АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К ПРИЕМНИКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ ПОЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА Т-170М ПРОЕКТА “СПЕКТР-УФ”
ÓÄÊ 1553
ÀÍÀËÈÇ ÒÐÅÁÎÂÀÍÈÉ Ê ÏÐÈÅÌÍÈÊÀÌ ÈÇËÓ×ÅÍÈß ÄËß ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÉ ÊÀÌÅÐÛ ÏÎËß ÊÎÑÌÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÒÅËÅÑÊÎÏÀ Ò-170Ì ÏÐÎÅÊÒÀ “ÑÏÅÊÒÐ-ÓÔ”
© 2008 ã.
Â. Ã. Ìåëüíèêîâ*,**; À. Ñ. Øóãàðîâ* ** Èíñòèòóò àñòðîíîìèè ÐÀÍ, Ìîñêâà ** ÍÏÎ èì. Ñ.À. Ëàâî÷êèíà, ã. Õèìêè Ìîñêîâñêîé îáë. ** E-mail: melnikov@laspace.ru, shugarov@inasan.ru
Ïðîâåäåí àíàëèç òðåáîâàíèé ê ïðèåìíèêó èçëó÷åíèÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà Ò-170Ì ïðîåêòà “Ñïåêòð-ÓÔ”. Ïðèâåäåí êðàòêèé îáçîð õàðàêòåðèñòèê ñîâðåìåííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, ðàññìàòðèâàåìûõ â êà÷åñòâå ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ â îïòè÷åñêîé êàìåðå. Äàíû ðåêîìåíäàöèè ïî ðåæèìàì ðàáîòû êàìåðû è îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ.
Êîäû OCIS: 040.1240, 040.1520, 040.7190.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 25.04.2008.
Ââåäåíèå
“Ñïåêòð-ÓÔ” – ýòî ìåæäóíàðîäíàÿ âíåàòìîñôåðíàÿ îáñåðâàòîðèÿ äëÿ íàáëþäåíèé â óëüòðàôèîëåòîâîé (ÓÔ) è îïòè÷åñêîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà. Êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï 170Ì, ïîñòðîåíûé ïî ñõåìå Ðè÷è– Êðåòüåíà ñ äèàìåòðîì ãëàâíîãî çåðêàëà 1,7 ì, áóäåò îñíàùåí ñïåêòðîãðàôàìè âûñîêîãî è íèçêîãî ðàçðåøåíèÿ, áëîêîì êàìåð ïîëÿ (ÁÊÏ) äëÿ ïîñòðîåíèÿ âûñîêîêà÷åñòâåííûõ èçîáðàæåíèé â ÓÔ è îïòè÷åñêîì äèàïàçîíàõ äëèí âîëí.
Öåëüþ äàííîé ñòàòüè ÿâëÿåòñÿ àíàëèç òðåáîâàíèé è îãðàíè÷åíèé, íàêëàäûâàåìûõ íà ïàðàìåòðû äåòåêòîðà îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ (ÎÊÏ), âõîäÿùåé â ñîñòàâ ÁÊÏ. Äàíû ðåêîìåíäàöèè ïî âûáîðó êîíêðåòíûõ òèïîâ ñîâðåìåííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, îïòèìàëüíûõ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â ÎÊÏ. Ïðîâåäåíà îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè êàìåðû â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ.
Íàó÷íûå çàäà÷è ÁÊÏ
Áëîê êàìåð ïîëÿ ïðåäíàçíà÷åí äëÿ èññëåäîâàíèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ îáúåêòîâ íà ïðÿìûõ ñíèìêàõ ó÷àñòêîâ çâåçäíîãî íåáà â óëüòðàôèîëåòîâîì è âèäèìîì äèàïàçîíàõ ñïåêòðà (110–700 íì) ñ ïîìîùüþ íàáîðà ôèëüòðîâ. Ñðåäè íàó÷íûõ çàäà÷, êîòîðûå ïðåäïîëàãàåòñÿ ðåøàòü ñ èñïîëüçîâàíèåì äàííûõ, ïîëó÷àåìûõ ÁÊÏ, ìîæíî îòìåòèòü: èññëåäîâàíèå ñòðóêòóðíûõ îñîáåííîñòåé îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ïðîáëåìó ñóùåñòâîâàíèÿ äèôôóçíîé èîíèçîâàííîé ñðåäû, ôèçèêó àêêðåöèîííûõ ïðîöåññîâ â àñòðîôèçè÷åñêèõ îáúåêòàõ, ôèçèêó ãîðÿ÷èõ çâåçä è çâåçäíûå âñïûøêè, íàáëþäåíèå ïëàíåòíûõ ïîëÿðíûõ ñèÿíèé â ÓÔ, íàáëþäåíèå ìàëûõ òåë â ÓÔ.
 çàâèñèìîñòè îò ðåøàåìîé íàó÷íîé çàäà÷è îò ÁÊÏ ìîæåò òðåáîâàòüñÿ âûñîêàÿ ôîòîìåòðè÷åñêàÿ
òî÷íîñòü, áîëüøàÿ ïðîíèêàþùàÿ ñïîñîáíîñòü, ìàêñèìàëüíîå óãëîâîå ðàçðåøåíèå, áîëüøîå ïîëå çðåíèÿ. Ïîñêîëüêó îáñåðâàòîðèÿ “Ñïåêòð-ÓÔ” ÿâëÿåòñÿ ìíîãîöåëåâîé, ïðè âûáîðå õàðàêòåðèñòèê ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ (ÏÈ) ÎÊÏ íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü îïòèìàëüíûé áàëàíñ ïàðàìåòðîâ, ÷òî ïîçâîëèò ðåøàòü ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûé êðóã íàó÷íûõ çàäà÷.
Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè ÁÊÏ è èõ ïðåäïîëàãàåìàÿ ðåàëèçàöèÿ
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðåäïîëàãàåòñÿ ðåàëèçàöèÿ ÁÊÏ â ñîñòàâå òðåõ êàìåð:
îïòè÷åñêîé (250–700 íì), áëèæíåãî óëüòðàôèîëåòà (150–280 íì), âàêóóìíîãî óëüòðàôèîëåòà (115–190 íì). Îïòè÷åñêàÿ êàìåðà áóäåò ðàáîòàòü ñ óäëèíåííûì ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì òåëåñêîïà (ñîîòâåòñòâóåò îòíîñèòåëüíîìó îòâåðñòèþ 1/28). Ëèíåéíûå ðàçìåðû äåòåêòîðà äîëæíû áûòü ïîðÿäêà 30×30 ìì. Ñðåäíÿÿ ïî ïîëþ ïîëóøèðèíà ôóíêöèè ðàññåÿíèÿ òî÷êè (ÔÐÒ) ñ ó÷åòîì ñòàáèëèçàöèè òåëåñêîïà îæèäàåòñÿ îêîëî 20 ìêì íà äëèíå âîëíû 500 íì. Òðåáîâàíèÿ ê âûáîðó ðàçìåðà ïèêñåëà ÎÊÏ ïðîòèâîðå÷èâû. Èõ íåîáõîäèìî îñóùåñòâëÿòü èñõîäÿ èç ñëåäóþùèõ êðèòåðèåâ: Ê1 – ìèíèìàëüíûå èñêàæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ âñëåäñòâèå åãî äèñêðåòèçàöèè. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò ðàçìåðó ýëåìåíòà äèñêðåòèçàöèè, ïèêñåëó – íå áîëåå 0,33 ïîëóøèðèíû ÔÐÒ [3], ïðè ýòîì ïîëíûé ðàçìåð ÔÐÒ ñîñòàâèò 6×6 ïèêñåëîâ ÏÇÑ. Ê2 – ìèíèìèçàöèÿ ïîãðåøíîñòè îöåíêè êîîðäèíàò öåíòðà ÔÐÒ ïðè ïðèåìëåìûõ èñêàæåíèÿõ èçîáðàæåíèÿ è ïðåäåëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè èíñòðóìåíòà. Ïðè ýòîì ÔÐÒ äîëæíà ïîêðûâàòü çîíó ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ðàçìåðîì 3×3 ïèêñåëà [5, 6].
54 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Ê3 – ìàêñèìàëüíàÿ ïðîíèöàþùàÿ ñïîñîáíîñòü èëè ïðåäåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü. Ïðè ýòîì ðàçìåð ÔÐÒ íå äîëæåí ïðåâîñõîäèòü îäíîãî ïèêñåëà ÏÇÑ.
Îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî åñëè ó÷åñòü îæèäàåìóþ ïîãðåøíîñòü ñòàáèëèçàöèè òåëåñêîïà, ðåàëèçàöèÿ êàìåð ïî êðèòåðèþ Ê1 íå äàåò ñóùåñòâåííûõ ïðåèìóùåñòâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåàëèçàöèåé ïî êðèòåðèþ Ê2. Âîçìîæíîñòü áèíèðîâàíèÿ ïèêñåëîâ, äîñòóïíàÿ äëÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, îáåñïå÷èâàåò ðåàëèçàöèþ ïî êðèòåðèþ Ê3 â ðàìêàõ êðèòåðèÿ Ê2. Ïîýòîìó â êà÷åñòâå îñíîâíîãî ïðè âûáîðå ïàðàìåòðîâ ÏÈ ïðèíèìàåì êðèòåðèé Ê2.
Òðåáîâàíèÿ ê âðåìåíè ýêñïîíèðîâàíèÿ è ñêîðîñòè ñ÷èòûâàíèÿ. Èç ïðèâåäåííîãî ñïèñêà íàó÷íûõ çàäà÷ ñëåäóåò, ÷òî ÎÊÏ â ïåðâóþ î÷åðåäü ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ïîëó÷åíèÿ òàê íàçûâàåìûõ “ãëóáîêèõ” ñíèìêîâ, ïðè ñúåìêå êîòîðûõ ñóììàðíîå âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ ìîæåò äîñòèãàòü îäíîãî ÷àñà è áîëåå. Äëÿ áîëüøèíñòâà íàó÷íûõ çàäà÷ â íàñòîÿùåå âðåìÿ òðåáîâàíèÿ ê ñêîðîñòè ïîëó÷åíèÿ êàäðîâ ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò è â çàâèñèìîñòè îò ðåøàåìîé íàó÷íîé çàäà÷è áîëåå ïîëíî íå ìîãóò áûòü ñôîðìóëèðîâàíû.
Òàêèì îáðàçîì, â ëþáîì ñëó÷àå ïðè ðåàëèçàöèè â êà÷åñòâå ÏÈ ÎÊÏ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ ðåêîìåíäóåòñÿ èñïîëüçîâàòü íèçêóþ ñêîðîñòü ñ÷èòûâàíèÿ ñèãíàëîâ (ïîðÿäêà 50–200 êÃö), ïðè êîòîðîé îáåñïå÷èâàåòñÿ ìèíèìàëüíûé øóì ñ÷èòûâàíèÿ.
Ðàçáèòèå ýêñïîçèöèè íà ñåðèþ ñóáýêñïîçèöèé. Ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ îäèíî÷íîé ýêñïîçèöèè ÎÊÏ ïðè ðàáîòå íà îðáèòå îãðàíè÷èâàåòñÿ âðåìåíåì, çà êîòîðîå äîñòèãàåòñÿ äîïóñòèìàÿ ïëîòíîñòü ñëåäîâ íà ñíèìêå, îáðàçóþùèõñÿ ïðè âîçäåéñòâèè êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö íà ÏÈ. Äëÿ WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2) òåëåñêîïà èì. Õàááëà ïëîòíîñòü ïîòîêà ÷àñòèö, îñòàâëÿþùèõ âèäèìûé ñëåä íà ñíèìêàõ, ïîëó÷åííûõ íà ÏÇÑ, ñîñòàâëÿåò 1,8 øò ñ–1 ñì–2. Ïðè ïîïàäàíèè â ÏÈ îäíîé ÷àñòèöû â ñðåäíåì íàáëþäàþòñÿ ñèãíàëû â 6 ñîñåäíèõ ïèêñåëàõ. Èçâåñòíûå àëãîðèòìû î÷èñòêè èçîáðàæåíèé îò ñëåäîâ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö ýôôåêòèâíî ðàáîòàþò, åñëè ñóììàðíàÿ ïëîùàäü ñëåäîâ ñîñòàâëÿåò 1–5% îò âñåé ïëîùàäè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà, ÷òî îãðàíè÷èâàåò âðåìÿ îäèíî÷íîé ýêñïîçèöèè 10 ìèíóòàìè.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ââèäó îòñóòñòâèÿ îêîí÷àòåëüíîé ÿñíîñòè â êîíñòðóêöèè ÎÊÏ è âî âñåõ åå ïàðàìåòðàõ íåâîçìîæíî ïðîâåñòè êîëè÷åñòâåííûé ðàñ÷åò ïîòîêà ÷àñòèö. Ïî âñåé âèäèìîñòè, ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ îäèíî÷íîãî ýêñïîíèðîâàíèÿ áóäåò ïðèìåðíî òàêèì æå, êàê è â WFPC2 òåëåñêîïà èì. Õàááëà, ò. å. ïîðÿäêà 10 ìèí. Ïîëó÷åíèå êàäðà ñ áîëüøåé ýêñïîçèöèåé âîçìîæíî ïóòåì ñóììèðîâàíèÿ ñèãíàëîâ íåñêîëüêèõ êàäðîâ, ïîëó÷åííûõ äðóã çà äðóãîì.
Òåìíîâîé òîê. Òåìíîâîé òîê ÏÈ íå äîëæåí âíîñèòü ñóùåñòâåííóþ ñîñòàâëÿþùóþ â îáùèé øóì ïðè ìàêñèìàëüíîì âðåìåíè ýêñïîçèöèè 1 ÷àñ.
Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí. Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí äåòåêòîðà ÎÊÏ ïî âîçìîæíîñòè äîëæåí áûòü êàê ìîæíî áîëüøèì, îäíàêî äàííûé ïàðàìåòð íå ÿâëÿåòñÿ ïðèîðèòåòíûì. Äîñòèæåíèå äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà áîëåå 10000:1 ìîæíî ñ÷èòàòü óñïåøíûì.
Ëèíåéíîñòü. Ëèíåéíîñòü ïðèåìíèêîâ ÁÊÏ ÿâëÿåòñÿ êðèòè÷åñêèì ïàðàìåòðîì, ïîñêîëüêó çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ñíèìêîâ áóäåò òðåáîâàòü ïîñëåäóþùåé òî÷íîé ôîòîìåòðè÷åñêîé íàó÷íîé îáðàáîòêè.
Êâàíòîâûé âûõîä. Èñõîäÿ èç íàó÷íûõ çàäà÷ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÁÊÏ äîëæíà áûòü ìàêñèìàëüíîé, ïîýòîìó íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ÏÈ ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûì êâàíòîâûì âûõîäîì.
