全球最大相机拍出首批32亿像素照片

导读:相机内置了189个分辨率为1600万像素的成像传感器,这些传感器被花粉为25组,其中21组传感器用于成像。每一组传感器价值至多为300万美元,所有成像传感器的安装历时6个月。

今年9月,美国能源部SLAC国家加速器实验室表示,研究人员用全球最大的数码相机拍摄了首批分辨率高达32亿像素的照片,这也是有史以来分辨率最高的照片。这台世界上最大的数码相机仅在64CM的焦平面上,足足装了189个感光耦合器组成,像素高达32亿。

 

据悉,由于分辨率达到32亿像素,想要完整显示一张照片需要378台4K电视机,照片放大之后,甚至能看到24公里外的高尔夫球。

SLAC国家加速器实验室表示,拍摄照片相机的成像传感器可以发现比肉眼可见的物体暗1亿倍的物体,这种感光灵敏度使人们可以看到数千英里外的蜡烛。

据介绍,之所以能够捕获如此高的像素照片,主要原因在于相机内置了189个分辨率为1600万像素的成像传感器,这些传感器被花粉为25组,其中21组传感器用于成像。每一组传感器价值至多为300万美元,所有成像传感器的安装历时6个月。

拍摄这些照片的相机将被应用在斯坦福大学位于智利鲁宾天文台 的“时空遗产调查”天文望远镜中,并在10年内收集约200亿个星系的图像,观测研究暗物质、暗能量等现象,以及搜索对地球产生潜在相撞威胁的小天体。

在接下来的几个月中,科学家将把低温恒温器和焦平面插入相机机身,并添加世界上最大的光学镜头,快门和滤镜更换系统。

它的数据将被输入鲁宾天文台遗留空间和时间调查(LSST)——一个比地球上有生命的人还多的星系和无数天体物理物体运动的目录中。这意味着,使用LSST相机,天文台将创造有史以来最大的天文电影,并揭示宇宙中一些最大的谜团,包括暗物质和暗能量。

事实上,用这些传感器拍摄的第一张照片是对相机焦平面的测试,其组装于今年1月在SLAC完成。

在某种程度上,焦平面类似于数码消费相机或手机相机的成像传感器:它捕捉物体发出或反射的光,并将其转换成电信号,用于产生数字图像。但是LSST相机的焦平面要复杂得多,它包含189个单独的传感器,或电荷耦合器件(CCD),每个都能为桌面带来1600万像素的像素,与大多数现代数码相机的成像传感器数量大致相同。

为了让焦平面通过测试,研究小组需要把它放在一个低温恒温器中,将传感器冷却到-150°F(-101.1°C),以达到所需的工作温度。最终,LSST相机的焦平面将可以捕捉大约40个满月大小的天空的一部分,且它的分辨率很高,以至于人们能够发现比肉眼可见的暗1亿倍的物体,这种灵敏度可以让人看到几千英里外的蜡烛。

如何安装调试

按照此相机的天文台,被命名为薇拉·鲁宾天文台,是为了纪念薇拉·鲁宾(Vera Rubin)这位出色的天文学家,在暗物质理论上的卓越成就!估计,天文学家们,也很期待这个功能强大的天文台,能在宇宙探索的路上,让人们获得更多有关暗物质、暗能量等未知领域的相关天文线索、数据信息方面有更大的突破。

天文台虽然是美国主要砸钱盖建,但所处的位置,却建于南美智利的北部地区,海拔2682米的高山顶上。选择这个地理位置,是尽最大可能获得更开阔的视野和更好的观测角度。

安装调试校准这个大相机的过程,还是相当有趣的,这台世界最大的相机,你完全会想不到,工作人员,竟然会拿绿菜花,作为校准调试的对象。原因也不是很难理解,因为这超级太空相机,能一次拍下相当于40倍月亮的面积,换言之,它完成一次整个天空的拍摄,仅仅需要15秒足矣!但是,你要把它咔嚓一下,拍摄的照片原图显示出来,那这个工程可不简单。至少要足足387个4K的超级高清电视,才能把画面拼凑出来,

