Разработка ПЗС-систем и их применение в фотометрических и спектральных исследованиях на 6-М телескопе тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

российская академия наук специальная астрофизическая обсерватория

рядченко виктор петрович

удк 520.

На правах рукописи

3: 520. 22

РАЗРАБОТКА ПЗС—СИСТЕМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НА 6-М ТЕЛЕСКОПЕ

Специальность 01. 03. 02 - астрофизика,

радиоастрономия

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Нижний Архыз - 1992

Работа выполнена в Специальной астрофизической обсерватории

Российской Академии Наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

B.П. Афанасьев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

C.Б. Новиков, ГАИШ.

кандидат физико-математических Наук М.К. Бабаджанянц, Санкт-Петербургский университет

Ведущая организация: ГАО РАН (Пулково)

Защита диссертации состоится "ИЗ" (р¡Сс^Л 4 " 199^г. на заседании специализированного совета Д 003.3 5.01 при Специальной астрофизической обсерватории РАН

по адресу: 357147, Ставропольский край, Зеленчукский район, пос. Нижний Архыз.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САО РАН.

Автореферат разослан ^ О^^ ^ЗС^Л 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. физ.-мат. наук

/Е.К. Майорова/

I -¡T; ;

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 106.

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 ибязываят 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 CAO 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 б-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.

Ц§2ь.Е§боты

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 5-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 оЗрггзцы 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.

Основныа_положениях _ выносимы§_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.

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. , ". • ■ . -

Разработ&на методика минимизации неэффективности переноса заряда в криостатируемой матрице ФПЗС, которая обеспечивает на практике достижение, величины неэффективности переноса 5-10~б.

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 мультиобъектный, зшелле-спектроскопичоский, фотометрический 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 положо-ны в основу методик проведения наблюдений.

Система на криостатированной матрице ФПЗС с виртуальной фазой реализована в отдельном варианте для Шемахинской астрофизической обсерватории АН Азербайджана.

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_]эаботь1

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 CAO АН СССР, ГАИШ, ШЛО АИ АзССР, Уральском гос. университете, ВНИИ Телевидения и ВНИИ "Электрон".

Структура_и_gбъем_диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Общий объем диссертации страниц, из них страниц текста, ^

страниц фотографий, рисунков и таблиц. Библиография содержит

наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во_Введении приводится обоснование актуальности работы, сформулированы цель и положения, выносимые на защиту, кратко представлено содержание диссертации.

В_Главе_1 рассматривается обобщенная структура измерительной ПЗС-системы и особенности формирования в ней сигнала изображения, анализируются процессы, искажающие видеосигнал, формулируются способы минимизации искажений и на их основе предлагаются принципы построения ПЗС-системы, обосновывается выбор архитектуры ПЗС-системы, обеспечивающей необходимую автоматизацию наблюдений на телескопе .

В первом параграфе кратко рассмотрены принципы устройства матричных преобразователей свет-сигнал и формирования ими сигнала изображения, производится обзор основных направлений и достижений в создании ПЗС-аппаратуры за рубежом, обобщаются способы построения ПЗС-систем для цифровой регистрации изображений в астрономии.

Наибольшее применение в астрономии нашли матрицы ФПЗС со схемой организации считывания, построенной по принципу переноса кадра, преимущественно с трехфазной структурой переноса заряда и фронтальным или обратным освещением. Это обусловлено минимальными потерями света в электродных структурах. В разное время по мере со-

вершенствования технологии применялись приборы с поверхностным или объемным каналом переноса заряда, а также устройства вывода, построенные на основе транзистора с плавающим затвором или плавающей диффузии.

Матрицы ФПЗС используются в наблюдениях слабых объектов при длительном экспонировании фоточувствительной поверхности с последующим однократным считыванием заряда, выполнением преобразования сигнала изображения в цифровой код и записью его в ЭВМ.

В наблюдательной системе можно выделить отдельные функционально законченные элементы: система формирования изображения, криостати-руемое фотоприемное устройство, система управления, система калибровки, цифровая регистрирующая система. Такое разделение позволяет :

- оптимизировать информационные потоки между элементами наблюдательной системы;

- выделить процессы, вносящие искажения в сигнал изображения на каждом из этапов его формирования;

- определить концепцию автоматизации наблюдений и архитектуру ПЗС-системы.

Система формирования изображения (СФИ), выполняет преобразование распределения освещенности, создаваемого объектом на входном зрачке, в оптическое изображение, описываемое двумерной функцией К(х»У)/ проектирузмое на матрицу ФПЗС. СФИ включает оптику телескопа и оптические приборы, используемые совместно с ПЗС-системой.