Âðåìÿ æèçíè äåòåêòîðà. Äåòåêòîð äîëæåí ñîõðàíÿòü ïðèåìëåìûå õàðàêòåðèñòèêè â óñëîâèÿõ êîñìè÷åñêîé ðàäèàöèè â òå÷åíèå âñåãî âðåìåíè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ êîñìè÷åñêîãî àïïàðàòà (íå ìåíåå 5 ëåò).
Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí äåòåêòîðîâ îïòè÷åñêîé êàìåðû. Ïðåäïî÷òåíèå ñëåäóåò îòäàòü ïðèåìíèêàì ñ ðàñøèðåííûì â ñòîðîíó ÓÔ è ÈÊ äèàïàçîíîì.
×àñòè÷íîå ïåðåêðûòèå â ÓÔ äèàïàçîíå îáëàñòåé ÷óâñòâèòåëüíîñòè îïòè÷åñêèõ è ÓÔ êàìåð ïîçâîëèò óâåëè÷èòü äîñòîâåðíîñòü íàáëþäåíèé, à òàêæå ìîæåò ñëóæèòü ýëåìåíòîì ðåçåðâèðîâàíèÿ ñèñòåì êîñìè÷åñêîãî àïïàðàòà â ñëó÷àå îòêàçà îäíîé èç êàìåð.
Ïðîñòðàíñòâåííàÿ ìîäóëÿöèÿ äåòåêòîðà. Íåîäíîðîäíîñòü ÷óâñòâèòåëüíîñòè âíóòðè è ìåæäó ïèêñåëàìè ÏÈ äîëæíà áûòü ñâåäåíà ê ìèíèìóìó, ïîñêîëüêó ïðè îáðàáîòêå äàííûõ ñ ÁÊÏ âîçìîæíî èñïîëüçîâàòü ìàòåìàòè÷åñêèå àëãîðèòìû ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîãî óãëîâîãî ðàçðåøåíèÿ ñíèìêîâ. Äëÿ óëó÷øåíèÿ êà÷åñòâà îáðàáîòêè ñîñòàâíûõ ýêñïîçèöèé êàäðû ñóáýêñïîçèöèé îäíîãî è òîãî æå ó÷àñòêà íåáåñíîé ñôåðû ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû ñ èñêóññòâåííûìè ìèêðîñäâèãàìè èçîáðàæåíèÿ ïî ïîâåðõíîñòè ÏÈ ìåæäó îòäåëüíûìè êàäðàìè â ïðåäåëàõ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïèêñåëîâ.
Ðàçìåð ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Êàê ñêàçàíî âûøå, àâòîðû ñ÷èòàþò îïòèìàëüíûì âûáîð êðèòåðèÿ Ê2, ÷òî äëÿ ñóùåñòâóþùèõ îöåíîê êà÷åñòâà ÔÐÒ ñîîòâåòñòâóåò ðàçìåðó ïèêñåëà îêîëî 15 ìêì. Æåëàòåëüíî èìåòü âîçìîæíîñòü îïåðàòèâíîãî óâåëè÷åíèÿ ðàçìåðà ïèêñåëà âî âðåìÿ ïîëåòà, íàïðèìåð, èñïîëüçóÿ ðåæèì áèíèðîâàíèÿ äëÿ ÏÇÑïðèåìíèêà, äëÿ äîñòèæåíèÿ ìàêñèìàëüíîé ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòè íà îòäåëüíûõ ñíèìêàõ, à òàêæå äëÿ ñëó÷àÿ óõóäøåíèÿ îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ òåëåñêîïà âî âðåìÿ çàïóñêà èëè ïî èíûì òåõíè÷åñêèì ïðè÷èíàì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
55
Âûáîð òèïà ÏÈ äëÿ ÎÊÏ
 êà÷åñòâå ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ äëÿ ÎÊÏ ðàññìàòðèâàëèñü:
Ïðèåìíèêè íà áàçå ìèêðîêàíàëüíûõ ïëàñòèí ñ êîäèðóþùèì àíîäîì. Äàííûé âèä ÏÈ îáëàäàåò ïðèåìëåìûì êâàíòîâûì âûõîäîì, ìàëûì òåìíîâûì òîêîì, ïðàêòè÷åñêè íóëåâûì øóìîì ñ÷èòûâàíèÿ è äîñòàòî÷íî õîðîøî îòðàáîòàí. Ê íåäîñòàòêàì ñëåäóåò îòíåñòè îòñóòñòâèå ôèçè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ èçîáðàæåíèÿ (ïèêñåëîâ), ÷òî ïîòåíöèàëüíî ìîæåò ïðèâîäèòü ê ãåîìåòðè÷åñêèì èñêàæåíèÿì; íàëè÷èå ýôôåêòà íàñûùåíèÿ è ñóùåñòâîâàíèå ìåðòâîãî âðåìåíè, ÷òî óìåíüøàåò äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí; ñëîæíîñòü ðåàëèçàöèè.
Ïðèåìíèêè íà îñíîâå àêòèâíîé ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêè. Òâåðäîòåëüíûå ÏÈ íà áàçå àêòèâíîé ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêè àêòèâíî ðàçâèâàþòñÿ â ïîñëåäíèå ãîäû. Îíè îòëè÷àþòñÿ ïðîñòîòîé, îòíîñèòåëüíîé äåøåâèçíîé è äîñòàòî÷íî âûñîêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè. Âìåñòå ñ òåì â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïî-ïðåæíåìó íå óäàåòñÿ ïîíèçèòü óðîâåíü øóìîâ ñ÷èòûâàíèÿ è ïîäíÿòü êâàíòîâûé âûõîä ïðèåìíèêîâ íà áàçå ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêè äî óðîâíÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ. Åùå îäíèì íåäîñòàòêîì òàêèõ ÏÈ ÿâëÿåòñÿ íåðàâíîìåðíîñòü ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïî ïèêñåëó èç-çà íàëè÷èÿ â êàæäîì ïèêñåëå (àêòèâíîé ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêå) äîïîëíèòåëüíîé ýëåêòðîííîé ñõåìû ñ÷èòûâàíèÿ ñèãíàëà.
Ïðèåìíèêè ñ çàðÿäîâîé ñâÿçüþ (ÏÇÑ).  íàñòîÿùåå âðåìÿ ÏÇÑ ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûì âèäîì ïðèåìíèêîâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ âûñîêîòî÷íûõ àñòðîíîìè÷åñêèõ äàííûõ â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå ñïåêòðà äëÿ íàçåìíûõ è ìíîãèõ êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Ñîâðåìåííûå ÏÇÑ îáëàäàþò î÷åíü âûñîêîé ÷óâñòâèòåëü-
íîñòüþ, âûñîêèìè ëèíåéíîñòüþ è ñòàáèëüíîñòüþ, áîëüøèì äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì.
Äîëãîå âðåìÿ ðàäèàöèîííàÿ ñòîéêîñòü ÏÇÑ áûëà íåäîñòàòî÷íî âûñîêîé äëÿ ïðîäîëæèòåëüíûõ êîñìè÷åñêèõ ìèññèé, îäíàêî â ïîñëåäíåå âðåìÿ ïîÿâèëèñü è äîñòàòî÷íî õîðîøî îòðàáîòàíû ÏÇÑ, ñïîñîáíûå ðàáîòàòü â ðåæèìå MPP (Multi-pinned phase), ÷òî ïîçâîëèëî ñóùåñòâåííî óìåíüøèòü òåìíîâîé òîê è ïîäíÿòü ðàäèàöèîííóþ ñòîéêîñòü ÏÇÑ äî ïðèåìëåìîãî óðîâíÿ.
Ïðè âûáîðå ìåæäó ðàçëè÷íûìè ïîñòðîåíèÿìè ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ (÷òåíèå ïîëíîãî êàäðà, ïåðåíîñ êàäðà, ìåæñòðî÷íûé ïåðåíîñ) íåîáõîäèìî èñõîäèòü èç ïîñòàâëåííûõ íàó÷íûõ çàäà÷ ÎÊÏ. Òðåáîâàíèå ìàêñèìàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÏÈ, ðàâíîìåðíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè âíóòðè îäíîãî ïèêñåëà è îòñóòñòâèå òðåáîâàíèé ïî âûñîêîé ñêîðîñòè ñ÷èòûâàíèÿ äåëàþò ïðåäïî÷òèòåëüíûì èñïîëüçîâàíèå ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ ñ ÷òåíèåì ïîëíîãî êàäðà.  ýòîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî ââåäåíèå â ñîñòàâ ÎÊÏ ìåõàíè÷åñêîãî çàòâîðà äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ïîÿâëåíèÿ â ïðîöåññå ñ÷èòûâàíèÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà “ñìàçà” îò ÿðêèõ îáúåêòîâ, óõóäøàþùèõ òî÷íîñòü ôîòîìåòðè÷åñêîé îáðàáîòêè èçîáðàæåíèé.
 òàáë. 1 ïðèâåäåíû ñðåäíèå ïàðàìåòðû, äîñòèãàåìûå ó ëó÷øèõ îáðàçöîâ ÏÈ òðåõ òèïîâ. Àíàëèç äàííûõ ïîêàçûâàåò, ÷òî ó äåòåêòîðîâ íà áàçå òåõíîëîãèè ÏÇÑ äîñòèãàåòñÿ ìàêñèìàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü, ñòàáèëüíîñòü è ëèíåéíîñòü. Íåîáõîäèìîñòü èñïîëüçîâàíèÿ äîïîëíèòåëüíîãî îõëàæäåíèÿ è çàùèòû îò ðàäèàöèè â ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ ÏÇÑ íåèçáåæíî ïðèâîäèò ê óñëîæíåíèþ êîíñòðóêöèè ÁÊÏ, îäíàêî îíî îáîñíîâàíî, ïîñêîëüêó îñíîâíîé çàäà÷åé ÁÊÏ ÿâëÿåòñÿ ïîëó÷åíèå âûñîêîêà÷åñòâåííûõ
Òàáëèöà 1. Ñðàâíåíèå õàðàêòåðèñòèê ðàçëè÷íûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ äëÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ
Ïàðàìåòð
ÏÇÑ
ÊÌÎÏ
ÌÊÏ
Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí Êâàíòîâûé âûõîä Ôîðìàò Ðàçìåð ïèêñåëà, ìêì Øóì ñ÷èòûâàíèÿ, e– ÑÊÎ Òåìíîâîé òîê, e– ïðè +20 °Ñ Åìêîñòü ÿ÷åéêè, e– Ñêîðîñòü ñ÷åòà, èìï/ñåê. Ðàäèàöèîííàÿ ñòîéêîñòü Ðàáî÷àÿ òåìïåðàòóðà, °Ñ Ðåñóðñ ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõí., ôîò./ìì2 Îõëàæäåíèå Îïûò ïðèìåíåíèÿ äåòåêòîðà Âûñîêîâîëüòíûé èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ
Âèäèìûé, ÓÔ äî 90% äî 4×4 ê 6–24 >2 100
70 ê–300 ê —
íèçêàÿ, ñðåäíÿÿ äî –120 — äà âûñîêèé íåò
âèäèìûé äî 50% 3×4 ê è áîëåå
3–15 20–30
500 60 ê–300 ê
— ñðåäíÿÿ, âûñîêàÿ
äî –85 — äà
ìàëûé íåò
ÓÔ, âèäèìûé ≈20% 2×2 ê 15–30 — 0,01 — 3×105
âûñîêàÿ +20 1011
íåò (äà) ñðåäíèé
äà
56 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Òàáëèöà 2. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû èçáðàííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ
Íàçâàíèå, ôèðìàèçãîòîâèòåëü
Ðàçìåð ïèêñåëà, ìêì
Ðàçìåð ñâåòî÷óâñòâè-
òåëüíîé
Ôîðìàò
Îáðàò. îñâåù.
ÌÐÐ
Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí, íì
Êâàíò. âûõîä, %
Øóì ñ÷èò., Åìêîñòü e– ÑÊÎ ÿ÷åéêè, 103 e–
Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí
îáëàñòè, ìì
Òåìíîâîé òîê 250 e– +20 °C 200 e– +20 °C
CCD 42-40 E2V 2048×2048 13,5
27,6×27,6 + + 200–1060 75–90
3
100
33333:1
CCD55-20 E2V 770×1152 22,5 17,3×25,9 + + 200–1100 í/ä 3
450
133000:1
CCD 55-30 E2V 1252×1152 22,5
28×26 — + 420–1060 45 3,8
400
133000:1
200 e– +20 °C
Êîë-âî âûõîäíûõ óñèëèòåëåé
2 1 Hi gain 1 Low gain 1 Hi gain 1 Low gain
2 2 Low noise 2 Hi speed
4 2 Low noise 2 Hi speed 2 Low noise 2 Hi speed
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
CCD 47-10 E2V 1024×1024 13,3 13,3×13,3 + + 200–1100 65 2
100 100
50000:1 25000:1
250 e– +20 °C 25 ïÀ/ñì2 +25 °C
CCD447 Fairchild 2048×2048 15
30,7×30,7 + + 200–1100 90
4
SI-424A SITe 2048×2048 24
49×49
+
+ 200–1100
70
7
200 350
28000:1 70000:1
50 ïÀ/ñì2 +20 °C 50 ïÀ/ñì2 +20 °C
SI033B SITe
1024×1024 24
24,6×24,6 + + 200–1100 80
7
S100A SITe
2048×2048 12
24,6×24,6 + + 200–1100 80
6
110
70000:1 10 ïÀ/ñì2 +20 °C
ñíèìêîâ ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòüþ è óãëîâûì ðàçðåøåíèåì.
Òàêèì îáðàçîì, â êà÷åñòâå ÏÈ äëÿ ÎÊÏ ðåêîìåíäóåòñÿ èñïîëüçîâàòü ïîäõîäÿùèå ïî ãåîìåòðè÷åñêèì ðàçìåðàì ñîâðåìåííûå ÏÇÑ-ïðèåìíèêè ñ óâåëè÷åííîé ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòüþ, ìàêñèìàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ è øèðîêèì ñïåêòðàëüíûì äèàïàçîíîì.
Îáçîð äîñòóïíûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, èõ ïàðàìåòðû
Âåäóùèìè ïðîèçâîäèòåëÿìè ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ äëÿ íàó÷íûõ öåëåé ÿâëÿþòñÿ êîìïàíèè E2V Òechnologies, Fairchild Imaging, SITe, Kodak, Sony, Atmel, Hamamatsu, ÍÏÎ “Ýëåêòðîí”.
 ñîîòâåòñòâèè ñ òðåáîâàíèÿìè äëÿ ÎÊÏ, ÏÈ äîëæåí èìåòü ðàçìåð ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé îáëàñòè îêîëî 30×30 ìì2, ñîõðàíÿòü ðàáîòîñïîñîáíîñòü ïðè òåìïåðàòóðàõ ïîðÿäêà –70 °Ñ è îáåñïå÷èâàòü ìàêñèìàëüíóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü. ÏÇÑ ñ óêàçàííûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ñåðèéíî âûïóñêàþòñÿ òîëüêî òðåìÿ ôèðìàìè: E2V Òechnologies, Fairchild Imaging, SITe.
