Введение к работе
' '; ' - '.
Разработанный в конце 1969 г. в фирме Bell Telephone Laboratories (США) принцип переноса заряда в МДП-структурах явился основой для создания нового класса датчиков изображения - матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС), внедрение которых в оптическую астрономию в последующие годы произвело сильнейшее воздействие на методы астрономических наблюдений. Матрицы ФПЗС удачно сочетали в себе такое достоинство внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых структурах, как высокий квантовый выход, с принципами дискретизации изображения и формирования видеосигнала, реализованными на приборах с переносом заряда.
На протяжении двух десятилетий и по сей день происходит развитие технологии изготовления матриц ФПЗС, стимулируемое требованиями астрономии: от первых приборов с невысокой чувствительностью к малым числом элементов дискретизации изображения - до приборов, обеспечивающих шум считывания в несколько электронов на элемент, и с числом элементов более, чем 10 .
Современные фотоэлектронные измерительные системы при решении фото- и спектрофотометрических наблюдательных зада» должны обеспечивать точность регистрации светового потока, измеряемую долями процента, при работе с очень слабыми изображениями, когда на отдельный элемент датчика изображения поступают единицы или десятки квантов света в секунду. Низкий уровень входного оптического излучения предопределяет работу матрицы ФПЗС в режиме длительного накопления заряда с обязательным охлаждением для минимизации.влияния процесса термогенерации носителей заряда, свойственного полупроводниковым структурам. Из-за влияния космических частиц время накопления ограничено величиной в 10-30 минут. Таким образом, ' экспозиционная доза остается достаточно малой. К общим свойствам фото- и спектрофотометрического методов наблюдений слабых объектов с помощью ФПЗС относится необходимость суммирования цифровых изображений, полученных в отдельных экспозициях, для повышения отношения сигнал/шум (S/Ю, а также исправления неоднородности чувствитель-
ности посредством равномерных засветок ("плоское поле") от сумеречного неба. Это обязывает обеспечивать очень высокую стабильность во времени метрологических параметров ПЗС-системы во избежание ошибок, которые могут возникнуть при обработке данных. Достижение наилучших фотометрических параметров в этих условиях требует детального изучения всей совокупности механизмов возникновения систематических и случайных координатных, амплитудных и иных искажений, которые вносятся датчиком изображения на всех этапах преобразования светового потока в электрический, сигнал. Разработка таких принципов построения систем на матрицах ФПЗС и алгоритмов их работы, при которых воздействие искажающих факторов становится минимальным, обеспечит реализацию потенциальных возможностей матриц ФПЗС как наилучшего измерительного устройства для регистрации слабых изображений.
Очевидно, что при создании ПЗС-систем следует учитывать и особенности конкретных методов наблюдений.
Так, при получении прямых изображений основной вклад в шум изображения вносит фон неба и атмосферная турбулентность. В этом случае для улучшения отношения: S/N необходимо обеспечить согласование оптических передаточных функций системы атмосфера+телескоп и датчика изображения. С другой стороны, наличие фонового излучения может несколько снизить требования к собственному шуму датчика изображения и способствовать улучшению эффективности переноса заряда (Секен и Томсет, 1978).
В спектральных наблюдениях фоновая составляющая мала, а спектр пространственных частот регистрируемого изображения очень широк. Эти факторы требуют обеспечения предельно низкого собственного шума датчика изображения, а также высоких значений пространственного разрешения и однородности чувствительности в широкой полосе пространственных частот.
Для регистрации спектров низкого, среднего и высокого разрешения в САО разрабатываются спектрографы, ориентированные на работу с современными светоприемниками (Клочкова, Панчук, 1991; Афанасьев и др., 1992). Проведоние их исследований совместно с ПЗС-системой позволяет принимать более оптимальные конструктивные решения, оценивать предельные характеристики аппаратуры и разрабатывать методики контроля, обеспечивающие оптимальное исправление вносимых
искажений.
Общей задачей для различных «методов наблюдений на 6-м телескопе является автоматизация процесса наблюдений. Архитектура систем на основе матриц ПЗС должна обеспечивать гибкое управление режимами работы датчика изображения и сопутствующих электромеханических устройств, сбор большого объема информации, поступающей от системы регистрации, и быструю интерактивную сценку ео качества.
Эксперименты по исследованию матричных ФПЗС, создание на их основе систем для регистрации изображений и внедрение их в наблюдения на 6-м телескопе проводились автором с сотрудниками на протяжении 15 лет, и были тесно связаны с достижениями электронной промышленности в области технологии изготовления матричных ФПЗС - от различных приборов, основанных на технологии поверхностного переноса заряда, до высококачественных приборов с объемным каналом переноса заряда и виртуальной фазой.
Цль_работу
Целью работы является создание на основе криостатируемых матриц ФПЗС измерительных систем, обеспечивающих высокие чувствительность и фотометрическую точность, для цифровой регистрации слабых изображений в фотометрии и спектрофотометрии на 6-м телескопе.