Фотоприемное устройство (ФПУ) выполняет преобразование двумерной функции R(x,y) в одномерную - U(t), представляющую видеосигнал ФПУ.

Система управления формирует сигналы для работы ФПУ в различных режимах, выполняет обработку видеосигнала, его преобразование в цифровой код и передачу в регистрирующую систему.

Система калибровки используется для определения параметров ПЗС-системы и коррекции-искажений, вносимых ею.

Цифровая регистрирующая система обеспечивает управление режимами работы ПЗС-системы, принимает цифровой видеосигнал, сохраняет его во внешней памяти, преобразует для визуализации и качественной оценки, позволяет получить текущую информацию о системе и о считанном изображении. В дальнейшем информация об объекте и результа-

ты калибровки, полученные в процессе наблюдений подвергаются совместной обработке для получения физических характеристик процессов в наблюдаемых объектах.

Во втором параграфе на основе обобщенной структуры ПЗС-системы производится классификация случайных и систематических искажений, которые претерпевает сигнал изображения на всех этапах его фомиро-вания.

Наиболее важной характеристикой, определяющей качество измерительной системы, является ее высокая фотометрическая и координатная точность получения оценок измеряемых величин.

Для реализации предельных характеристик ПЗС-системы необходимо:

- рассмотреть процессы, происходящие в систе.ме при преобразовании оптического изображения в цифровое;

- выделить искажения, вносимые преобразователем свет-сигнал и схемами управления и обработки, и оценить уровень искажений;

- разработать способы и методы, уменьшающие или полностью исключающие влияние искажений.

На каждом этапе формирования сигнала изображения возникают искажения, которые имеют систематический и случайный характер. Систематические искажения остаются постоянными или закономерно изменяются при измерениях изображений. Их необходимо исследовать на стадии калибровки системы и уменьшать, улучшая схемные решения, оптимизируя режимы аппаратуры и технологию наблюдений. Определенную группу искажений следует учитывать посредством коррекции первичных отсчетов при цифровой обработке накопленных изображений в ЭВК. Случайные искажения составляют шум системы.

Процесс преобразования оптического изображения в цифровой код можно разбить на следующие этапы:

- формирование оптического изображения, которому свойственны оптические аберрации;

- входное преобразование в матрице ФПЗС фотонного потока р носители заряда, при котором квантовый выход имевт спектральную зависимость, а также имеют место интерференционные явления в электродных структурах и пространственная неоднородность чувствительности;

- накопление заряда при экспонировании изображения, при котором проявляются процессы термогенерации, "горячие" дефекты матрицы,

процессы, связанные с взаимодействием матрицы ФПЗС с высокоэнергетическими частицами;

- перенос заряда при считывании, сопровождающийся потерей заряда на ловушках, процессами свечения в элементах структуры матрицы:

- выходное преобразование в матрице ФПЗС заряда в напряжение, при котором вносятся коммутационный шум и шум выходного транзис-. тора, а также нелинейные искажения;

- аналоговая обработка электрического сигнала с проявляющимися дрейфами, шумами, нелинейными искажениями;

- преобразование сигнала в цифровой код, при котором существуют шум квантования, дифференциальные и интегральные искажения;

- передача сигнала к цифровой системе регистрации, связанная с искажениями, присущими цифровым линиям связи.

Отдельным, но весьма важным этапом преобразования накопленных цифровых изображений является их первичная обработка, в процессе которой могут возникать фотометрические искажения из-за неидеальных калибровочных данных.

В третьем параграфе осуществляется подробный анализ искажающих факторов и оценка величин их воздействия на метрологические характеристики ПЗС-системы, приводятся результаты собственных исследований механизмов возникновения искажений, делаются выводы о принципах построения измерительной ПЗС-системы, обеспечивающих достижение максимальных значений чувствительности и фотометрической точности такой аппаратуры.

Общим требованием к построению наблюдательной системы на основе матрицы ФПЗС является согласование оптической системы с параметрами используемого датчика изображения. Автор подчеркивает важность такого преобразования входного изображения в СФИ, при котором устанавливается оптимальное соотношение между элементом разрешения фотоприемника и элементом разрешения изображения и обеспечивается максимальная пропускная способность системы с наибольшим значением отношения сигнал/шум. Получены оценки, в частности, необходимого коэффициента редукции изображений для прямых наблюдений в первичном фокусе 6-м телескопа, составившего величину в 3-4 раза для среднего качества изображения 2.5. При этом выигрыш в отношении S/N в сравнении с отсутствием редуктора светосилы составил 2.5 ра-

I

за с одновременным увеличением размера регистрируемого поля с 1. 5

г

ДО 4.5.