所以,对于这样的家伙,你选择的校准的对象,就必须很有难度,才有挑战力嘛!而绿菜花,恰好有这个本事,无数的凹凸,你意料不到的纹路、图案,阴暗交错的小颗粒们,让细节很丰满。所以也便于科研工作人员们,一一去校验相机是否能好好地去干活,没啥瑕疵。因为天文观测,不同于别的东西,是非常严谨的事情,天空任何一个小闪烁,有可能是某个恒星系里的一颗恒星。

画面的清晰无误、不存在任何死角瑕疵,这样的原始数据才能真正帮助天文学家们对天空有更好的帮助和了解。

不过,让天文学家气愤不已的是,现在已经开始逐步进入大航天时代了,往天空打星星,已经不是很难的事情。比如美国的SpaceX公司,马斯克就想着组建地球WIFI,低空里成千上万的星链时不时在你眼前晃挡,也让你头疼不已。

台长坎恩教授说,他们已与马斯克取得联系,工程人员也正在想办法,尽量减少卫星对巡天相机的干扰。还有印度的OneWeb公司也一样很令人烦恼,高空轨道上卫星,让他们的巡天相机“视线”被遮挡,让他们得好好谈一次。看看有没法子互相迁就!

但不管怎么样,这款如此特别的超级太空望远镜,在未来的十几年里,将会兢兢业业地为人类测绘更遥远的天际。它所记载下的,将不仅是数以亿计的恒星和星系,在特定某个段所处的位置,更要捕捉任何天空中的天体的运动或光亮。

这些宝贵的天文数据,将供世界各地的科学家们,在未来几十年,通过分析研究后,让人类对于地球之外的世界,有更多的了解。

如何操作SLAC LSST相机

SLAC国家加速器实验室在新闻稿中说:“到2021年中,这款SUV尺寸的相机将在开始前往智利之前准备好进行最终测试。”

照相机是多种极端的组合。它最大的镜头是天文学和天体物理学有史以来最大的镜头之一。支撑其成像传感器的陶瓷网格是如此平坦,以至于没有比人类红细胞更大的特征从其表面伸出来。控制传感器的电子设备是定制的,以适应非常狭小的空间和使用尽可能少的电力。

所有这些规范对于实现LSST的科学目标都是至关重要的。而且这些目标并不容易实现。LSST相机可以做以前没有相机能做的事情,而构建它需要解决以前从未解决过的技术问题。

32亿像素的LSST相机将成为有史以来最大的数码相机。就像手持数码相机一样,LSST相机将由一种称为电荷耦合器件的成像传感器组成,总共189个。这些传感器和它们的电子束被排列成21个9个传感器的托盘,称为“筏”。每一个都重达20多磅,几乎有2英尺高。

每一个传感器都很脆弱,如果它碰到其他橡皮艇中的一个,就会碎成碎片。而且,为了减少传感器图像的间隙,所有的木筏都必须安装在相机陶瓷网格内,间距为百分之二英寸。

LSST的工程师们不可能手工安装这些精致的橡皮艇而不破坏它们,所以他们接受了挑战,创造了一种可以代替他们完成这项特殊任务的装置。

他们想出一个又一个的概念。SLAC机械工程师特拉维斯兰格(Travis Lange)为每一种机器都创建了计算机模型,以便找到一种既能完成这项工作,又能以现有加工精度水平建造的设计方案。

兰格说:“这其中一个更大的挑战是所有独立部件的容忍度,以及它如何与允许我使用的运动幅度相对应。”如果一个部位的大小与人类头发的宽度相差甚远,那就成问题了。“如果你的很多部分都偏离了那么多,那么这些错误就会叠加在一起。”

