán)重飽和時(shí)，會(huì)有溢出至周圍像元的現(xiàn)象溢出的方向視晶片本身的設(shè)計(jì)而定，有時(shí)是單軸有時(shí)是雙軸部分CCD會(huì)有anti-blooming的設(shè)計(jì)，通常是利用安裝在像元周圍的電極排出溢流的電子，但是還是會(huì)有chargediffusion發(fā)生BloomingandAnti-BloomingBlooCCD的優(yōu)點(diǎn)高線性度物理單位與量測數(shù)值易於轉(zhuǎn)換方便校準(zhǔn)高量子效率高動(dòng)態(tài)範(fàn)圍數(shù)位訊號，易於處理沒有化學(xué)程序、快速且安全CCD的問世與實(shí)用化，使得自1980年代起，大型望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)工作停滯了很長的一段時(shí)間！→蓋大望遠(yuǎn)鏡不如發(fā)展CCD技術(shù)CCD的優(yōu)點(diǎn)高線性度CCD的問世與實(shí)用化，使得自1980年代DarkCurrent由熱擾動(dòng)所形成的自由電子，在偏壓下即使不曝光都會(huì)累積成為電流與積分時(shí)間和溫度有關(guān)大約到-100℃以下時(shí)，暗電流可忽略不計(jì)大體上來說，每差7℃，暗電流大小會(huì)差一倍DarkCurrent由熱擾動(dòng)所形成的自由電子，在偏壓下即LiquidNitrogencooling液態(tài)氮沸點(diǎn)為-196℃，可以使CCD保持在-120~-150℃工作溫度需要有液態(tài)氮儲(chǔ)存槽(Dewar)，並且有熱絕緣裝置，因此體積非常龐大每24小時(shí)消耗2公升的液態(tài)氮，因此需要能夠經(jīng)常性的補(bǔ)充→後勤系統(tǒng)龐大透過金屬（通常是銅）降溫，為避免結(jié)露，需要較高的真空條件(~10-6Torr)，往往需要有Vacumnpump一起運(yùn)作LiquidNitrogencooling液態(tài)氮沸點(diǎn)為-DryIcecooling乾冰沸點(diǎn)為-80℃，可以使CCD保持在-50℃左右工作溫度也需要有Dewar，並且有熱絕緣裝置，因此體積非常龐大由於工作溫度較液態(tài)氮為高，因此由保麗龍絕緣即可，且危險(xiǎn)性較低實(shí)際應(yīng)用上，乾冰製造的設(shè)備較為簡單乾冰的溫度控制較不容易DryIcecooling乾冰沸點(diǎn)為-80℃，可以使CCThermoelectricCoolingThermaoelectriccouple（熱電偶）Peltiereffect：電流通過兩種不同的金屬導(dǎo)線之接合點(diǎn)時(shí)，接合點(diǎn)處產(chǎn)生放熱或吸熱之現(xiàn)象。又稱為Heatpump能源轉(zhuǎn)換效率低，只有40%~50%左右，其他的能量會(huì)透過jouleeffect轉(zhuǎn)換為熱ThermoelectricCoolingThermaoeTwostagecooling使用兩層Peltiermodule堆疊(Cascade)進(jìn)行冷卻耗電量相當(dāng)?shù)拇螅⌒枰渌妮o助散熱設(shè)備，如散熱片、氣冷風(fēng)扇、或是冷卻水管可以有效降低溫度達(dá)50℃Twostagecooling使用兩層Peltierm結(jié)霧的問題濕度高時(shí)，由於CCD周圍的低溫狀態(tài)便很容易發(fā)生