Поскольку качество изображения на телескопе величина непостоянная, рассматривается способ адаптивного согласования оптических передаточных функций, основанный на оперативной оценке качества изображения с последующим формированием элемента разрешения матрицы ФПЗС в виде группы объединенных элементов дискретизации и который может быть применен в отсутствие СФИ.

Систематические искажения включают в себя группу неустранимых искажений, обусловленных физическими и технологическими ограничениями в матрицах ФПЗС, в том числе ограничение спектрального диапазона чувствительности, пространственной разрешающей способности за счет дискретности фотоприемника, "горячие" дефекты. Частично устранимыми искажениями являются пространственная неоднородность чувствительности, интерференционные искажения спектральной чувствительности, которые можно исправлять на этапе цифровой обработки изображений, применяя данные калибровки. К такому же типу относится пространственно зависимый термогенерационный процесс, который в значительной мере исключается посредством охлаждения прибора, а возможный остаточный сигнал вычитается как отдельно накопленное "темновое" изображение.

Другая группа искажений, являющихся параметрически зависимыми, может быть подвергнута оптимизации - это температурная зависимость квантового выхода и ограничение пространственной разрешающей способности неэффективностью переноса заряда.

Падение квантового выхода в длинноволновой области спектральной чувствительности матрицы ФПЗС при ее охлаждении требует оптимизации температурного режима.

С другой стороны, эффекты неполного переноса заряда оказываются тоже связанными с температурой прибора. При очень слабом сигнале причинами неполного переноса заряда является не только захват сигнального заряда на ловушки (Секен и Томпсет, 1978), но и эффекты, обусловленные наличием ложных потенциальных барьеров и карманов (Джанесик и др., 1984). Последние представляют собой искажения формы потенциального рельефа или его глубины вследствие вариации ширины канала, поликремниевых краевых возвышений и горизонтальной диффузии йонов бора. Захват сигнального заряда такими дефектами рельефа сильно проявляется при понижении температуры из-за того.

что термальной энергии кристаллической решетки полупроводника не хватает для эмиссии захваченного заряда из потенциальных карманов.

Исследования автора показали, что существует определенная температурная зона, в которой влияние дефектов рельефа минимально. В то же время найдено, что выравнивания формы рельефа можно добиться вариацией величины управляющих сигналов переноса.

На основе исследований разработана методика минимизации неэффективности переноса заряда в криостатируемой матрице ФПЗС.для достижения максимального пространственного разрешения, основанная на выборе оптимальных температуры и управляющих сигналов, обеспечивающих компенсацию искажений формы потенциального рельефа, с учетом минимизации потерь длинноволновой чувствительности. Методика позволяет достичь величины неэффективности переноса заряда 5-io 6 для матриц ФПЗС с виртуальной фазой. Эксперименты показали, что/'опти-мальная температура для разных приборов данного типа может лежать

о - . 1

в диапазоне -90 + -150 С. . • .

Механизмы возникновения случайных искажений а ПЗС-системах 'хорошо известны (Носов и Шилин, 1986): коммутационные помехи от сигналов управления переносом и детектированием, шум переноса как_ результат флуктуации количества заряда, захватываемого ловушками, шумы входной цепи предварительного усилителя, усилителя, тракта аналоговой обработки сигнала, шум квантования аналого-цифрового преобразователя.

Предлагаются принципы построения высокочувствительной прецизионной системы на криостагированной матрице ФПЗС, сочетающие следующие способы оптимизации стратегии управления датчиком изображения и преобразования сигнала:

- минимизацию проникновения коммутационных помех за счет разделения времени на управление и обработку сигнала, а также , применения дифференциальных способов компенсации помех;

- минимизацию воздействия дефектов потенциального рельефа й канале переноса заряда зэ счет оптимизации выбора и обеспечения необходимой стабилБносди температуры матрицы ФПЗС и сигналов управления переносом заряда;

- аналоговую обработку сигнала по принципу двойной коррелированной выборки с дифференциальной компенсацией помех и токов утечки цепей интегрирования и выборки.

В четвертом параграфе обсуждаются особенности использования матриц ФПЗС в наблюдениях на б-м телескопе, анализируются принципы автоматизации наблюдений с применением ПЗС-систем, предлагаются и обосновываются варианты архитектур таких систем, которые удовлетворят требованиям, существующим в фотометрическом и спектрофото-метрическом методах наблюдений.