Для обеспечения поставленной цели необходимо:
исследовать процесс формирования сигнала изображения в системе с преобразователем свет-сигнал - криостатируемой матрицей ФПЗС и механизмы возникновения систематических и случайных искажений сигнала;
разработать способы минимизации искажений и алгоритмы их коррекции;
разработать способы построения и принципы автоматизации фотометрической аппаратуры на матрице ФПЗС на основе результатов анализа процесса формирования сигнала изображения и условий наблюдений на 6-м телескопе;
разработать оорггзцы фотометрической пзс-аппаратуры и выполнить комплекс исследований их фотоэлектрических параметров;
выполнить исследования ПЗС-аппаратуры в схемах реальных методик наблюдений на 6-м телескопе - фотометрической и спектрофотометри-ческой.
Основныв_положениях_вындсимьт_на_защиту:
принципы построения высокочувствительной прецизионной автоматизированной системы на криостатированной матрице ФПЗС, основанные на оптимизации стратегии управления датчиком изображения и преобразования сигнала, а также функционально-потоковой архитектуре управления;
методика минимизации неэффективности переноса заряда в криоста-тируемой матрице ФПЗС для достижения максимального пространственного разрешения, основанная на учете влияния искажений потенциального рельефа в канале переноса заряда;
созданная на основе разработанных принципов автоматизированная система для цифровой регистрации прямых изображений на криостатированной матрице ФПЗС с поверхностным каналом переноса заряда;
созданная на основе разработанных принципов автоматизированная система для цифровой регистрации изображений на криостатированной матрице ФПЗС с виртуальной фазой и объемным каналом переноса заряда, предназначенная для широкого класса дпинноэкспозиционных наблюдений.
5УчВ55ІЙ_5ЕЇХич5і*3-В55ЇЬ__Еботьі
Разработаны принципы построения систем регистрации слабых изображений на матрицах ФПЗС, которые позволили создать аппаратуру с высокой фотометрической стабильностью и предельной чувствительностью, ограниченной практически только шумом выходного устройства ФПЗС. t ". ', -
Разрабрт&на методика минимизации неэффективности переноса заряда в криостатируемой матрице ФПЗС, которая обеспечивает на практике достижение, величины неэффективности переноса 5-ю" .
Созданы автоматизированные системы для цифровой регистрации слабых изображений и практически реализованы в наблюдениях на БТА, в том числе:
- внедрена в прямые наблюдения и находится в использовании в научных исследованиях с 1987 г. система на криостатированной матрице ФПЗС с поверхностным каналом с форматом 512 х 576 элементов, обеспечивающая шум считывания 38 е , квантовую эффективность 8 % в максимуме спектральной чувствительности и спектральный диапазон
400 --950 нм;
- внедрены в мультиобьектный, зшелле-спектроскопичоский, фото
метрический методы наблюдений три независимых варианта систем на
матрице ФПЗС с форматом 520 х 580 элементов с виртуальной фазой,
обеспечивающие Шум считывания около 18 е , квантовую эффективность
60% в максимуме и спектральный диапазон 350 - 1000 нм.
Результаты лабораторных и телескопных исследований систем на матрицах использованы в алгоритмах обработки изображений и положены в основу методик проведения наблюдений.
Система на криостатированной матрице ФПЗС с виртуальной фазой реализована в отдельном варианте для Шемахинскои астрофизической обсерватории АН Азербайджана.
5*?чный_ 5лад_ 5Ї2Р_ 5_P6jy Автором лично выполнены:
разработка принципов построения ПЗС-систем и их структур;
разработка методики минимизации неэффективности переноса заряда;
разработка отдельных методик лабораторных исследований фотоэлектрических характеристик матричных ФПЗС;
лабораторные и телескопные исследования фотоэлектрических характеристик ПЗС-систем;
разработка микропроцессорного контроллера матриц ФПЗС;
разработка интерфейсов, обеспечивающих связь с управляющей ЭВМ;
разработка программного обеспечения и протоколов обмена для реализации управления и сбора информации, поступающей от ПЗС-систем;
построение фотометрической системы В, V, R, I для фотометрии с ПЗС-системой на матрице с поверхностным переносом заряда.
Под руководством автора и при его личном участии выполнено:
проектирование систем на матрицах с поверхностным каналом переноса и виртуальной фазой;
конструирование криогенных и электромеханических устройств ПЗС-систем.
Автор принимал участие на всех этапах ввода ПЗС-систем в наблюдения на 6-м телескопе.
Апробация_работь!
Результаты работы докладывались на Всесоюзном совещании " Твердотельные и вакуумные приемники света и методы и средства обработки изображений" (Киев, 1985 г.), на Всесоюзном совещании "Большие телескопы СССР - проблемы эффективности" (п.Нижний Архыз, 1987 г.). на семинарах В САО АН СССР, ГАИШ, ШЛО АИ АзССР, Уральском гос. университете, ВНИИ Телевидения и ВНИИ "Электрон".
Структура_и_объем_диссертации
Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Общий объем диссертации jtj'b страниц, из них $ страниц текста, ^ страниц фотографий, рисунков и таблиц. Библиография содержит ^22s наименований.