 òàáë. 2 ïðåäñòàâëåíû îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè èçáðàííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, ïðèâîäèìûå â ìàòåðèàëàõ ôèðì-èçãîòîâèòåëåé [10, 11, 12].
Íà ðèñ. 1, 2, 3 ïðèâåäåíû ñïåêòðàëüíûå êðèâûå äëÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ CCD42-40, CCD447 è CCD S100A ñîîòâåòñòâåííî.
100 24
80 1
3
60 5
Êâàíòîâûé âûõîä, %
40
20
0 200 400 600 800
λ, íì
Ðèñ. 1. Êâàíòîâûé âûõîä CCD 42-40 ñ îáðàòíûì îñâåùåíèåì. 1 – ÓÔ-ïîêðûòèå, 2 – óëó÷øåííîå øèðîêîïîëîñíîå ïîêðûòèå, 3 – îáû÷íîå øèðîêîïîëîñíîå ïîêðûòèå, 4 – ñðåäíåïîëîñíîå ïîêðûòèå, 5 – áåç ïîêðûòèÿ.
57
Ðåêîìåíäóåìûå ÏÇÑ-ïðèåìíèêè äëÿ ÎÊÏ
Ñðåäè íàèáîëåå ïîäõîäÿùèõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ äëÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ìîæíî âûäåëèòü CCD 4240, CCD447, S100A. Óêàçàííûå ÏÈ èìåþò øèðîêèé ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí, ïîêðûâàþùèé áëèæíèé ÓÔ è ÈÊ, âûñîêèé êâàíòîâûé âûõîä, íèçêèé óðîâåíü øóìîâ è ìîãóò ðàáîòàòü â ðåæèìå MPP, îáåñïå÷èâàÿ ïðèåìëåìûå ïàðàìåòðû ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòè. ÏÇÑ-ïðèåìíèêè ñ îáðàòíîé çàñâåòêîé îáëàäàþò áîëüøèì êâàíòîâûì âûõîäîì, îñîáåííî â îáëàñòè áëèæíåãî óëüòðàôèîëåòà (ðèñ. 2, 3).
Ïî îòäåëüíîìó çàêàçó íà ïîâåðõíîñòü ÏÇÑ-äåòåêòîðà ìîæåò áûòü íàíåñåí äîïîëíèòåëüíûé ñëîé,
Êâàíòîâûé âûõîä, %
100 1 80 60 40 20 0 400
2 3 600 800
λ, íì
Ðèñ. 2. Êâàíòîâûé âûõîä CCD447. 1 – îáðàòíîå îñâåùåíèå è ÓÔ-ïîêðûòèå, 2 – îáðàòíîå îñâåùåíèå è øèðîêîïîëîñíîå ïîêðûòèå, 3 – ïðÿìîå îñâåùåíèå áåç ïîêðûòèÿ.
Êâàíòîâûé âûõîä, %
100 1
80
60
2 40
20
0 200 400 600
800 λ, íì
Ðèñ. 3. Êâàíòîâûé âûõîä CCD S100A. 1 – îáðàòíîå îñâåùåíèå, 2 – ïðÿìîå îñâåùåíèå.
óâåëè÷èâàþùèé êâàíòîâûé âûõîä ÏÈ äëÿ îïðåäåëåííûõ äëèí âîëí (îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ óâåëè÷åíèÿ ÓÔ-÷óâñòâèòåëüíîñòè). Íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ ïîäîáíûõ ïîêðûòèé äëÿ ÏÈ ÎÊÏ òðåáóåò áîëåå äåòàëüíîé ïðîðàáîòêè.
 ñëó÷àå, åñëè îêîí÷àòåëüíûé ðàñ÷åò îïòè÷åñêîãî òðàêòà ÎÊÏ ïîêàæåò óâåëè÷åíèå ïîëóøèðèíû ÔÐÒ, âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ CCD55-20 è SI033B, õàðàêòåðèñòèêè êîòîðûõ áëèçêè ê ðåêîìåíäîâàííûì CCD 42-40 è S100A ñîîòâåòñòâåííî, çà èñêëþ÷åíèåì óâåëè÷åííîãî ðàçìåðà ïèêñåëà (òàáë. 4).
Ðåæèìû ýêñïëóàòàöèè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà â ñîñòàâå ÎÊÏ
Îõëàæäåíèå è íàãðåâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà. Ïðè ðàáîòå ñ äëèòåëüíûìè ýêñïîçèöèÿìè äî 1 ÷àñà òåìíîâîé òîê ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äîëæåí áûòü íå áîëåå 0,01 e– ñ–1 ïêñ–1, ÷òî äëÿ ðåêîìåíäîâàííûõ òèïîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ ñîîòâåòñòâóåò ðàáî÷åé òåìïåðàòóðå â äèàïàçîíå –60––80 °Ñ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàññìàòðèâàþòñÿ äâà ñïîñîáà îõëàæäåíèÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äî óêàçàííûõ òåìïåðàòóð: ìíîãîñòóïåí÷àòûì òåðìîýëåêòðè÷åñêèì îõëàäèòåëåì èëè ñ ïîìîùüþ âíåøíåãî ðàäèàòîðà.
Ïîä âîçäåéñòâèåì ðàäèàöèè â ñòðóêòóðå ÏÇÑïðèåìíèêà îáðàçóåòñÿ áîëüøîå ÷èñëî àíîìàëüíûõ çîí, ïðèâîäÿùèõ ê ïîÿâëåíèþ “ãîðÿ÷èõ” ïèêñåëîâ, óõóäøåíèþ êîýôôèöèåíòà ïåðåíîñà çàðÿäà, îáðàçîâàíèþ ýëåêòðîííûõ ëîâóøåê.
Êàê ïîêàçûâàåò îïûò ðàáîòû êàìåð òåëåñêîïà èì. Õàááëà, íàãðåâ ÏÇÑ-êðèñòàëëà äî òåìïåðàòóðû +20 °C â òå÷åíèå íåñêîëüêèõ ÷àñîâ ïîçâîëÿåò íåéòðàëèçîâàòü áîëüøóþ ÷àñòü íîâûõ “ãîðÿ÷èõ” ïèêñåëîâ, à òàêæå ñïîñîáñòâóåò î÷èñòêå ïîâåðõíîñòè ÏÇÑ-êðèñòàëëà îò çàãðÿçíåíèé, îñàæäàþùèõñÿ íà õîëîäíîé ïîâåðõíîñòè. Ïåðèîäè÷íîñòü äàííîé ïðîöåäóðû íàãðåâà ñîñòàâëÿåò îäèí ìåñÿö.
Òàêèì îáðàçîì, êîíñòðóêöèÿ ÎÊÏ äîëæíà îáåñïå÷èâàòü âîçìîæíîñòü ïåðèîäè÷åñêîãî íàãðåâà ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äî òåìïåðàòóðû ïîðÿäêà +20 °Ñ.
Ðàäèàöèîííàÿ çàùèòà. Ðåêîìåíäóåòñÿ èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèêè ñ óâåëè÷åííîé ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòüþ, ðàáîòàþùèå â ðåæèìå MPP, à òàêæå èñïîëüçîâàòü äîïîëíèòåëüíîå ýêðàíèðîâàíèå.
Ýôôåêòèâíîñòü ïåðåíîñà. Äëÿ óìåíüøåíèÿ ýôôåêòîâ, ñâÿçàííûõ ñ íåýôôåêòèâíîñòüþ ïåðåíîñà çàðÿäà, âîçìîæíî ñ÷èòûâàíèå ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ñ èñïîëüçîâàíèåì íåñêîëüêèõ ñ÷èòûâàþùèõ óñòðîéñòâ.
Èñêóññòâåííûå ìèêðîñäâèãè. Äëÿ óëó÷øåíèÿ êà÷åñòâà ôèëüòðàöèè èçîáðàæåíèÿ îò ñëåäîâ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö è ó÷åòà äåôåêòîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ðåêîìåíäóåòñÿ ðàçáèâàòü êàæäóþ ýêñïîçèöèþ íà 2
58 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
èëè áîëåå ñóáýêñïîçèöèè ñ ââåäåíèåì èñêóññòâåííûõ ìèêðîñäâèãîâ èçîáðàæåíèÿ ïî ïîâåðõíîñòè ÏÈ ìåæäó îòäåëüíûìè êàäðàìè â ïðåäåëàõ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïèêñåëîâ. Ïîäîáíûå ìèêðîñäâèãè ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû ïóòåì ïåðåíàâåäåíèÿ òåëåñêîïà.
Êàëèáðîâêà ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ÎÊÏ. Äëÿ êàëèáðîâêè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ÎÊÏ â ïðîöåññå ïîëåòà íåîáõîäèìî ïåðèîäè÷åñêîå ïîëó÷åíèå êàäðîâ êàëèáðîâîê: êàäðîâ ïîäëîæêè (bias), êàäðîâ òåìíîâîãî òîêà (dark), êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ (flat field).
Êàäðû ïîäëîæêè è òåìíîâîãî òîêà âîçìîæíî ïîëó÷àòü ñ çàêðûòûì çàòâîðîì êàìåðû è, âîçìîæíî, ñ çàêðûòîé êðûøêîé òåëåñêîïà. Äëÿ ôèëüòðàöèè ñëåäîâ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö ðåêîìåíäóåòñÿ ïîëó÷åíèå íåñêîëüêèõ êàäðîâ ïîäðÿä ñ ïîñëåäóþùåé îáðàáîòêîé.
Ñ ïîìîùüþ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ó÷åò íåðàâíîìåðíîñòè ÷óâñòâèòåëüíîñòè îòäåëüíûõ ïèêñåëîâ, à òàêæå íåîäíîðîäíîñòè, ñâÿçàííûõ ñ îïòè÷åñêîé ñèñòåìîé òåëåñêîïà.
Âî âðåìÿ íàçåìíûõ èñïûòàíèé òåëåñêîïà âîçìîæíî ïîëó÷åíèå áàçîâûõ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ.
 óñëîâèÿõ êîñìè÷åñêîãî ïîëåòà ïîëó÷åíèå ïðÿìûõ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî, ïîñêîëüêó äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìà ðàâíîìåðíàÿ çàñâåòêà òåëåñêîïà ñ âíåøíåé ñòîðîíû. Òåì íå ìåíåå, êàäðû ïëîñêîãî ïîëÿ ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû ïóòåì êîìáèíàöèè êàäðîâ, ïîëó÷åííûõ ðàçíûìè ñïîñîáàìè, àíàëîãè÷íî òîìó, êàê ýòî ïðîèñõîäèò íà òåëåñêîïå èì. Õàááëà.
 êàäðå ïëîñêîãî ïîëÿ ìîæíî óñëîâíî âûäåëèòü âûñîêî÷àñòîòíóþ ñîñòàâëÿþùóþ, ñâÿçàííóþ ñ íåîäíîðîäíîñòüþ ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñîñåäíèõ ïèêñåëîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà, è íèçêî÷àñòîòíóþ, ñâÿçàííóþ ñ îïòè÷åñêîé ñèñòåìîé, áëèêàìè, ïûëèíêàìè è ò.ï.
Ïîëó÷åíèå êàäðîâ âûñîêî÷àñòîòíîé ñîñòàâëÿþùåé âîçìîæíî ïðè âêëþ÷åíèè â ñîñòàâ êàìåðû êàíàëà êàëèáðîâêè, ñîñòîÿùåãî èç ëàìï îïòè÷åñêîãî è ÓÔ äèàïàçîíîâ è äîïîëíèòåëüíîé îïòèêè.
Íèçêî÷àñòîòíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ìîæåò áûòü ïîëó÷åíà èç àíàëèçà ìíîãîêðàòíûõ ñíèìêîâ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé. Òàêæå ñòîèò ðàññìîòðåòü âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ êàäðîâ ïîâåðõíîñòè çåìëè.
Èòîãîâûé êàëèáðîâî÷íûé êàäð ïëîñêîãî ïîëÿ ìîæíî ñêîìáèíèðîâàòü èç êàäðîâ, ïîëó÷åííûõ âñåìè ðàññìîòðåííûìè âûøå ñïîñîáàìè.
Îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ
Îöåíêó ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðîâåäåì äëÿ òî÷å÷íîãî àñòðîíîìè÷åñêîãî îáúåêòà.  êà÷åñòâå ÏÈ áóäåì èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèê ñ îáðàòíûì îñ-
âåùåíèåì è ðàçìåðîì ïèêñåëà 15×15 ìêì, òåìíîâûì òîêîì 0,01 e– ñ–1 ïêñ–1, øóìîì ñ÷èòûâàíèÿ 5 e– (ÑÊÎ). Âîñïîëüçóåìñÿ ñëåäóþùèìè ñòàíäàðòíûìè ôîðìóëàìè:
Îòíîøåíèå ñ/ø äëÿ âñåãî èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà îïðåäåëÿåòñÿ êàê
( )S/N = nλ knd + nBG + kbin Rn2 + SL + nλ , (1)
ãäå nλ – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò îáúåêòà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ, nd – êîëè÷åñòâî òåìíîâûõ ýëåêòðîíîâ (nd = DNt), SL – ðàññåÿííûé ñâåò, nBG – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò ôîíà íåáà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ (nBG = Bkt), B – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò ôîíà íåáà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà 1 ñ â îäíîì ïèêñåëå, Rn – øóì ñ÷èòûâàíèÿ, t – âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ, k – ÷èñëî ïèêñåëîâ â èçîáðàæåíèè èñòî÷íèêà, kbin – ÷èñëî ïèêñåëîâ â èçîáðàæåíèè èñòî÷íèêà ñ ó÷åòîì áèíèðîâàíèÿ, DN – òåìíîâîé òîê ïðè çàäàííîé òåìïåðàòóðå (T °Ñ) ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ.
Ïðåäâàðèòåëüíî îöåíèâàåòñÿ óðîâåíü ñèãíàëà îò ýòàëîíèðîâàííîãî èñòî÷íèêà (ôîíà), êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ êàê
nλ = St,
(2)
S = Def∂N(Δλ)τ(Δλ)Δλ,
(3)
ãäå S – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò îáúåêòà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà 1 ñ, Def – ýôôåêòèâíàÿ àïåðòóðà (ïëîùàäü çåðêàëà), ∂ – äîëÿ ýíåðãèè èçîáðàæåíèÿ çâåçäû (ôîíà) â èñïîëüçóåìîé îáëàñòè ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ, N(Δλ) – ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ôîòîííîé îñâåùåííîñòè îò çâåçäû íà âõîäå òåëåñêîïà â çàäàííîé ïîëîñå äëèí âîëí, τ(Δλ) – ñïåêòðàëüíîå ïðîïóñêàíèå îïòè÷åñêîé ñèñòåìû (òåëåñêîï è âñïîìîãàòåëüíûå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû ÎÊÏ, âêëþ÷àÿ ôèëüòðû) â çàäàííîé ïîëîñå äëèí âîëí, Δλ – øèðèíà èñïîëüçóåìîé ñïåêòðàëüíîé ïîëîñû.