При рассмотрении существующих архитектур ПЗС-систем обсуждается вопрос, связанный с функциональной ориентацией ЭВМ цифровой системы сбора и системы управления ФПУ. В большинстве схем, разработанных в обсерваториях или предлагающихся фирмами, функции системы управления сводятся к формированию сигналов управления матрицей ФПЗС и затвором. В современных наблюдениях существует необходимость в автоматизированном управлении разнообразными исполнительными элементами оптических систем (наборы фильтров, дифракционные решетки и т.д.). Учитывая это обстоятельство, а также временные соотношения процессов управления и сбора в сочетании с дистанционным характером наблюдений на крупных телескопах, предлагается распределить функции управления и сбора следующим образом:

- ЭВМ цифровой системы регистрации выполняет инициализацию ПЗС-системы, производит сбор поступающей информации, ее архивизацию, выполняет операции по быстрой интерактивной обработке для получения оценочных результатов с целью планирования дальнейших наблюдений ;

- система управления ФПУ принимает команды от ЭВМ системы сбора, формирует сигналы для различных режимов ФПУ, формирует сигналы, необходимые для управления исполнительными механизмами в программно определенной последовательности.

Очевидно, что для оптимального построения системы необходимо выполнить принцип открытости и модульности для возможного ее расширения путем добавления новых элементов к развития посредством замены элементов на новые, более совершенные. Для обеспечения гибкости системы ее модули должны программно управляться. Все эти требования могут быть реализованы при использовании технических средств магистрально-иодульных систем (КАМАК, УМЕ и т.д.)

При рассмотрении потоковой архитектуры системы можно выделить временные интервалы, в которых происходит обмен командами и данными между ЭВМ цифровой системы сбора и микро-ЭВМ системы управле-

ния ФПУ, передача данных от ПЗС-системы к системе сбора, инициализация системы управления ФПУ.

Основная задача - обеспечение при передаче данных от ПЗС-системы непрерывности потока данных на время считывания кадра и их надежной буферизации. Традиционное ее решение сводится к использованию кадровых запоминающих устройств (видеопамяти), которое накладывает ограничение на форматы применяемых матриц ФПЗС и уменьшает гибкость архитектуры. Автором предлагается иной вариант управления потоками данных, основанный на считывании изображений из матрицы ФПЗС блоками, буферизации их в режиме прямого доступа к памяти ЭВМ системы сбора с последующей записью на твердый диск.

Приведенные способы построения двухуровневых иерархических открытых ПЗС-систем позволяют рационально использовать наблюдательное время и ресурсы высокопроизводительной ЭВМ системы сбора, легко адаптировать аппаратуру к различным методам наблюдений, без перестройки конфигурации внедрять новые образцы матриц ФПЗС, а также реализовывать наблюдательные системы на основе локальных компьютерных сетей.

В_Главе_2 описаны ПЗС-системы, разработанные для фотометрии и спектрофотометрии на б-м телескопе и приводятся результаты исследования их фотоэлектрических характеристик.

В первом параграфе описана система предназначенная для получения прямых изображений (Борисенко и др., 1990).

В системе использована матрица ФПЗС-1М с кадровым переносом,

трехфазным управлением и числом элементов 512x576, размерами 18x24

2

мкм . Выходной узел ФПЗС выполнен по схеме с плавающим затвором (Березин и др., 1982).

Двухуровневая иерархическая архитектура системы основана на применении в качестве ведущей ЭВМ СМ-4 комплекса "Квант" (Афанасьев и др., 1987) или микро-ЭВМ "Мера-60" с видеопамятью (Борисенко и др., 1987), а в качестве ведомой - ЭВМ " Электроника-60". Система управления ФПУ выполнена ча основе стандарта КАМАК.

Программное" тхбоспечение, поддерживающее управление системой, ее калибровку, сбор и архивизацию поступающих данных, а также их предварительную обработку написано на языках ФОРТРАН и МАКРО-11.

Исследования фотоэлектрических характеристик аппаратуры показали, что достигнутая величина шума системы составляет 38 е /эле-

мент - практически предельное значение для матриц, созданных по технологии с поверхностным каналом переноса заряда и плавающим затвором. ПЗС-система обеспечивает спектральный диапазон чувствительности 400 - 950 нм с квантовой эффективностью 8 % в максимуме, определяемой принципами работы такого прибора - фронтальное освещение через поликремниевые электроды кадрового переноса заряда, на

которых происходит потеря .части светового потока. Снижение шума

з

системы позволило достичь динамического диапазона 7-10 .