该团队设计的其中一个设计类似于爪机游戏。该设备将安装在低温恒温器上方的结构上,低温恒温器是保持相机温度的设备。它的手臂很长,可以伸到下面等待安装的筏子上。在几个小时的过程中,它会把木筏拉上来,通过一个非常精确的槽,并进入网格。

四个专门的摄像头对准成像传感器的边缘,将有助于在不撞上邻近传感器的情况下引导筏子就位,而独特的成像软件将实时测量筏子之间的间隙。“这是一个疯狂的‘操作’游戏,”兰格说。

这个团队采用了爪机计划。2018年5月,他们用它的第一个练习筏和相机模型对它进行了测试。差不多过了一天,木筏终于成功地装好了。

安装机器人已经通过了其他几次成功的测试运行。现在他们已经解决了这个过程中的问题,安装每个木筏大约需要两个小时。工程师们计划今年夏天开始真正的安装过程。

SLAC LSST相机如何冷却

当电流通过相机时,相机内的电子设备和传感器就会发热。但是热是天文观测的敌人。一个温暖的传感器会破坏它自己的观察,表现得好像它在没有光的地方感觉到光。任何听说过笔记本电脑风扇在电脑崩溃前加班的人都知道,高温也会导致电子设备停止工作。

为了保持相机足够冷,工程师们需要创建一个定制的制冷系统。他们最终制造了一个由八个制冷电路组成的系统——两个用于电子元件,六个用于传感器。

这些系统的工作原理都类似于厨房冰箱,其中液体制冷剂将热量从应该冷却的物体或区域带走。网络管携带制冷剂进入和出相机。

起初,团队只使用金属管来完成这项工作。金属能很好地隔绝水分,这一点很重要,因为任何从周围空气进入管道的水都会结冰,堵塞系统。在系统的某些部分,当摄像机指向天空的不同部分时,摄像机需要随着望远镜移动,这些管子被做成波纹状,使它们成为可弯曲的金属软管。

但有一个问题。制冷系统的压缩机是一种迫使制冷剂将吸收的热量倾倒到摄像机外的装置,它使用润滑油来平稳工作。当制冷系统运行时,一些油会离开压缩机,穿过管道。

如果机油以一致的速度通过回路回到压缩机,这就不会有问题。但这并没有发生;油的速度变慢了,有时会被波纹金属软管上的凹槽卡住。压气机的油不是在稳定的气流中,而是在涓滴或喷射中回流。这使得制冷系统难以预测,也更难维护。

LSST摄制组的SLAC机械工程师Diane Hascall说,因此,研究小组改用另一种软管来连接制冷系统的“接头”。“你几乎可以把它想象成花园的水管。但这是一种非常特殊的花园软管,可以和制冷剂一起使用。”

这种新型软管被称为光滑管,由橡胶层、编织层和其他柔性材料制成,内部光滑。哈斯克说,光滑的软管可以让机油更有效地回到压缩机。

但这是有代价的。与金属软管不同的是,光滑的软管可以让一些水分进入。

为了解决这个问题,研究小组安装了过滤干燥器,从系统中吸收水分。他们还在计算多久更换一次烘干机来保持相机的良好状态。

构建下一代技术

构建像LSST这样复杂的技术的每个组件本身就是一个挑战,但挑战还不止于此。工程师还必须设计专门的设备、软件和程序来测试不同的零件;把碎片拼在一起;并确定需要什么维护技术才能顺利运行。

“有大量的子系统,”邦德说。“所有这些子系统都必须展示它们的产品。所有这些产品都必须经过组装、测试,并最终制成完整的成品。”

邦德说,参与这个项目对工程团队来说是一个巨大的恩惠。他说,弄清楚制造如此先进的技术所带来的所有意想不到的挑战是一种很棒的经历,他期待着看到未来团队将共同应对哪些项目。

邦德说:“这就像挑选一群球员组建一支曲棍球队之类的。”“实际上,我们已经组建了一个非常好的团队,我们只是让一些年轻人跟上时代的步伐,为即将到来的下一代实验和项目进行培训。”

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