Îöåíêà ïðîâîäèëàñü äëÿ çâåçäû ñïåêòðàëüíîãî êëàññà À0 ñ áëåñêîì V = 0m, ïîëàãàÿ åå ýòàëîíèðîâàííûì èñòî÷íèêîì.
Ôîíîâûé ïîòîê îò íåáåñíîé ñôåðû ïðèíèìàëñÿ ýêâèâàëåíòíûì 26m ñ óãë. êâ. ñåê. Ìàñøòàá èçîáðàæåíèÿ íà ôîêàëüíîé ïîâåðõíîñòè òåëåñêîïà Ò-170Ì ñîñòàâëÿåò 12 óãë. ñåê./ìì, äèàïàçîí ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé ÔÐÒ ïî ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ ± 8,2 ìêì (ñîîòâåòñòâóåò ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäå óãëîâûõ êîëåáàíèé êîñìè÷åñêîãî àïàðàòà +0,1 óãë. ñåê.), ïðèíèìàÿ ñïåêòðàëüíûé êâàíòîâûé âûõîä ÏÈ â çàäàííîé ïîëîñå äëèí âîëí, η(Δλ) = 0,8.
Òîãäà, ñ÷èòàÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
59
Def = 2,1×104 ñì2, τ(Δλ) = 0,5, Δλ = 8×102À,
N(Δλ) = N0(V0m) = 1,3×103 ôîòîíîâ/ñ/ñì2/À, t = 1 ñ.
∂ = 0,9, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ñóùåñòâóþùåìó (ïðåäâàðèòåëüíîìó) êà÷åñòâó ÔÐÒ, ïðåäñòàâëåííîìó â äâóõ âàðèàíòàõ:
Âàðèàíò 1 (Â1): 90% (∂ = 0,9) ýíåðãèè ÔÐÒ ñ ó÷åòîì ïàðàìåòðîâ ñòàáèëèçàöèè ñîñðåäîòî÷åíî â êðóæêå äèàìåòðîì 44 ìêì (3×3ïêñ),
Âàðèàíò 2 (Â2): 90% (∂ = 0,9) ýíåðãèè ÔÐÒ ñ ó÷åòîì ïàðàìåòðîâ ñòàáèëèçàöèè ñîñðåäîòî÷åíî â êðóæêå äèàìåòðîì 54 ìêì (4×4 ïêñ),
ïîëó÷èì S0(∂ = 0,9) = 7,9×109 å–/ñ. Ïðèíèìàÿ äëÿ ôîíîâîãî ïîòîêà N(Δλ) = = NBG = 6,2×10–8 ôîòîíîâ/ñ/ñì2/À, óãëîâîé ðàçìåð ïèêñåëÿ ðàâíûì 0,033 óãë. êâ. ñ, ñîîòâåòñòâóþùèé ∂ = 0,03; è ïðè îñòàëüíûõ íåèçìåííûõ óñëîâèÿõ ïîëó÷èì B = 1,3×10–6 å–/ñ/ïêñ. Íà ñóùåñòâóþùåì ýòàïå ïðîåêòèðîâàíèÿ ó÷åñòü âëèÿíèå ðàññåÿííîãî ñâåòà íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì. Òåì íå ìåíåå, âëèÿíèå óêàçàííîãî ôàêòîðà ñëåäóåò ìèíèìèçèðîâàòü êàê çà ñ÷åò êà÷åñòâà êîíñòðóêöèè òåëåñêîïà, òàê è ïóòåì ðàöèîíàëüíîãî ïëàíèðîâàíèÿ íàáëþäåíèé. Ó÷èòûâàÿ ñêàçàííîå è ïîëàãàÿ DN = 0,01 å–/ñ/ïêñ (T = –60 – –70 °Ñ), Rn = 5å– (ÑÊÎ), à òàêæå ïðåíåáðåãàÿ B = 1,3×10–6 å–/ñ/ïêñ â ñðàâíåíèè ñ DN, ïðåîáðàçóåì ôîðìóëó (1) ê âèäó
( )S/N = nλ knd + kbin Rn2 + nλ .
(4)
Çâåçäíàÿ âåëè÷èíà îïðåäåëÿåòñÿ èñõîäÿ èç ñëåäóþùåãî ñòàíäàðòíîãî ñîîòíîøåíèÿ [2]:
( )m2 − m1 = 2,5lg Em′ 1 /Em′ 2 ,
(5)
ãäå m2, m1 – çâåçäíûå âåëè÷èíû ñðàâíèâàåìûõ îáúåêòîâ, Em′ 1, Em′ 2 – ñîîòâåòñòâóþùèå èì îñâåùåííîñòè íà ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ.
Òîãäà ïîëàãàÿ îòêëèê ÏÈ ëèíåéíûì, mv = m1, m2 = m0 = 0 è ∂ ïîñòîÿííîé âåëè÷èíîé, ïðåîáðàçóåì (5) ê âèäó
( )mv = −2,5lg nλ/Nλ0 .
(6)
Ðåçóëüòàòû îöåíîê ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ äëÿ
ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ïàðàìåòðîâ ÔÐÒ (B1/B2),
ðàçëè÷íûõ êðèòåðèåâ (Ê2/Ê3) è ðåæèìîâ ðàáîòû
ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 3 è 4. Îöåíêà ïðåäåëüíîé
çâåçäíîé âåëè÷èíû ñ èñïîëüçîâàíèåì áèíèðîâàíèÿ
è áåç íåãî äàíà äëÿ ðàçëè÷íûõ îòíîøåíèé ñ/ø è
ýêñïîçèöèé 10 ìèí, 1 ÷àñ, 1 ÷àñ ñ ñóììèðîâàíèåì
6 êàäðîâ ïî 10 ìèí.
 ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ áèíèðîâàíèÿ ðåàëèçî-
âàí ïåðåõîä îò êðèòåðèÿ Ê2 ê Ê3, ÷òî, ïðèíèìàÿ âî
âíèìàíèå ïîãðåøíîñòü íàâåäåíèÿ òåëåñêîïà, ïðåä-
ïîëàãàåò ñîñðåäîòî÷åíèå 90% ýíåðãèè ÔÐÒ äëÿ âà-
ðèàíòà Â1 â çîíå 4×4 ïêñ, à äëÿ Â2 – 5×5 ïêñ.
Òàáëèöà 3. Ðåçóëüòàòû îöåíîê ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ äëÿ âàðèàíòà B1
Âðåìÿ ýêñïîçèöèè, ñ;
åå òèï
6×102
3,6×103
3,6×103,
6×102,
6 ñóáýêñïîçèöèé áèíèðîâàíèå
kbinR2n knd ñ/ø = 3
ñ/ø = 10
ñ/ø = 100
225å– 54å– 27,4m 26,8m 22,1m
225å– 324å– 29,5m 27,4m 24,6m
1350å– 324å– 29,3m 27,2m 22,5m
25å– 96å– 29,1m 26,9m 22,1m
3,6×103, áèíèðîâàíèå
25å– 576å– 29,5m 27,4m 24,4m
3,6×103, 6 ñóáýêñïîçèöèé,
áèíèðîâàíèå
150e– 576å– 29,5m 27,3m 24m
Òàáëèöà 4. Ðåçóëüòàòû îöåíîê ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ äëÿ âàðèàíòà B2
Âðåìÿ ýêñïîçèöèè, ñ;
åå òèï
6×102
3,6×103
3,6×103,
6×102,
6 ñóáýêñïîçèöèé áèíèðîâàíèå
kbinR2n knd ñ/ø = 3
ñ/ø = 10
ñ/ø = 100
400å– 96å– 27,3m 26,7m 22,1m
400å– 576å– 29,4m 27,3m 24,6m
2400å– 576å– 29,2m 27,1m 22,5m
25å– 150å– 29m 26,8m 22,1m
3,6×103, áèíèðîâàíèå
25å– 900å– 29,4m 27,4m 24,4m
3,6×103, 6 ñóáýêñïîçèöèé,
áèíèðîâàíèå
150e– 900å– 29,4m 27,2m 24m
60 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Äàííûå îöåíêè çâåçäíûõ âåëè÷èí ïîëó÷åíû äëÿ ÷àñòíîãî ñëó÷àÿ. Áîëåå ïîäðîáíûé àíàëèç ïîòðåáóåò ïðîâåäåíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ èññëåäîâàíèé è óòî÷íåíèÿ ïàðàìåòðîâ ÎÊÏ.
êîì îòíîøåíèè ñ/ø. Ðàçáèåíèå äëèííûõ ýêñïîçèöèé íà ñåðèè ñóáýêñïîçèöèé ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ôîòîìåòðè÷åñêîé òî÷íîñòè ïðè áîëüøèõ îòíîøåíèÿõ ñ/ø.
Âûâîäû
Îñíîâûâàÿñü íà èñõîäíûõ òåõíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ ÁÊÏ, íàó÷íûõ çàäà÷àõ äëÿ ÁÊÏ, àíàëèçå ðàçëè÷íûõ âèäîâ ÏÈ è îïûòå ýêñïëóàòàöèè êàìåð ïîëÿ íà òåëåñêîïå èì. Õàááëà, ìîæíî äàòü ñëåäóþùèå ðåêîìåíäàöèè ïî õàðàêòåðèñòèêàì ÏÈ äëÿ ÎÊÏ:
 êà÷åñòâå ÏÈ äëÿ ÎÊÏ èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèê ñ ÷òåíèåì ïîëíîãî êàäðà (Full frame).
ÏÇÑ-ïðèåìíèê ñ ÷òåíèåì ïîëíîãî êàäðà òðåáóåò â ñîñòàâå êàìåðû ìåõàíè÷åñêîãî çàòâîðà.
Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ äëèòåëüíûõ ýêñïîçèöèé ÏÇÑïðèåìíèê íóæäàåòñÿ â ñèñòåìå îõëàæäåíèÿ äî òåìïåðàòóðû ïîðÿäêà –70 °Ñ â çàâèñèìîñòè îò ìàðêè ÏÇÑ.
Äîëæíà áûòü ïðåäóñìîòðåíà âîçìîæíîñòü ïåðèîäè÷åñêîãî íàãðåâà ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äî òåìïåðàòóðû ïîðÿäêà +20 °Ñ.
Ñ öåëüþ óìåíüøåíèÿ øóìîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèê äîëæåí ñ÷èòûâàòüñÿ íà ìàëîé ñêîðîñòè (50–200 êÃö).
Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòè åñòü âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèê, ðàáîòàþùèé â ðåæèìå MPP.
Äëÿ äîñòèæåíèÿ ìàêñèìàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ ñ îñâåùåíèåì ñ îáðàòíîé ñòîðîíû.
Ðåêîìåíäóåòñÿ ðåàëèçîâàòü ðåæèì áèíèðîâàíèÿ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âîçìîæíîñòè êàëèáðîâêè ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà íåîáõîäèìî ïðåäóñìîòðåòü ñèñòåìû äëÿ ïåðèîäè÷åñêîãî ïîëó÷åíèÿ êàëèáðîâî÷íûõ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ  êà÷åñòâå ïðèãîäíûõ äëÿ ÎÊÏ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ìîæíî óêàçàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèêè CCD 42-40, CCD447 è S100A. Ïîëó÷åííûå ïðåäâàðèòåëüíûå îöåíêè ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ ïîêàçûâàþò ïðåèìóùåñòâà ðåæèìà áèíèðîâàíèÿ äëÿ ïîèñêà ñëàáûõ îáúåêòîâ ïðè íèç-
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Êîðÿ÷êî Â.Ï., Êóðåé÷èê Â.Ì., Íîðåíêîâ È.Ï. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû ÑÀÏÐ / Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ. Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1987. C. 14–28.
12. Èíæåíåðíûé ñïðàâî÷íèê ïî êîñìè÷åñêîé òåõíèêå / Ïîä ðåä. Ñîëîäîâà À.Â. Èçä. 2-å, ïåðåðàá. è äîï. Ì.: Âîåíèçäàò, 1977. 16 ñ.
13. Àðóòþíîâ Ï.À. Òåîðèÿ è ïðèìåíåíèå àëãîðèòìè÷åñêèõ èçìåðåíèé. Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1990. 38 c.
14. Èçíàð À.Í., Ïàâëîâ À.Â., Ôåäîðîâ Á.Ô. Îïòèêî-ýëåêòðîííûå ïðèáîðû êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1972. 368 ñ.
15. Ôîðø À.À., ×åñíîêîâ Þ.Ì. Îïòèìèçàöèÿ è âûáîð ïàðàìåòðîâ ÒÂ-êàìåð çâåçäíûõ êîîðäèíàòîðîâ // Ïðåïðèíò. Ïð-2078. Ì.: ÈÊÈ ÐÀÍ, 2003. 14 ñ.
16. Àâàíåñîâ Ã.À., Áåññîíîâ Ð.Â., Êàðåëîâ À.È. Ìàòåìàòè÷åñêîå îáåñïå÷åíèå îïðåäåëåíèÿ îðèåíòàöèè ÊÀ ïî èçîáðàæåíèÿì çâåçäíîãî íåáà /  ñáîðíèêå “Îïòèêîýëåêòðîííûå ïðèáîðû â êîñìè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòàõ”. Ì.: Íàóêà, 1983.
17. Heyer Birett, et al. WFPC2 Instrument Handbook, Version 9.0. Baltimore: STScI, 2004. 400 p.
18. Gonzaga S., et al. ACS Instrument Handbook, Version 6.0. Baltimore: STScI, 2005. 252 p.
19. Pavlovsky C., et al. ACS Data Handbook, Version 4.0. Baltimore: STScI, 2005. 226 p.
10. Øóãàðîâ À.Ñ. Îáîñíîâàííûé âûáîð ñâåòîïðèåìíèêîâ äëÿ îïòè÷åñêèõ êàìåð ïîëÿ. Òåõíè÷åñêèé îò÷åò ÈÍÀÑÀÍ. Ì.: ÈÍÀÑÀÍ, 2006. 23 ñ.
11. Ìåëüíèêîâ Â.Ã. Ðàçðàáîòêà áàçû äàííûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ íàó÷íûõ ïðèáîðîâ èíñòðóìåíòàëüíîãî îòñåêà òåëåñêîïà Ò-170Ì. Òåõíè÷åñêèé îò÷åò ÈÍÀÑÀÍ. Ì.: ÈÍÀÑÀÍ, 2004. 30 ñ.
12. e2v technologies. http://www.e2vtechnologies.com.
13. Fairchild imaging. http://www.fairchildimaging.com.
14. SITe. http://www.site-inc.com.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
61
ÀÍÀËÈÇ ÒÐÅÁÎÂÀÍÈÉ Ê ÏÐÈÅÌÍÈÊÀÌ ÈÇËÓ×ÅÍÈß ÄËß ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÉ ÊÀÌÅÐÛ ÏÎËß ÊÎÑÌÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÒÅËÅÑÊÎÏÀ Ò-170Ì ÏÐÎÅÊÒÀ “ÑÏÅÊÒÐ-ÓÔ”
© 2008 ã.