Для оценки эффективности примененных способов коррекции систематических искажений и минимизации шума в обеспечении высокой фотометрической точности и стабильности системы применена методика взаимного исправления "плоских полей", основанная на получении средней относительной ошибки на различных пространственных частотах в матрице отсчетов, являющейся результатом деления цифровых изображений равномерной засветки матрицы ФПЗС. Ошибка исправления на коротком промежутке времени в 1 час на низких пространственных частотах составила величину 0.05 %, а на высоких - 0.32 % (здесь средняя относительная ошибка за счет фотонной статистики составляет 0.25 %). Указанные парамеры получены в лабораторных условиях и характеризуют предельные точностные возможности такой ПЗС-системы, получаемые при высоком отношении S/N. В условиях реальных наблюдений ошибки исправления плоских полей от сумеречного неба, практически используемых для калибровки и зарегистрированных в разное время в течение полугода, составляют соответственно 0.5% и 1.5%.

Оценка относительной долговременной стабильности кванта преобразования, характеризующей изменение абсолютной чувствительности аппаратуры, проверенная по результатам калибровок в течение нескольких лет, не превышает точности ее определения (3% - 5%).

Во втором параграфе представлена система, разработанная на основе матрицы ФПЗС с виртуальной фазой и предназначенная, в первую очередь, для регистрации спектральной информации (Борисенко и др., 1991).

В системе использована матрица ФПЗС с форматом 520x580 элемен-'

тов с виртуальной фазой и объемным каналом. Размеры элемента сос-2

тавляют 18x24 мкм ; выходной узел выполнен по схеме с плавающей-диффузией.

Система управления ФПУ разработана в стандарте КАМАК с исполь-

зоваиием в качестве ведомого компьютера микро-ЭВМ С-180А, совмещающей функции контроллера крейта.

Новейшая технология виртуальной фазы (Вишневский и др., 1992) обеспечила существенное улучшение чувствительности и эффективности переноса заряда в матричных ФПЗС. За счет открытой от поликремниевых электродов площади элементов достигается квантовая эффективность около 60 %. Спектральный диапазон охватывает 350-1000 нм с улучшенной эффективностью в коротковолновой области спектра вследствие малой глубины залегания р-n перехода в виртуальной области и улучшения сбора носителей заряда.

Шум считывания, достигнутый в ПЗС-системе, составил 18 е /элемент, в то время как эквивалентный шум системы без матрицы не превышает 2 е /элемент.

Исследования эффектов неполного переноса заряда позволили оптимизировать работу криостатированной матрицы ФПЗС и достичь неэффективности переноса, не превышающей 5-10

Улучшение фотоэлектрических параметров в сочетании с рядом схемотехнических изменений обеспечило среднюю относительную ошибку взаимного исправления "плоских полей" от сумеречного неба на низких пространственных частотах 0.1 % и на высших - 0.4 % при большой экспозиционной дозе.

В третьем параграфе описана модификация системы на матрице 520x580 элементов с виртуальной фазой, в которой в качестве цифровой системы сбора используется ЭВМ типа IBM PC.

Архитектурные и функциональные особенности такого варианта заключаются в следующем:

- ведущий компьютер IBM PC/AT обеспечивает инициализацию системы управления, производит сбор и архивизацию цифровых изображений, а также интерактивный экспресс-анализ;

- ведомый микрокомпьютер (С-180А) в КАМАК-системе управления ФПУ принимает команды от ведущего компьютера, формирует сигналы для различных режимов ФПУ, управляет исполнительными механизмами;

- считывание изображений из матрицы ФПЗС производится блоками с передачей цифровых данных по линии последовательной связи в систему регистрации (на растояние до 200 м), буферизацией данных в режиме прямого доступа к памяти персонального компьютера с последующей записью на твердый диск;

- высоконадежная передача сообщений между ведомым и ведущим компьютерами со скоростью 200 чс/бит обеспечивается специально разработанным интерфейсом;

- визуализация изображений осуществляется в псевдоцветах на мониторе EGA/VGA компьютера IBM PC.

На основе разработанной ПЗС-системы изготовлено пять ■ образцов аппаратуры для использования в мультиобъектном, эшелле-спектроско-пичэском, фотометрическом методах наблюдений на б-м телескопе, а также 2-м телескопе Шемахинской обсерватории..

В_Главе_3 описаны результаты испытаний ПЗС-систем в различных методиках наблюдений на 6-м телескопе.

В первом параграфе представлены результаты применения ПЗС-сис-тем на матрице с поверхностным и объемным каналом переноса при регистрации прямых изображений в первичном фокусе БТА.

Регулярные наблюдения с ПЗС-системой на матрице с поверхностным каналом переноса были начаты в 1987 г., а в 1991 г. проведена замена на новую систему на матрице с виртуальной фазой.