Â. Ã. Ìåëüíèêîâ*,**; À. Ñ. Øóãàðîâ* ** Èíñòèòóò àñòðîíîìèè ÐÀÍ, Ìîñêâà ** ÍÏÎ èì. Ñ.À. Ëàâî÷êèíà, ã. Õèìêè Ìîñêîâñêîé îáë. ** E-mail: melnikov@laspace.ru, shugarov@inasan.ru
Ïðîâåäåí àíàëèç òðåáîâàíèé ê ïðèåìíèêó èçëó÷åíèÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà Ò-170Ì ïðîåêòà “Ñïåêòð-ÓÔ”. Ïðèâåäåí êðàòêèé îáçîð õàðàêòåðèñòèê ñîâðåìåííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, ðàññìàòðèâàåìûõ â êà÷åñòâå ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ â îïòè÷åñêîé êàìåðå. Äàíû ðåêîìåíäàöèè ïî ðåæèìàì ðàáîòû êàìåðû è îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ.
Êîäû OCIS: 040.1240, 040.1520, 040.7190.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 25.04.2008.
Ââåäåíèå
“Ñïåêòð-ÓÔ” – ýòî ìåæäóíàðîäíàÿ âíåàòìîñôåðíàÿ îáñåðâàòîðèÿ äëÿ íàáëþäåíèé â óëüòðàôèîëåòîâîé (ÓÔ) è îïòè÷åñêîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà. Êîñìè÷åñêèé òåëåñêîï 170Ì, ïîñòðîåíûé ïî ñõåìå Ðè÷è– Êðåòüåíà ñ äèàìåòðîì ãëàâíîãî çåðêàëà 1,7 ì, áóäåò îñíàùåí ñïåêòðîãðàôàìè âûñîêîãî è íèçêîãî ðàçðåøåíèÿ, áëîêîì êàìåð ïîëÿ (ÁÊÏ) äëÿ ïîñòðîåíèÿ âûñîêîêà÷åñòâåííûõ èçîáðàæåíèé â ÓÔ è îïòè÷åñêîì äèàïàçîíàõ äëèí âîëí.
Öåëüþ äàííîé ñòàòüè ÿâëÿåòñÿ àíàëèç òðåáîâàíèé è îãðàíè÷åíèé, íàêëàäûâàåìûõ íà ïàðàìåòðû äåòåêòîðà îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ (ÎÊÏ), âõîäÿùåé â ñîñòàâ ÁÊÏ. Äàíû ðåêîìåíäàöèè ïî âûáîðó êîíêðåòíûõ òèïîâ ñîâðåìåííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, îïòèìàëüíûõ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â ÎÊÏ. Ïðîâåäåíà îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè êàìåðû â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ.
Íàó÷íûå çàäà÷è ÁÊÏ
Áëîê êàìåð ïîëÿ ïðåäíàçíà÷åí äëÿ èññëåäîâàíèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ îáúåêòîâ íà ïðÿìûõ ñíèìêàõ ó÷àñòêîâ çâåçäíîãî íåáà â óëüòðàôèîëåòîâîì è âèäèìîì äèàïàçîíàõ ñïåêòðà (110–700 íì) ñ ïîìîùüþ íàáîðà ôèëüòðîâ. Ñðåäè íàó÷íûõ çàäà÷, êîòîðûå ïðåäïîëàãàåòñÿ ðåøàòü ñ èñïîëüçîâàíèåì äàííûõ, ïîëó÷àåìûõ ÁÊÏ, ìîæíî îòìåòèòü: èññëåäîâàíèå ñòðóêòóðíûõ îñîáåííîñòåé îáëàñòåé çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, ïðîáëåìó ñóùåñòâîâàíèÿ äèôôóçíîé èîíèçîâàííîé ñðåäû, ôèçèêó àêêðåöèîííûõ ïðîöåññîâ â àñòðîôèçè÷åñêèõ îáúåêòàõ, ôèçèêó ãîðÿ÷èõ çâåçä è çâåçäíûå âñïûøêè, íàáëþäåíèå ïëàíåòíûõ ïîëÿðíûõ ñèÿíèé â ÓÔ, íàáëþäåíèå ìàëûõ òåë â ÓÔ.
 çàâèñèìîñòè îò ðåøàåìîé íàó÷íîé çàäà÷è îò ÁÊÏ ìîæåò òðåáîâàòüñÿ âûñîêàÿ ôîòîìåòðè÷åñêàÿ
òî÷íîñòü, áîëüøàÿ ïðîíèêàþùàÿ ñïîñîáíîñòü, ìàêñèìàëüíîå óãëîâîå ðàçðåøåíèå, áîëüøîå ïîëå çðåíèÿ. Ïîñêîëüêó îáñåðâàòîðèÿ “Ñïåêòð-ÓÔ” ÿâëÿåòñÿ ìíîãîöåëåâîé, ïðè âûáîðå õàðàêòåðèñòèê ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ (ÏÈ) ÎÊÏ íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü îïòèìàëüíûé áàëàíñ ïàðàìåòðîâ, ÷òî ïîçâîëèò ðåøàòü ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûé êðóã íàó÷íûõ çàäà÷.
Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè ÁÊÏ è èõ ïðåäïîëàãàåìàÿ ðåàëèçàöèÿ
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðåäïîëàãàåòñÿ ðåàëèçàöèÿ ÁÊÏ â ñîñòàâå òðåõ êàìåð:
îïòè÷åñêîé (250–700 íì), áëèæíåãî óëüòðàôèîëåòà (150–280 íì), âàêóóìíîãî óëüòðàôèîëåòà (115–190 íì). Îïòè÷åñêàÿ êàìåðà áóäåò ðàáîòàòü ñ óäëèíåííûì ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì òåëåñêîïà (ñîîòâåòñòâóåò îòíîñèòåëüíîìó îòâåðñòèþ 1/28). Ëèíåéíûå ðàçìåðû äåòåêòîðà äîëæíû áûòü ïîðÿäêà 30×30 ìì. Ñðåäíÿÿ ïî ïîëþ ïîëóøèðèíà ôóíêöèè ðàññåÿíèÿ òî÷êè (ÔÐÒ) ñ ó÷åòîì ñòàáèëèçàöèè òåëåñêîïà îæèäàåòñÿ îêîëî 20 ìêì íà äëèíå âîëíû 500 íì. Òðåáîâàíèÿ ê âûáîðó ðàçìåðà ïèêñåëà ÎÊÏ ïðîòèâîðå÷èâû. Èõ íåîáõîäèìî îñóùåñòâëÿòü èñõîäÿ èç ñëåäóþùèõ êðèòåðèåâ: Ê1 – ìèíèìàëüíûå èñêàæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ âñëåäñòâèå åãî äèñêðåòèçàöèè. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò ðàçìåðó ýëåìåíòà äèñêðåòèçàöèè, ïèêñåëó – íå áîëåå 0,33 ïîëóøèðèíû ÔÐÒ [3], ïðè ýòîì ïîëíûé ðàçìåð ÔÐÒ ñîñòàâèò 6×6 ïèêñåëîâ ÏÇÑ. Ê2 – ìèíèìèçàöèÿ ïîãðåøíîñòè îöåíêè êîîðäèíàò öåíòðà ÔÐÒ ïðè ïðèåìëåìûõ èñêàæåíèÿõ èçîáðàæåíèÿ è ïðåäåëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè èíñòðóìåíòà. Ïðè ýòîì ÔÐÒ äîëæíà ïîêðûâàòü çîíó ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ðàçìåðîì 3×3 ïèêñåëà [5, 6].
54 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Ê3 – ìàêñèìàëüíàÿ ïðîíèöàþùàÿ ñïîñîáíîñòü èëè ïðåäåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü. Ïðè ýòîì ðàçìåð ÔÐÒ íå äîëæåí ïðåâîñõîäèòü îäíîãî ïèêñåëà ÏÇÑ.
Îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî åñëè ó÷åñòü îæèäàåìóþ ïîãðåøíîñòü ñòàáèëèçàöèè òåëåñêîïà, ðåàëèçàöèÿ êàìåð ïî êðèòåðèþ Ê1 íå äàåò ñóùåñòâåííûõ ïðåèìóùåñòâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåàëèçàöèåé ïî êðèòåðèþ Ê2. Âîçìîæíîñòü áèíèðîâàíèÿ ïèêñåëîâ, äîñòóïíàÿ äëÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, îáåñïå÷èâàåò ðåàëèçàöèþ ïî êðèòåðèþ Ê3 â ðàìêàõ êðèòåðèÿ Ê2. Ïîýòîìó â êà÷åñòâå îñíîâíîãî ïðè âûáîðå ïàðàìåòðîâ ÏÈ ïðèíèìàåì êðèòåðèé Ê2.
Òðåáîâàíèÿ ê âðåìåíè ýêñïîíèðîâàíèÿ è ñêîðîñòè ñ÷èòûâàíèÿ. Èç ïðèâåäåííîãî ñïèñêà íàó÷íûõ çàäà÷ ñëåäóåò, ÷òî ÎÊÏ â ïåðâóþ î÷åðåäü ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ïîëó÷åíèÿ òàê íàçûâàåìûõ “ãëóáîêèõ” ñíèìêîâ, ïðè ñúåìêå êîòîðûõ ñóììàðíîå âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ ìîæåò äîñòèãàòü îäíîãî ÷àñà è áîëåå. Äëÿ áîëüøèíñòâà íàó÷íûõ çàäà÷ â íàñòîÿùåå âðåìÿ òðåáîâàíèÿ ê ñêîðîñòè ïîëó÷åíèÿ êàäðîâ ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò è â çàâèñèìîñòè îò ðåøàåìîé íàó÷íîé çàäà÷è áîëåå ïîëíî íå ìîãóò áûòü ñôîðìóëèðîâàíû.
Òàêèì îáðàçîì, â ëþáîì ñëó÷àå ïðè ðåàëèçàöèè â êà÷åñòâå ÏÈ ÎÊÏ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ ðåêîìåíäóåòñÿ èñïîëüçîâàòü íèçêóþ ñêîðîñòü ñ÷èòûâàíèÿ ñèãíàëîâ (ïîðÿäêà 50–200 êÃö), ïðè êîòîðîé îáåñïå÷èâàåòñÿ ìèíèìàëüíûé øóì ñ÷èòûâàíèÿ.
Ðàçáèòèå ýêñïîçèöèè íà ñåðèþ ñóáýêñïîçèöèé. Ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ îäèíî÷íîé ýêñïîçèöèè ÎÊÏ ïðè ðàáîòå íà îðáèòå îãðàíè÷èâàåòñÿ âðåìåíåì, çà êîòîðîå äîñòèãàåòñÿ äîïóñòèìàÿ ïëîòíîñòü ñëåäîâ íà ñíèìêå, îáðàçóþùèõñÿ ïðè âîçäåéñòâèè êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö íà ÏÈ. Äëÿ WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2) òåëåñêîïà èì. Õàááëà ïëîòíîñòü ïîòîêà ÷àñòèö, îñòàâëÿþùèõ âèäèìûé ñëåä íà ñíèìêàõ, ïîëó÷åííûõ íà ÏÇÑ, ñîñòàâëÿåò 1,8 øò ñ–1 ñì–2. Ïðè ïîïàäàíèè â ÏÈ îäíîé ÷àñòèöû â ñðåäíåì íàáëþäàþòñÿ ñèãíàëû â 6 ñîñåäíèõ ïèêñåëàõ. Èçâåñòíûå àëãîðèòìû î÷èñòêè èçîáðàæåíèé îò ñëåäîâ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö ýôôåêòèâíî ðàáîòàþò, åñëè ñóììàðíàÿ ïëîùàäü ñëåäîâ ñîñòàâëÿåò 1–5% îò âñåé ïëîùàäè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà, ÷òî îãðàíè÷èâàåò âðåìÿ îäèíî÷íîé ýêñïîçèöèè 10 ìèíóòàìè.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ââèäó îòñóòñòâèÿ îêîí÷àòåëüíîé ÿñíîñòè â êîíñòðóêöèè ÎÊÏ è âî âñåõ åå ïàðàìåòðàõ íåâîçìîæíî ïðîâåñòè êîëè÷åñòâåííûé ðàñ÷åò ïîòîêà ÷àñòèö. Ïî âñåé âèäèìîñòè, ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ îäèíî÷íîãî ýêñïîíèðîâàíèÿ áóäåò ïðèìåðíî òàêèì æå, êàê è â WFPC2 òåëåñêîïà èì. Õàááëà, ò. å. ïîðÿäêà 10 ìèí. Ïîëó÷åíèå êàäðà ñ áîëüøåé ýêñïîçèöèåé âîçìîæíî ïóòåì ñóììèðîâàíèÿ ñèãíàëîâ íåñêîëüêèõ êàäðîâ, ïîëó÷åííûõ äðóã çà äðóãîì.
Òåìíîâîé òîê. Òåìíîâîé òîê ÏÈ íå äîëæåí âíîñèòü ñóùåñòâåííóþ ñîñòàâëÿþùóþ â îáùèé øóì ïðè ìàêñèìàëüíîì âðåìåíè ýêñïîçèöèè 1 ÷àñ.
Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí. Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí äåòåêòîðà ÎÊÏ ïî âîçìîæíîñòè äîëæåí áûòü êàê ìîæíî áîëüøèì, îäíàêî äàííûé ïàðàìåòð íå ÿâëÿåòñÿ ïðèîðèòåòíûì. Äîñòèæåíèå äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà áîëåå 10000:1 ìîæíî ñ÷èòàòü óñïåøíûì.
Ëèíåéíîñòü. Ëèíåéíîñòü ïðèåìíèêîâ ÁÊÏ ÿâëÿåòñÿ êðèòè÷åñêèì ïàðàìåòðîì, ïîñêîëüêó çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ñíèìêîâ áóäåò òðåáîâàòü ïîñëåäóþùåé òî÷íîé ôîòîìåòðè÷åñêîé íàó÷íîé îáðàáîòêè.
Êâàíòîâûé âûõîä. Èñõîäÿ èç íàó÷íûõ çàäà÷ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÁÊÏ äîëæíà áûòü ìàêñèìàëüíîé, ïîýòîìó íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ÏÈ ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûì êâàíòîâûì âûõîäîì.
Âðåìÿ æèçíè äåòåêòîðà. Äåòåêòîð äîëæåí ñîõðàíÿòü ïðèåìëåìûå õàðàêòåðèñòèêè â óñëîâèÿõ êîñìè÷åñêîé ðàäèàöèè â òå÷åíèå âñåãî âðåìåíè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ êîñìè÷åñêîãî àïïàðàòà (íå ìåíåå 5 ëåò).
Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí äåòåêòîðîâ îïòè÷åñêîé êàìåðû. Ïðåäïî÷òåíèå ñëåäóåò îòäàòü ïðèåìíèêàì ñ ðàñøèðåííûì â ñòîðîíó ÓÔ è ÈÊ äèàïàçîíîì.
×àñòè÷íîå ïåðåêðûòèå â ÓÔ äèàïàçîíå îáëàñòåé ÷óâñòâèòåëüíîñòè îïòè÷åñêèõ è ÓÔ êàìåð ïîçâîëèò óâåëè÷èòü äîñòîâåðíîñòü íàáëþäåíèé, à òàêæå ìîæåò ñëóæèòü ýëåìåíòîì ðåçåðâèðîâàíèÿ ñèñòåì êîñìè÷åñêîãî àïïàðàòà â ñëó÷àå îòêàçà îäíîé èç êàìåð.
Ïðîñòðàíñòâåííàÿ ìîäóëÿöèÿ äåòåêòîðà. Íåîäíîðîäíîñòü ÷óâñòâèòåëüíîñòè âíóòðè è ìåæäó ïèêñåëàìè ÏÈ äîëæíà áûòü ñâåäåíà ê ìèíèìóìó, ïîñêîëüêó ïðè îáðàáîòêå äàííûõ ñ ÁÊÏ âîçìîæíî èñïîëüçîâàòü ìàòåìàòè÷åñêèå àëãîðèòìû ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîãî óãëîâîãî ðàçðåøåíèÿ ñíèìêîâ. Äëÿ óëó÷øåíèÿ êà÷åñòâà îáðàáîòêè ñîñòàâíûõ ýêñïîçèöèé êàäðû ñóáýêñïîçèöèé îäíîãî è òîãî æå ó÷àñòêà íåáåñíîé ñôåðû ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû ñ èñêóññòâåííûìè ìèêðîñäâèãàìè èçîáðàæåíèÿ ïî ïîâåðõíîñòè ÏÈ ìåæäó îòäåëüíûìè êàäðàìè â ïðåäåëàõ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïèêñåëîâ.
Ðàçìåð ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Êàê ñêàçàíî âûøå, àâòîðû ñ÷èòàþò îïòèìàëüíûì âûáîð êðèòåðèÿ Ê2, ÷òî äëÿ ñóùåñòâóþùèõ îöåíîê êà÷åñòâà ÔÐÒ ñîîòâåòñòâóåò ðàçìåðó ïèêñåëà îêîëî 15 ìêì. Æåëàòåëüíî èìåòü âîçìîæíîñòü îïåðàòèâíîãî óâåëè÷åíèÿ ðàçìåðà ïèêñåëà âî âðåìÿ ïîëåòà, íàïðèìåð, èñïîëüçóÿ ðåæèì áèíèðîâàíèÿ äëÿ ÏÇÑïðèåìíèêà, äëÿ äîñòèæåíèÿ ìàêñèìàëüíîé ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòè íà îòäåëüíûõ ñíèìêàõ, à òàêæå äëÿ ñëó÷àÿ óõóäøåíèÿ îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ òåëåñêîïà âî âðåìÿ çàïóñêà èëè ïî èíûì òåõíè÷åñêèì ïðè÷èíàì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
55
Âûáîð òèïà ÏÈ äëÿ ÎÊÏ
 êà÷åñòâå ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ äëÿ ÎÊÏ ðàññìàòðèâàëèñü:
Ïðèåìíèêè íà áàçå ìèêðîêàíàëüíûõ ïëàñòèí ñ êîäèðóþùèì àíîäîì. Äàííûé âèä ÏÈ îáëàäàåò ïðèåìëåìûì êâàíòîâûì âûõîäîì, ìàëûì òåìíîâûì òîêîì, ïðàêòè÷åñêè íóëåâûì øóìîì ñ÷èòûâàíèÿ è äîñòàòî÷íî õîðîøî îòðàáîòàí. Ê íåäîñòàòêàì ñëåäóåò îòíåñòè îòñóòñòâèå ôèçè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ èçîáðàæåíèÿ (ïèêñåëîâ), ÷òî ïîòåíöèàëüíî ìîæåò ïðèâîäèòü ê ãåîìåòðè÷åñêèì èñêàæåíèÿì; íàëè÷èå ýôôåêòà íàñûùåíèÿ è ñóùåñòâîâàíèå ìåðòâîãî âðåìåíè, ÷òî óìåíüøàåò äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí; ñëîæíîñòü ðåàëèçàöèè.
Ïðèåìíèêè íà îñíîâå àêòèâíîé ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêè. Òâåðäîòåëüíûå ÏÈ íà áàçå àêòèâíîé ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêè àêòèâíî ðàçâèâàþòñÿ â ïîñëåäíèå ãîäû. Îíè îòëè÷àþòñÿ ïðîñòîòîé, îòíîñèòåëüíîé äåøåâèçíîé è äîñòàòî÷íî âûñîêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè. Âìåñòå ñ òåì â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïî-ïðåæíåìó íå óäàåòñÿ ïîíèçèòü óðîâåíü øóìîâ ñ÷èòûâàíèÿ è ïîäíÿòü êâàíòîâûé âûõîä ïðèåìíèêîâ íà áàçå ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêè äî óðîâíÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ. Åùå îäíèì íåäîñòàòêîì òàêèõ ÏÈ ÿâëÿåòñÿ íåðàâíîìåðíîñòü ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïî ïèêñåëó èç-çà íàëè÷èÿ â êàæäîì ïèêñåëå (àêòèâíîé ÊÌÎÏ-ÿ÷åéêå) äîïîëíèòåëüíîé ýëåêòðîííîé ñõåìû ñ÷èòûâàíèÿ ñèãíàëà.
Ïðèåìíèêè ñ çàðÿäîâîé ñâÿçüþ (ÏÇÑ).  íàñòîÿùåå âðåìÿ ÏÇÑ ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûì âèäîì ïðèåìíèêîâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ âûñîêîòî÷íûõ àñòðîíîìè÷åñêèõ äàííûõ â îïòè÷åñêîì äèàïàçîíå ñïåêòðà äëÿ íàçåìíûõ è ìíîãèõ êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Ñîâðåìåííûå ÏÇÑ îáëàäàþò î÷åíü âûñîêîé ÷óâñòâèòåëü-
íîñòüþ, âûñîêèìè ëèíåéíîñòüþ è ñòàáèëüíîñòüþ, áîëüøèì äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì.
Äîëãîå âðåìÿ ðàäèàöèîííàÿ ñòîéêîñòü ÏÇÑ áûëà íåäîñòàòî÷íî âûñîêîé äëÿ ïðîäîëæèòåëüíûõ êîñìè÷åñêèõ ìèññèé, îäíàêî â ïîñëåäíåå âðåìÿ ïîÿâèëèñü è äîñòàòî÷íî õîðîøî îòðàáîòàíû ÏÇÑ, ñïîñîáíûå ðàáîòàòü â ðåæèìå MPP (Multi-pinned phase), ÷òî ïîçâîëèëî ñóùåñòâåííî óìåíüøèòü òåìíîâîé òîê è ïîäíÿòü ðàäèàöèîííóþ ñòîéêîñòü ÏÇÑ äî ïðèåìëåìîãî óðîâíÿ.
Ïðè âûáîðå ìåæäó ðàçëè÷íûìè ïîñòðîåíèÿìè ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ (÷òåíèå ïîëíîãî êàäðà, ïåðåíîñ êàäðà, ìåæñòðî÷íûé ïåðåíîñ) íåîáõîäèìî èñõîäèòü èç ïîñòàâëåííûõ íàó÷íûõ çàäà÷ ÎÊÏ. Òðåáîâàíèå ìàêñèìàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÏÈ, ðàâíîìåðíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè âíóòðè îäíîãî ïèêñåëà è îòñóòñòâèå òðåáîâàíèé ïî âûñîêîé ñêîðîñòè ñ÷èòûâàíèÿ äåëàþò ïðåäïî÷òèòåëüíûì èñïîëüçîâàíèå ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ ñ ÷òåíèåì ïîëíîãî êàäðà.  ýòîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî ââåäåíèå â ñîñòàâ ÎÊÏ ìåõàíè÷åñêîãî çàòâîðà äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ïîÿâëåíèÿ â ïðîöåññå ñ÷èòûâàíèÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà “ñìàçà” îò ÿðêèõ îáúåêòîâ, óõóäøàþùèõ òî÷íîñòü ôîòîìåòðè÷åñêîé îáðàáîòêè èçîáðàæåíèé.
 òàáë. 1 ïðèâåäåíû ñðåäíèå ïàðàìåòðû, äîñòèãàåìûå ó ëó÷øèõ îáðàçöîâ ÏÈ òðåõ òèïîâ. Àíàëèç äàííûõ ïîêàçûâàåò, ÷òî ó äåòåêòîðîâ íà áàçå òåõíîëîãèè ÏÇÑ äîñòèãàåòñÿ ìàêñèìàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü, ñòàáèëüíîñòü è ëèíåéíîñòü. Íåîáõîäèìîñòü èñïîëüçîâàíèÿ äîïîëíèòåëüíîãî îõëàæäåíèÿ è çàùèòû îò ðàäèàöèè â ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ ÏÇÑ íåèçáåæíî ïðèâîäèò ê óñëîæíåíèþ êîíñòðóêöèè ÁÊÏ, îäíàêî îíî îáîñíîâàíî, ïîñêîëüêó îñíîâíîé çàäà÷åé ÁÊÏ ÿâëÿåòñÿ ïîëó÷åíèå âûñîêîêà÷åñòâåííûõ
Òàáëèöà 1. Ñðàâíåíèå õàðàêòåðèñòèê ðàçëè÷íûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ äëÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ
Ïàðàìåòð
ÏÇÑ
ÊÌÎÏ
ÌÊÏ
Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí Êâàíòîâûé âûõîä Ôîðìàò Ðàçìåð ïèêñåëà, ìêì Øóì ñ÷èòûâàíèÿ, e– ÑÊÎ Òåìíîâîé òîê, e– ïðè +20 °Ñ Åìêîñòü ÿ÷åéêè, e– Ñêîðîñòü ñ÷åòà, èìï/ñåê. Ðàäèàöèîííàÿ ñòîéêîñòü Ðàáî÷àÿ òåìïåðàòóðà, °Ñ Ðåñóðñ ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõí., ôîò./ìì2 Îõëàæäåíèå Îïûò ïðèìåíåíèÿ äåòåêòîðà Âûñîêîâîëüòíûé èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ
Âèäèìûé, ÓÔ äî 90% äî 4×4 ê 6–24 >2 100
70 ê–300 ê —
íèçêàÿ, ñðåäíÿÿ äî –120 — äà âûñîêèé íåò
âèäèìûé äî 50% 3×4 ê è áîëåå
3–15 20–30
500 60 ê–300 ê
— ñðåäíÿÿ, âûñîêàÿ
äî –85 — äà
ìàëûé íåò
ÓÔ, âèäèìûé ≈20% 2×2 ê 15–30 — 0,01 — 3×105
âûñîêàÿ +20 1011
íåò (äà) ñðåäíèé
äà
56 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Òàáëèöà 2. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû èçáðàííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ
Íàçâàíèå, ôèðìàèçãîòîâèòåëü
Ðàçìåð ïèêñåëà, ìêì
Ðàçìåð ñâåòî÷óâñòâè-
òåëüíîé
Ôîðìàò
Îáðàò. îñâåù.
ÌÐÐ
Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí, íì
Êâàíò. âûõîä, %
Øóì ñ÷èò., Åìêîñòü e– ÑÊÎ ÿ÷åéêè, 103 e–
Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí
îáëàñòè, ìì
Òåìíîâîé òîê 250 e– +20 °C 200 e– +20 °C
CCD 42-40 E2V 2048×2048 13,5
27,6×27,6 + + 200–1060 75–90
3
100
33333:1
CCD55-20 E2V 770×1152 22,5 17,3×25,9 + + 200–1100 í/ä 3
450
133000:1
CCD 55-30 E2V 1252×1152 22,5
28×26 — + 420–1060 45 3,8
400
133000:1
200 e– +20 °C
Êîë-âî âûõîäíûõ óñèëèòåëåé
2 1 Hi gain 1 Low gain 1 Hi gain 1 Low gain
2 2 Low noise 2 Hi speed
4 2 Low noise 2 Hi speed 2 Low noise 2 Hi speed
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
CCD 47-10 E2V 1024×1024 13,3 13,3×13,3 + + 200–1100 65 2
100 100
50000:1 25000:1
250 e– +20 °C 25 ïÀ/ñì2 +25 °C
CCD447 Fairchild 2048×2048 15
30,7×30,7 + + 200–1100 90
4
SI-424A SITe 2048×2048 24
49×49
+
+ 200–1100
70
7
200 350
28000:1 70000:1
50 ïÀ/ñì2 +20 °C 50 ïÀ/ñì2 +20 °C
SI033B SITe
1024×1024 24
24,6×24,6 + + 200–1100 80
7
S100A SITe
2048×2048 12
24,6×24,6 + + 200–1100 80
6
110
70000:1 10 ïÀ/ñì2 +20 °C
ñíèìêîâ ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòüþ è óãëîâûì ðàçðåøåíèåì.
Òàêèì îáðàçîì, â êà÷åñòâå ÏÈ äëÿ ÎÊÏ ðåêîìåíäóåòñÿ èñïîëüçîâàòü ïîäõîäÿùèå ïî ãåîìåòðè÷åñêèì ðàçìåðàì ñîâðåìåííûå ÏÇÑ-ïðèåìíèêè ñ óâåëè÷åííîé ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòüþ, ìàêñèìàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ è øèðîêèì ñïåêòðàëüíûì äèàïàçîíîì.
Îáçîð äîñòóïíûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, èõ ïàðàìåòðû
Âåäóùèìè ïðîèçâîäèòåëÿìè ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ äëÿ íàó÷íûõ öåëåé ÿâëÿþòñÿ êîìïàíèè E2V Òechnologies, Fairchild Imaging, SITe, Kodak, Sony, Atmel, Hamamatsu, ÍÏÎ “Ýëåêòðîí”.
 ñîîòâåòñòâèè ñ òðåáîâàíèÿìè äëÿ ÎÊÏ, ÏÈ äîëæåí èìåòü ðàçìåð ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé îáëàñòè îêîëî 30×30 ìì2, ñîõðàíÿòü ðàáîòîñïîñîáíîñòü ïðè òåìïåðàòóðàõ ïîðÿäêà –70 °Ñ è îáåñïå÷èâàòü ìàêñèìàëüíóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü. ÏÇÑ ñ óêàçàííûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ñåðèéíî âûïóñêàþòñÿ òîëüêî òðåìÿ ôèðìàìè: E2V Òechnologies, Fairchild Imaging, SITe.
 òàáë. 2 ïðåäñòàâëåíû îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè èçáðàííûõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ, ïðèâîäèìûå â ìàòåðèàëàõ ôèðì-èçãîòîâèòåëåé [10, 11, 12].