Системы использовались совместно с редуктором светосилы с коэффициентом редукции 3. Размер элемента матрицы при этом состарил 0.41x0.54. В редукторе светосилы установлен затвор, набор светофильтров, обеспечивающих фотометрию в В, V, 3, I полосах, схема для подсветки ФПЗС и схемы управления. Внешняя подсветка ФПЗС применяется только при калибровке систем, поскольку потока от фона неба достаточно для компенсации неэффективности переноса.

На системе с ФПЗС-1М выполнена программа фотометрии галактик, видимых с ребра (Караченцев и др., 1992), и проводились наблюдения по программе отождествления радиоисточникоз. За 900 с при изображениях с FWHM 2.5 объекты со звездной величиной mR = 231п - 23?5 регистрировались с отношением S/N=3.

Внедрение в наблюдения системы не. матрице с виртуальной фазой с более высокими квантовой эффективностью и эффективностью переноса заряда, а также низким шумом, позволило сократить время экспозиции и улучшить пространственное разрешение. Так, за 600 с при изображениях с FWHM 1.4 звездная величина raR = 24®5 регистрируется с отношением S/N=85.

С 1987 года метод регистрации прямых изображений с ПЗС-системой является единственным средством при получении прямых изображений

на БТА.

Во втором параграфе представлены результаты наблюдений с ПЗС-системой на матрице с виртуальной фазой при регистрации спектров низкого разрешения.

В этой методике спектральных исследований применяется мульти-объектный волоконный спектрограф (Афанасьев и др., 1992), позволяющий в одной экспозиции регистрировать спектры около сотни объектов .

Использование такого спектрографа совместно с матрицей ФПЗС с виртуальной фазой обеспечивает регистрацию спектров объектов в диапазоне 400-800 нм с дисперсией - 40нм/мм. Спектральное разрешение при этом составляет около 2им.

Проведенные наблюдения на б-м телескопе продемонстрировали возможность успешного применения аппаратуры для наблюдений слабых внегалактических объектов. При суммарном времени экспозиции 120 минут были получены спектры объектов 21т в В с отношением S/N около 5. В этом режиме, в сравнении с телевизионным счетчиком фотонов, получается выигрыш в отношении S/N в два раза.

Исследования искажений изображений, обусловленных " следами" космических частиц показали, что максимум распределения заряда от таких событий соответствует 1200 электронам, что согласуется с аналогичными данными для зарубежных ПЗС-матриц (Биэл и др., 1987). Среднее количество частиц, регистрируемых матрицей за 1 час экспозиции, около 800.

Оценки, выполненные с целью оптимизации числа экспозиций, показали, что при полном времени наблюдений до 20-30 минут оптимальными с точки зрения отношения S/N в суммарном изображении являются 2 экспозиции, при временах до 1-1.5 часов - 3 экспозиции, а при больших - 4 экспозиции. Кроме того, при использовании матриц с меньшим уровнем шума считывания при прочих равных условиях выгодно увеличивать число таких экспозиций (Афанасьев и др., 1991).

В третьем параграфе описываются результаты исследований ПЗС-си-стем выполненных—ча HTA в методиках регистрации спектров среднего и высокого разрешения.

Спектральная аппаратура БТА, разработанная в начале 70-х годов, была ориентирована на фотографические методы регистрации и, с точки зрения задачи о минимуме информационных потерь, не является

оптимальной для работы с новыми фотоприемниками.

Так, установка ПЗС-системы на первой камере Основного звездного спектрографа потребовала выноса фокуса для исключения виньетирования светового пучка корпусом фотоприемного устройства системы. При этом регистрируемый спектральный диапазон составил около 3 нм, а высота спектра более 1.2 мм. Использование резателя изображений (Афанасьев и др. 1986) позволяет уменьшить потери света на щели спектрографа и улучшить отношение S/N при обработке получаемых изображений.

Однако небольшой регистрируемый спектральный диапазон позволяет решать только узкий круг задач. Фотометрическая точность в таком методе наблюдений снижается из-за сложности проведения непрерывного спектра на маленьком участке регистрируемого спектра, бленди-рованного линиями.

Более радикально проблема регистрации спектров высокого и среднего разрешения решается в спектрометрах со скрещенной дисперсией (спектрометрах с эшелле). Варьируя параметры основного и дополнительного диспергирующих узлов, можно добиться оптимального согласования информационных характеристик спектрографа и светоприемника (Уокер и Диего, 1985) . Большой динамический диапазон и хорошая линейность ФПЗС не создают ограничений с распределением энергии в регистрируемом изображении, связанным как с различным спектральным классом объектов, так и с концентрацией энергии в различных порядках эшелле решеток.