Íà ðèñ. 1, 2, 3 ïðèâåäåíû ñïåêòðàëüíûå êðèâûå äëÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ CCD42-40, CCD447 è CCD S100A ñîîòâåòñòâåííî.
100 24
80 1
3
60 5
Êâàíòîâûé âûõîä, %
40
20
0 200 400 600 800
λ, íì
Ðèñ. 1. Êâàíòîâûé âûõîä CCD 42-40 ñ îáðàòíûì îñâåùåíèåì. 1 – ÓÔ-ïîêðûòèå, 2 – óëó÷øåííîå øèðîêîïîëîñíîå ïîêðûòèå, 3 – îáû÷íîå øèðîêîïîëîñíîå ïîêðûòèå, 4 – ñðåäíåïîëîñíîå ïîêðûòèå, 5 – áåç ïîêðûòèÿ.
57
Ðåêîìåíäóåìûå ÏÇÑ-ïðèåìíèêè äëÿ ÎÊÏ
Ñðåäè íàèáîëåå ïîäõîäÿùèõ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ äëÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ìîæíî âûäåëèòü CCD 4240, CCD447, S100A. Óêàçàííûå ÏÈ èìåþò øèðîêèé ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí, ïîêðûâàþùèé áëèæíèé ÓÔ è ÈÊ, âûñîêèé êâàíòîâûé âûõîä, íèçêèé óðîâåíü øóìîâ è ìîãóò ðàáîòàòü â ðåæèìå MPP, îáåñïå÷èâàÿ ïðèåìëåìûå ïàðàìåòðû ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòè. ÏÇÑ-ïðèåìíèêè ñ îáðàòíîé çàñâåòêîé îáëàäàþò áîëüøèì êâàíòîâûì âûõîäîì, îñîáåííî â îáëàñòè áëèæíåãî óëüòðàôèîëåòà (ðèñ. 2, 3).
Ïî îòäåëüíîìó çàêàçó íà ïîâåðõíîñòü ÏÇÑ-äåòåêòîðà ìîæåò áûòü íàíåñåí äîïîëíèòåëüíûé ñëîé,
Êâàíòîâûé âûõîä, %
100 1 80 60 40 20 0 400
2 3 600 800
λ, íì
Ðèñ. 2. Êâàíòîâûé âûõîä CCD447. 1 – îáðàòíîå îñâåùåíèå è ÓÔ-ïîêðûòèå, 2 – îáðàòíîå îñâåùåíèå è øèðîêîïîëîñíîå ïîêðûòèå, 3 – ïðÿìîå îñâåùåíèå áåç ïîêðûòèÿ.
Êâàíòîâûé âûõîä, %
100 1
80
60
2 40
20
0 200 400 600
800 λ, íì
Ðèñ. 3. Êâàíòîâûé âûõîä CCD S100A. 1 – îáðàòíîå îñâåùåíèå, 2 – ïðÿìîå îñâåùåíèå.
óâåëè÷èâàþùèé êâàíòîâûé âûõîä ÏÈ äëÿ îïðåäåëåííûõ äëèí âîëí (îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ óâåëè÷åíèÿ ÓÔ-÷óâñòâèòåëüíîñòè). Íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ ïîäîáíûõ ïîêðûòèé äëÿ ÏÈ ÎÊÏ òðåáóåò áîëåå äåòàëüíîé ïðîðàáîòêè.
 ñëó÷àå, åñëè îêîí÷àòåëüíûé ðàñ÷åò îïòè÷åñêîãî òðàêòà ÎÊÏ ïîêàæåò óâåëè÷åíèå ïîëóøèðèíû ÔÐÒ, âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ CCD55-20 è SI033B, õàðàêòåðèñòèêè êîòîðûõ áëèçêè ê ðåêîìåíäîâàííûì CCD 42-40 è S100A ñîîòâåòñòâåííî, çà èñêëþ÷åíèåì óâåëè÷åííîãî ðàçìåðà ïèêñåëà (òàáë. 4).
Ðåæèìû ýêñïëóàòàöèè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà â ñîñòàâå ÎÊÏ
Îõëàæäåíèå è íàãðåâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà. Ïðè ðàáîòå ñ äëèòåëüíûìè ýêñïîçèöèÿìè äî 1 ÷àñà òåìíîâîé òîê ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äîëæåí áûòü íå áîëåå 0,01 e– ñ–1 ïêñ–1, ÷òî äëÿ ðåêîìåíäîâàííûõ òèïîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêîâ ñîîòâåòñòâóåò ðàáî÷åé òåìïåðàòóðå â äèàïàçîíå –60––80 °Ñ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàññìàòðèâàþòñÿ äâà ñïîñîáà îõëàæäåíèÿ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äî óêàçàííûõ òåìïåðàòóð: ìíîãîñòóïåí÷àòûì òåðìîýëåêòðè÷åñêèì îõëàäèòåëåì èëè ñ ïîìîùüþ âíåøíåãî ðàäèàòîðà.
Ïîä âîçäåéñòâèåì ðàäèàöèè â ñòðóêòóðå ÏÇÑïðèåìíèêà îáðàçóåòñÿ áîëüøîå ÷èñëî àíîìàëüíûõ çîí, ïðèâîäÿùèõ ê ïîÿâëåíèþ “ãîðÿ÷èõ” ïèêñåëîâ, óõóäøåíèþ êîýôôèöèåíòà ïåðåíîñà çàðÿäà, îáðàçîâàíèþ ýëåêòðîííûõ ëîâóøåê.
Êàê ïîêàçûâàåò îïûò ðàáîòû êàìåð òåëåñêîïà èì. Õàááëà, íàãðåâ ÏÇÑ-êðèñòàëëà äî òåìïåðàòóðû +20 °C â òå÷åíèå íåñêîëüêèõ ÷àñîâ ïîçâîëÿåò íåéòðàëèçîâàòü áîëüøóþ ÷àñòü íîâûõ “ãîðÿ÷èõ” ïèêñåëîâ, à òàêæå ñïîñîáñòâóåò î÷èñòêå ïîâåðõíîñòè ÏÇÑ-êðèñòàëëà îò çàãðÿçíåíèé, îñàæäàþùèõñÿ íà õîëîäíîé ïîâåðõíîñòè. Ïåðèîäè÷íîñòü äàííîé ïðîöåäóðû íàãðåâà ñîñòàâëÿåò îäèí ìåñÿö.
Òàêèì îáðàçîì, êîíñòðóêöèÿ ÎÊÏ äîëæíà îáåñïå÷èâàòü âîçìîæíîñòü ïåðèîäè÷åñêîãî íàãðåâà ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äî òåìïåðàòóðû ïîðÿäêà +20 °Ñ.
Ðàäèàöèîííàÿ çàùèòà. Ðåêîìåíäóåòñÿ èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèêè ñ óâåëè÷åííîé ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòüþ, ðàáîòàþùèå â ðåæèìå MPP, à òàêæå èñïîëüçîâàòü äîïîëíèòåëüíîå ýêðàíèðîâàíèå.
Ýôôåêòèâíîñòü ïåðåíîñà. Äëÿ óìåíüøåíèÿ ýôôåêòîâ, ñâÿçàííûõ ñ íåýôôåêòèâíîñòüþ ïåðåíîñà çàðÿäà, âîçìîæíî ñ÷èòûâàíèå ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ñ èñïîëüçîâàíèåì íåñêîëüêèõ ñ÷èòûâàþùèõ óñòðîéñòâ.
Èñêóññòâåííûå ìèêðîñäâèãè. Äëÿ óëó÷øåíèÿ êà÷åñòâà ôèëüòðàöèè èçîáðàæåíèÿ îò ñëåäîâ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö è ó÷åòà äåôåêòîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ðåêîìåíäóåòñÿ ðàçáèâàòü êàæäóþ ýêñïîçèöèþ íà 2
58 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
èëè áîëåå ñóáýêñïîçèöèè ñ ââåäåíèåì èñêóññòâåííûõ ìèêðîñäâèãîâ èçîáðàæåíèÿ ïî ïîâåðõíîñòè ÏÈ ìåæäó îòäåëüíûìè êàäðàìè â ïðåäåëàõ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïèêñåëîâ. Ïîäîáíûå ìèêðîñäâèãè ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû ïóòåì ïåðåíàâåäåíèÿ òåëåñêîïà.
Êàëèáðîâêà ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ÎÊÏ. Äëÿ êàëèáðîâêè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà ÎÊÏ â ïðîöåññå ïîëåòà íåîáõîäèìî ïåðèîäè÷åñêîå ïîëó÷åíèå êàäðîâ êàëèáðîâîê: êàäðîâ ïîäëîæêè (bias), êàäðîâ òåìíîâîãî òîêà (dark), êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ (flat field).
Êàäðû ïîäëîæêè è òåìíîâîãî òîêà âîçìîæíî ïîëó÷àòü ñ çàêðûòûì çàòâîðîì êàìåðû è, âîçìîæíî, ñ çàêðûòîé êðûøêîé òåëåñêîïà. Äëÿ ôèëüòðàöèè ñëåäîâ êîñìè÷åñêèõ ÷àñòèö ðåêîìåíäóåòñÿ ïîëó÷åíèå íåñêîëüêèõ êàäðîâ ïîäðÿä ñ ïîñëåäóþùåé îáðàáîòêîé.
Ñ ïîìîùüþ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ó÷åò íåðàâíîìåðíîñòè ÷óâñòâèòåëüíîñòè îòäåëüíûõ ïèêñåëîâ, à òàêæå íåîäíîðîäíîñòè, ñâÿçàííûõ ñ îïòè÷åñêîé ñèñòåìîé òåëåñêîïà.
Âî âðåìÿ íàçåìíûõ èñïûòàíèé òåëåñêîïà âîçìîæíî ïîëó÷åíèå áàçîâûõ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ.
 óñëîâèÿõ êîñìè÷åñêîãî ïîëåòà ïîëó÷åíèå ïðÿìûõ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî, ïîñêîëüêó äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìà ðàâíîìåðíàÿ çàñâåòêà òåëåñêîïà ñ âíåøíåé ñòîðîíû. Òåì íå ìåíåå, êàäðû ïëîñêîãî ïîëÿ ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû ïóòåì êîìáèíàöèè êàäðîâ, ïîëó÷åííûõ ðàçíûìè ñïîñîáàìè, àíàëîãè÷íî òîìó, êàê ýòî ïðîèñõîäèò íà òåëåñêîïå èì. Õàááëà.
 êàäðå ïëîñêîãî ïîëÿ ìîæíî óñëîâíî âûäåëèòü âûñîêî÷àñòîòíóþ ñîñòàâëÿþùóþ, ñâÿçàííóþ ñ íåîäíîðîäíîñòüþ ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñîñåäíèõ ïèêñåëîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèêà, è íèçêî÷àñòîòíóþ, ñâÿçàííóþ ñ îïòè÷åñêîé ñèñòåìîé, áëèêàìè, ïûëèíêàìè è ò.ï.
Ïîëó÷åíèå êàäðîâ âûñîêî÷àñòîòíîé ñîñòàâëÿþùåé âîçìîæíî ïðè âêëþ÷åíèè â ñîñòàâ êàìåðû êàíàëà êàëèáðîâêè, ñîñòîÿùåãî èç ëàìï îïòè÷åñêîãî è ÓÔ äèàïàçîíîâ è äîïîëíèòåëüíîé îïòèêè.
Íèçêî÷àñòîòíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ìîæåò áûòü ïîëó÷åíà èç àíàëèçà ìíîãîêðàòíûõ ñíèìêîâ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé. Òàêæå ñòîèò ðàññìîòðåòü âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ êàäðîâ ïîâåðõíîñòè çåìëè.
Èòîãîâûé êàëèáðîâî÷íûé êàäð ïëîñêîãî ïîëÿ ìîæíî ñêîìáèíèðîâàòü èç êàäðîâ, ïîëó÷åííûõ âñåìè ðàññìîòðåííûìè âûøå ñïîñîáàìè.
Îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ
Îöåíêó ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðîâåäåì äëÿ òî÷å÷íîãî àñòðîíîìè÷åñêîãî îáúåêòà.  êà÷åñòâå ÏÈ áóäåì èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèê ñ îáðàòíûì îñ-
âåùåíèåì è ðàçìåðîì ïèêñåëà 15×15 ìêì, òåìíîâûì òîêîì 0,01 e– ñ–1 ïêñ–1, øóìîì ñ÷èòûâàíèÿ 5 e– (ÑÊÎ). Âîñïîëüçóåìñÿ ñëåäóþùèìè ñòàíäàðòíûìè ôîðìóëàìè:
Îòíîøåíèå ñ/ø äëÿ âñåãî èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà îïðåäåëÿåòñÿ êàê
( )S/N = nλ knd + nBG + kbin Rn2 + SL + nλ , (1)
ãäå nλ – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò îáúåêòà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ, nd – êîëè÷åñòâî òåìíîâûõ ýëåêòðîíîâ (nd = DNt), SL – ðàññåÿííûé ñâåò, nBG – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò ôîíà íåáà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ (nBG = Bkt), B – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò ôîíà íåáà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà 1 ñ â îäíîì ïèêñåëå, Rn – øóì ñ÷èòûâàíèÿ, t – âðåìÿ ýêñïîíèðîâàíèÿ, k – ÷èñëî ïèêñåëîâ â èçîáðàæåíèè èñòî÷íèêà, kbin – ÷èñëî ïèêñåëîâ â èçîáðàæåíèè èñòî÷íèêà ñ ó÷åòîì áèíèðîâàíèÿ, DN – òåìíîâîé òîê ïðè çàäàííîé òåìïåðàòóðå (T °Ñ) ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ.
Ïðåäâàðèòåëüíî îöåíèâàåòñÿ óðîâåíü ñèãíàëà îò ýòàëîíèðîâàííîãî èñòî÷íèêà (ôîíà), êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ êàê
nλ = St,
(2)
S = Def∂N(Δλ)τ(Δλ)Δλ,
(3)
ãäå S – êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ îò îáúåêòà, çàðåãèñòðèðîâàííûõ çà 1 ñ, Def – ýôôåêòèâíàÿ àïåðòóðà (ïëîùàäü çåðêàëà), ∂ – äîëÿ ýíåðãèè èçîáðàæåíèÿ çâåçäû (ôîíà) â èñïîëüçóåìîé îáëàñòè ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ, N(Δλ) – ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ôîòîííîé îñâåùåííîñòè îò çâåçäû íà âõîäå òåëåñêîïà â çàäàííîé ïîëîñå äëèí âîëí, τ(Δλ) – ñïåêòðàëüíîå ïðîïóñêàíèå îïòè÷åñêîé ñèñòåìû (òåëåñêîï è âñïîìîãàòåëüíûå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû ÎÊÏ, âêëþ÷àÿ ôèëüòðû) â çàäàííîé ïîëîñå äëèí âîëí, Δλ – øèðèíà èñïîëüçóåìîé ñïåêòðàëüíîé ïîëîñû.