В CAO на настоящий момент используются три спектрометра со скрещенной дисперсией: "Зебра" - существенно переработанный спектрограф СП-161 (Зандин и др., 1977, Клочкова, Панчук, 1991); ЭСПАК

эшелле-спектрометр, построенный по автоколлимационной схеме (Клочкова и др., 1991) и светосильный эшелле-спектрометр ("Рысь") (Клочкова, 1991), ориентированные на применение с матричными светоприемниками.

Каждый из этих спектрометров предназначен для решения определенного круга задач и имеет как информационные (дисперсия, упаковка порядков в кадре), так и технические особенности.

. Для оценки проницающей способности, информативности и перспективности вариантов наблюдений, ПЗС-сисгема была испытана со всеми этими спектрометрами.

Этелле-спектрометр "Зебра" разработан на основе спектрографа CII7I6I, предназначавшегося ранее для наблюдений с электрооптическим преобразователем. Спектрограф имеет плавное изменение распределения концентрации света в относительно невысоких Порядках и высокую прозрачность в УФ-диапазоне. Длинноволновая граница регистрируемого спектрального диапазона определяется спектральной чувствительностью матрицы ФПЗС. Ширина единовременно регистрируемого спектрального диапазона составляет 400 нм, обратная линейная дисперсия - 2.3+6.1 нм/мм, а спектральное разрешение 0.15-0.2 нм.

Применение ПЗС-системы на этом спектрометре в сравнении с возможностями электронно-оптических преобразователей расширяет регистрируемый спектральный диапазон в длинноволновую область и повышает качество получаемого материала за счет применения геометрически стабильного фотоприемника. Спектры звезд стандартов, полученные на этом спектрометре, позволили произвести оценку спектральной чувствительности всего комплекса в широком диапазоне длин волн 320 -1100 нм. Сочетание эшелле-спектрометра "Зебра" с ФПЗС перспективно для решения тех задач, где необходима регистрация максимально широкого спектрального инторвала с хорошим разрешением. В наблюдениях получены спектры планетарной туманности и сейфертовской галактики.

Эшелльные спектрометры ЭС.ПАК и "Рысь" разрабатывались в соответствии с концепцией астроспектроскопии на БТА (Клочкова, Панчук, 1991) .

Применение ФПЗС для наблюдений с зшелльными спектрографами высокого разрешения ЭСПАК (Клочкова и др. , 1991) и "Рысь" продемонстрировало возможность регистрации спектров объектов 12m-13m в V с обратной линейной дисперсией около 1 нм/мм, разрешением 0.02 нм и отношением S/N лучше 40.

Варьируя узлом скрещенной дисперсии можно добиваться максимально допустимой упаковки порядков в кадре и выполнять наблюдения в диапазоне 350+1000 нм, регистрируя за одну экспозицию около 250 нм.

Применение ПЗС-систем, разработанных в соотвотстзии с изложенными в Главе 1 принципами, в наблюдениях на 6-м телескопе показало их высокую •эффективность для решения различных задач фотометрии и спектроскопии, обеспечило развитие новой технологии наблюдений и

обработки данных и в значительной степени вытеснило методы, основанные на электровакуумных приборах.

В-Заключении кратко представлены основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в шести работах:

1. Борисенко А. Н. , Маркелов C.B., Рядченко В. П. , Чепурных Г. С. : 1988, Комплекс для регистрации изображений матрицами ПЗС, Сообщения CAO, ВЫП.56; стр.42-43.

2. Витковский В. В. , Желенкова О. П. , Рядченко В. П. , Щергин B.C. : 1988, Применение FITS-формата для обмена и архивизации астрономи-мических данных, представленных в цифровом виде, Сообщения CAO, вып 59, стр. 60-67.

3. Борисенко А.Н. , Витковский В. В. , Желенкова О. П. , ¡Сопылов А. И., Маркелов C.B., Рядченко В. П. , Щергин B.C.: 1990, Комплекс регистрации изображений с матрицей ПЗС 6-м телескопа, Астрофиз. исслед. (Изв. CAO), т.32, стр. 157-165.

4. Клочкова В. Г. , Панчук В. Е. , Рядченко В. П.: 1991, Автоколлимационный эшеле-спектрометр 6-м телескопа, Письма в Астрон. ж., т.17, № 7, стр.645-652.

5. Borisenko A.N., Markelov S.V., Ryadchenko V.P.: 1991, A virtual phase CCD in the image system for spectral observations on the 6-m telescope, Препринт CAO № 76.

6. Afanasiev V.L., Vlasyuk V.V., Dodonov S.N., Borisenko A.N., Markelov S.V., Ryadchenko V.P.: 1991, Low resolution spectral observations using a virtual phase CCD system, Препринт CAO № 76.

Литература

Афанасьев В. JI. , Гажур Э.Б., Панчук В.Е. : 1986, Бюлл. "Открытия, изобретения", вып. 21, авт. свид. № 1236325, стр.172.

Афанасьев В. Л. , Балега Ю. Ю. , Грудзинский М. А. , Кац Б.М. , Маркелов C.B., Нощенко B.C., Цукерман И. И. : 1987а, Архитектура телеви-зионно-вычислительного комплекса для астрофизических исследований, Техника средств связи, сер. Техника телевидения, вып.5, с.13-21.

Афанасьев и др. fAfanasiev V.L., Vlasyuk V.V., Dodonov S.l^.,

Borisenko A.N., Markelov S.V., Ryadchenko V.P.): 1991, Low resolution spectral observations ^using a virtual phase CCD system, Препринт САО № 76.

Афанасьев В. JI., Власгак В. В. , Додонов С. Н. , Драбек С. В. : 1992, Мультиобъектный волоконный спектрограф б-м телескопа, Препринт №.83.

Березин В.Ю., Зинчик Ю.С., Котов Б.А., Санин К.В., Тимофеев В. О. , Хвиливицкий А. Т. : 1982, Фоточувствительные матрицы ПЗС с числом элементов 576x512.и 288x256, Электронная промышленность, вып. 7(113), стр. 27-30.

Биэл и др. (Beal G. , Boucharlat G. , Chabbal J., Dupin J.P., Fort В., Mellier Y.): 1987, Tomson-CSF fraiue-transfer charge-coupled-device imagers: design and evaluation at very low flux level, Optical Engineering, v.26, No.9, pp.902-910.

Еорисенко A. H. , Маркелов С. В. , Рядченко В. П. , Чепурных Г. С. : 1987, Комплекс для регистрации изображений матрицами ПЗС, Сообщения САО, вып.56, стр.42-43.

Еорисенко А.Н., Витковский В.В., Желенкова О.П., Копылов А.И., Маркелов С. В. , Рядченко В. П., Щергин B.C.: 1990, Комплекс регистрации изображений с матрицей ПЗС 6-м телескопа, Астрофиз. исслед. (Изв. САО), Т.32, стр.157-165.

Еорисенко" и др. (Borisenko A.N., Markelov S.V., Ryadchenko V.P.): 1991, A virtual phase CCD in the image system for spectral observations on the б-m telescope, Препринт САО № 76.

Вишневский Г.И., Булгаков А.Г., Выдревич М.Г., Зинчик Ю. С. , Коссов В.Г., Лазовский Л. Ю. : 1992, Матричные ФПЗС с виртуальной фазой для научных исследований, Электронная промышленность, № 2., стр.37-42.

Джанесик и др. (Janesick J.R., Elliot Т., Collins S., Marsh H., Blouke M.M., Freeman J.): 1984, Scientific charge-coupled devices, Proc. of SPIE, v.501, pp.2-31.

Зандин H.Г., Гусев 0.H., Пейсахсон И. В. : 1977, Звездный спектрограф со"скрещенной дисперсией, Оптико-механич. промышл., № 6, с. 20.

Караченцев и др. (Karachentsev I.D., Georgiev TS.B., Kajsin S.S., Kopylov A.I., Ryadchenko V.P., Shergin V.S.O: 1992, Flat edge-on galaxies. Atlas and photometry, Astronomical and Astrophy-

sical Transactions, в печати.

Клочкова В.Г., Панчук З.Е.: 1991, Концепция астроспектроскопии на БТА, Астрофиз. исслед. (Изв. САО), т. 33, стр. 3-28.

Клочкова В.Г., Панчук В.Е., Рядченко В.П.: 1991, Автоколлимационный эшеллче-спектрометр 6-м телескопа, Письма в Астрон. ж., Т.17, № 7, стр.645-652.

Клочкова В.Г.: 1991, Спектроскопические проявления эволюции звездных атмосфер, автореф. док. дис. , Н. Архыз.

Носов Ю.Р., Шилин В.А.: 1986, Основы физики приборов с зарядовой связью. М., Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит.

Секен К., Томпсет М.: 1978, Приборы с переносом заряда. Пер. с анг. Под ред. В.В. Поспелова и Р.А. Суриса., М-., Мир.

Уокер и Диего (Walker D.D., Diego F.): 1985, Design philosophy of the forthcoming echelle spectrographs for the AAT and LPO, Monthly Not. Roy., Astron. Soc., v.217, p.355.