Îöåíêà ïðîâîäèëàñü äëÿ çâåçäû ñïåêòðàëüíîãî êëàññà À0 ñ áëåñêîì V = 0m, ïîëàãàÿ åå ýòàëîíèðîâàííûì èñòî÷íèêîì.
Ôîíîâûé ïîòîê îò íåáåñíîé ñôåðû ïðèíèìàëñÿ ýêâèâàëåíòíûì 26m ñ óãë. êâ. ñåê. Ìàñøòàá èçîáðàæåíèÿ íà ôîêàëüíîé ïîâåðõíîñòè òåëåñêîïà Ò-170Ì ñîñòàâëÿåò 12 óãë. ñåê./ìì, äèàïàçîí ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé ÔÐÒ ïî ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ ± 8,2 ìêì (ñîîòâåòñòâóåò ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäå óãëîâûõ êîëåáàíèé êîñìè÷åñêîãî àïàðàòà +0,1 óãë. ñåê.), ïðèíèìàÿ ñïåêòðàëüíûé êâàíòîâûé âûõîä ÏÈ â çàäàííîé ïîëîñå äëèí âîëí, η(Δλ) = 0,8.
Òîãäà, ñ÷èòàÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
59
Def = 2,1×104 ñì2, τ(Δλ) = 0,5, Δλ = 8×102À,
N(Δλ) = N0(V0m) = 1,3×103 ôîòîíîâ/ñ/ñì2/À, t = 1 ñ.
∂ = 0,9, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ñóùåñòâóþùåìó (ïðåäâàðèòåëüíîìó) êà÷åñòâó ÔÐÒ, ïðåäñòàâëåííîìó â äâóõ âàðèàíòàõ:
Âàðèàíò 1 (Â1): 90% (∂ = 0,9) ýíåðãèè ÔÐÒ ñ ó÷åòîì ïàðàìåòðîâ ñòàáèëèçàöèè ñîñðåäîòî÷åíî â êðóæêå äèàìåòðîì 44 ìêì (3×3ïêñ),
Âàðèàíò 2 (Â2): 90% (∂ = 0,9) ýíåðãèè ÔÐÒ ñ ó÷åòîì ïàðàìåòðîâ ñòàáèëèçàöèè ñîñðåäîòî÷åíî â êðóæêå äèàìåòðîì 54 ìêì (4×4 ïêñ),
ïîëó÷èì S0(∂ = 0,9) = 7,9×109 å–/ñ. Ïðèíèìàÿ äëÿ ôîíîâîãî ïîòîêà N(Δλ) = = NBG = 6,2×10–8 ôîòîíîâ/ñ/ñì2/À, óãëîâîé ðàçìåð ïèêñåëÿ ðàâíûì 0,033 óãë. êâ. ñ, ñîîòâåòñòâóþùèé ∂ = 0,03; è ïðè îñòàëüíûõ íåèçìåííûõ óñëîâèÿõ ïîëó÷èì B = 1,3×10–6 å–/ñ/ïêñ. Íà ñóùåñòâóþùåì ýòàïå ïðîåêòèðîâàíèÿ ó÷åñòü âëèÿíèå ðàññåÿííîãî ñâåòà íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì. Òåì íå ìåíåå, âëèÿíèå óêàçàííîãî ôàêòîðà ñëåäóåò ìèíèìèçèðîâàòü êàê çà ñ÷åò êà÷åñòâà êîíñòðóêöèè òåëåñêîïà, òàê è ïóòåì ðàöèîíàëüíîãî ïëàíèðîâàíèÿ íàáëþäåíèé. Ó÷èòûâàÿ ñêàçàííîå è ïîëàãàÿ DN = 0,01 å–/ñ/ïêñ (T = –60 – –70 °Ñ), Rn = 5å– (ÑÊÎ), à òàêæå ïðåíåáðåãàÿ B = 1,3×10–6 å–/ñ/ïêñ â ñðàâíåíèè ñ DN, ïðåîáðàçóåì ôîðìóëó (1) ê âèäó
( )S/N = nλ knd + kbin Rn2 + nλ .
(4)
Çâåçäíàÿ âåëè÷èíà îïðåäåëÿåòñÿ èñõîäÿ èç ñëåäóþùåãî ñòàíäàðòíîãî ñîîòíîøåíèÿ [2]:
( )m2 − m1 = 2,5lg Em′ 1 /Em′ 2 ,
(5)
ãäå m2, m1 – çâåçäíûå âåëè÷èíû ñðàâíèâàåìûõ îáúåêòîâ, Em′ 1, Em′ 2 – ñîîòâåòñòâóþùèå èì îñâåùåííîñòè íà ÷óâñòâèòåëüíîé ïîâåðõíîñòè ÏÈ.
Òîãäà ïîëàãàÿ îòêëèê ÏÈ ëèíåéíûì, mv = m1, m2 = m0 = 0 è ∂ ïîñòîÿííîé âåëè÷èíîé, ïðåîáðàçóåì (5) ê âèäó
( )mv = −2,5lg nλ/Nλ0 .
(6)
Ðåçóëüòàòû îöåíîê ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ äëÿ
ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ïàðàìåòðîâ ÔÐÒ (B1/B2),
ðàçëè÷íûõ êðèòåðèåâ (Ê2/Ê3) è ðåæèìîâ ðàáîòû
ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 3 è 4. Îöåíêà ïðåäåëüíîé
çâåçäíîé âåëè÷èíû ñ èñïîëüçîâàíèåì áèíèðîâàíèÿ
è áåç íåãî äàíà äëÿ ðàçëè÷íûõ îòíîøåíèé ñ/ø è
ýêñïîçèöèé 10 ìèí, 1 ÷àñ, 1 ÷àñ ñ ñóììèðîâàíèåì
6 êàäðîâ ïî 10 ìèí.
 ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ áèíèðîâàíèÿ ðåàëèçî-
âàí ïåðåõîä îò êðèòåðèÿ Ê2 ê Ê3, ÷òî, ïðèíèìàÿ âî
âíèìàíèå ïîãðåøíîñòü íàâåäåíèÿ òåëåñêîïà, ïðåä-
ïîëàãàåò ñîñðåäîòî÷åíèå 90% ýíåðãèè ÔÐÒ äëÿ âà-
ðèàíòà Â1 â çîíå 4×4 ïêñ, à äëÿ Â2 – 5×5 ïêñ.
Òàáëèöà 3. Ðåçóëüòàòû îöåíîê ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ äëÿ âàðèàíòà B1
Âðåìÿ ýêñïîçèöèè, ñ;
åå òèï
6×102
3,6×103
3,6×103,
6×102,
6 ñóáýêñïîçèöèé áèíèðîâàíèå
kbinR2n knd ñ/ø = 3
ñ/ø = 10
ñ/ø = 100
225å– 54å– 27,4m 26,8m 22,1m
225å– 324å– 29,5m 27,4m 24,6m
1350å– 324å– 29,3m 27,2m 22,5m
25å– 96å– 29,1m 26,9m 22,1m
3,6×103, áèíèðîâàíèå
25å– 576å– 29,5m 27,4m 24,4m
3,6×103, 6 ñóáýêñïîçèöèé,
áèíèðîâàíèå
150e– 576å– 29,5m 27,3m 24m
Òàáëèöà 4. Ðåçóëüòàòû îöåíîê ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ äëÿ âàðèàíòà B2
Âðåìÿ ýêñïîçèöèè, ñ;
åå òèï
6×102
3,6×103
3,6×103,
6×102,
6 ñóáýêñïîçèöèé áèíèðîâàíèå
kbinR2n knd ñ/ø = 3
ñ/ø = 10
ñ/ø = 100
400å– 96å– 27,3m 26,7m 22,1m
400å– 576å– 29,4m 27,3m 24,6m
2400å– 576å– 29,2m 27,1m 22,5m
25å– 150å– 29m 26,8m 22,1m
3,6×103, áèíèðîâàíèå
25å– 900å– 29,4m 27,4m 24,4m
3,6×103, 6 ñóáýêñïîçèöèé,
áèíèðîâàíèå
150e– 900å– 29,4m 27,2m 24m
60 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Äàííûå îöåíêè çâåçäíûõ âåëè÷èí ïîëó÷åíû äëÿ ÷àñòíîãî ñëó÷àÿ. Áîëåå ïîäðîáíûé àíàëèç ïîòðåáóåò ïðîâåäåíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ èññëåäîâàíèé è óòî÷íåíèÿ ïàðàìåòðîâ ÎÊÏ.
êîì îòíîøåíèè ñ/ø. Ðàçáèåíèå äëèííûõ ýêñïîçèöèé íà ñåðèè ñóáýêñïîçèöèé ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ôîòîìåòðè÷åñêîé òî÷íîñòè ïðè áîëüøèõ îòíîøåíèÿõ ñ/ø.
Âûâîäû
Îñíîâûâàÿñü íà èñõîäíûõ òåõíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ ÁÊÏ, íàó÷íûõ çàäà÷àõ äëÿ ÁÊÏ, àíàëèçå ðàçëè÷íûõ âèäîâ ÏÈ è îïûòå ýêñïëóàòàöèè êàìåð ïîëÿ íà òåëåñêîïå èì. Õàááëà, ìîæíî äàòü ñëåäóþùèå ðåêîìåíäàöèè ïî õàðàêòåðèñòèêàì ÏÈ äëÿ ÎÊÏ:
 êà÷åñòâå ÏÈ äëÿ ÎÊÏ èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèê ñ ÷òåíèåì ïîëíîãî êàäðà (Full frame).
ÏÇÑ-ïðèåìíèê ñ ÷òåíèåì ïîëíîãî êàäðà òðåáóåò â ñîñòàâå êàìåðû ìåõàíè÷åñêîãî çàòâîðà.
Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ äëèòåëüíûõ ýêñïîçèöèé ÏÇÑïðèåìíèê íóæäàåòñÿ â ñèñòåìå îõëàæäåíèÿ äî òåìïåðàòóðû ïîðÿäêà –70 °Ñ â çàâèñèìîñòè îò ìàðêè ÏÇÑ.
Äîëæíà áûòü ïðåäóñìîòðåíà âîçìîæíîñòü ïåðèîäè÷åñêîãî íàãðåâà ÏÇÑ-ïðèåìíèêà äî òåìïåðàòóðû ïîðÿäêà +20 °Ñ.
Ñ öåëüþ óìåíüøåíèÿ øóìîâ ÏÇÑ-ïðèåìíèê äîëæåí ñ÷èòûâàòüñÿ íà ìàëîé ñêîðîñòè (50–200 êÃö).
Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòè åñòü âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèê, ðàáîòàþùèé â ðåæèìå MPP.
Äëÿ äîñòèæåíèÿ ìàêñèìàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ÏÇÑ ñ îñâåùåíèåì ñ îáðàòíîé ñòîðîíû.
Ðåêîìåíäóåòñÿ ðåàëèçîâàòü ðåæèì áèíèðîâàíèÿ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âîçìîæíîñòè êàëèáðîâêè ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÏÇÑ-ïðèåìíèêà íåîáõîäèìî ïðåäóñìîòðåòü ñèñòåìû äëÿ ïåðèîäè÷åñêîãî ïîëó÷åíèÿ êàëèáðîâî÷íûõ êàäðîâ ïëîñêîãî ïîëÿ  êà÷åñòâå ïðèãîäíûõ äëÿ ÎÊÏ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ìîæíî óêàçàòü ÏÇÑ-ïðèåìíèêè CCD 42-40, CCD447 è S100A. Ïîëó÷åííûå ïðåäâàðèòåëüíûå îöåíêè ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÊÏ ïîêàçûâàþò ïðåèìóùåñòâà ðåæèìà áèíèðîâàíèÿ äëÿ ïîèñêà ñëàáûõ îáúåêòîâ ïðè íèç-
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Êîðÿ÷êî Â.Ï., Êóðåé÷èê Â.Ì., Íîðåíêîâ È.Ï. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû ÑÀÏÐ / Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ. Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1987. C. 14–28.
12. Èíæåíåðíûé ñïðàâî÷íèê ïî êîñìè÷åñêîé òåõíèêå / Ïîä ðåä. Ñîëîäîâà À.Â. Èçä. 2-å, ïåðåðàá. è äîï. Ì.: Âîåíèçäàò, 1977. 16 ñ.
13. Àðóòþíîâ Ï.À. Òåîðèÿ è ïðèìåíåíèå àëãîðèòìè÷åñêèõ èçìåðåíèé. Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1990. 38 c.
14. Èçíàð À.Í., Ïàâëîâ À.Â., Ôåäîðîâ Á.Ô. Îïòèêî-ýëåêòðîííûå ïðèáîðû êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1972. 368 ñ.
15. Ôîðø À.À., ×åñíîêîâ Þ.Ì. Îïòèìèçàöèÿ è âûáîð ïàðàìåòðîâ ÒÂ-êàìåð çâåçäíûõ êîîðäèíàòîðîâ // Ïðåïðèíò. Ïð-2078. Ì.: ÈÊÈ ÐÀÍ, 2003. 14 ñ.
16. Àâàíåñîâ Ã.À., Áåññîíîâ Ð.Â., Êàðåëîâ À.È. Ìàòåìàòè÷åñêîå îáåñïå÷åíèå îïðåäåëåíèÿ îðèåíòàöèè ÊÀ ïî èçîáðàæåíèÿì çâåçäíîãî íåáà /  ñáîðíèêå “Îïòèêîýëåêòðîííûå ïðèáîðû â êîñìè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòàõ”. Ì.: Íàóêà, 1983.
17. Heyer Birett, et al. WFPC2 Instrument Handbook, Version 9.0. Baltimore: STScI, 2004. 400 p.
18. Gonzaga S., et al. ACS Instrument Handbook, Version 6.0. Baltimore: STScI, 2005. 252 p.
19. Pavlovsky C., et al. ACS Data Handbook, Version 4.0. Baltimore: STScI, 2005. 226 p.
10. Øóãàðîâ À.Ñ. Îáîñíîâàííûé âûáîð ñâåòîïðèåìíèêîâ äëÿ îïòè÷åñêèõ êàìåð ïîëÿ. Òåõíè÷åñêèé îò÷åò ÈÍÀÑÀÍ. Ì.: ÈÍÀÑÀÍ, 2006. 23 ñ.
11. Ìåëüíèêîâ Â.Ã. Ðàçðàáîòêà áàçû äàííûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ íàó÷íûõ ïðèáîðîâ èíñòðóìåíòàëüíîãî îòñåêà òåëåñêîïà Ò-170Ì. Òåõíè÷åñêèé îò÷åò ÈÍÀÑÀÍ. Ì.: ÈÍÀÑÀÍ, 2004. 30 ñ.
12. e2v technologies. http://www.e2vtechnologies.com.
13. Fairchild imaging. http://www.fairchildimaging.com.
14. SITe. http://www.site-inc.com.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
61