光学侦测元件课件

光學偵測元件光學偵測元件偵測器定義：能與星體輻射電磁波發生交互作用的元件電磁波包含了無線電、微波、紅外線、可見光、紫外光、X光、宇宙射線等等天文上最簡單的可見光偵測器：人眼瞳孔的大小約5mm，黑暗下完全張開約7mm，肉眼所能看到的極限星等約六等視覺暫留現象使我們所看的物體大約是處於1/20秒左右的曝光時間，曝光時間越長，可以看到越暗的星體，但是反應速度會便慢，不利於生物競爭偵測器定義：偵測器量子效率(Quantum Efficiency;QE)入射光子不一定會和偵測器發生作用，發生作用的光子才能產生訊號QE=發生作用光子數發生作用光子數/入射光子數入射光子數人眼的QE只有1%左右，照相底片約2-4%即使光子與偵測器發生作用，不一定會被量測到，可能會在傳送或輸出過程中被遺失通常我們使用的是Detective Quantum Efficiency(DQE)=量測到光子數量測到光子數/入射光子數入射光子數偵測器量子效率(Quantum Efficiency;QE底片十八世紀便已經發現使用銀鹽(或稱為鹵化銀)作為感光物質。氯化銀硝酸銀溴化銀底板的演進：紙面玻璃賽璐璐醋酸纖維現代的黑白底片的感光劑為溴化銀(AgBr)，但是某些底片是使用另外的鹵化銀，如氯化銀(AgCl)，碘化銀(AgI)。依其感光感度最敏感為：溴化銀氯化銀碘化銀底片十八世紀便已經發現使用銀鹽(或稱為鹵化銀)作為感光物質。底片溴化銀的分光感度對於藍光有反應(400nm-510nm)，為了要和肉眼的分光感度大致一樣,所以必須加入另外的分光增感色素(Color sensitization/Spectral sensitization)來延長綠、黃、紅色光的感色域在1873年由Vogel發現一種稱為Corallin(Sodium Aurin)的色素可有效提昇感色性，形成全色片(Pancho film)的特性底片溴化銀的分光感度對於藍光有反應(400nm-510nm)底片溴化銀遇光照射時，會產生離子化，使溴離子放出一帶負電的自由電子，此自由電子和帶正電荷的銀離子結合為不帶電的銀粒子後，形成銀粒子堆積，稱為潛像(Latent Image)潛像仍無法由肉眼所見，所以要以化學方式將潛像顯現出來顯影底片溴化銀遇光照射時，會產生離子化，使溴離子放出一帶負電的自底片決定底片感光度的機制：溴化銀結晶的大小底片曝光速度（感光度，ASA）常見的有50,64,100,200,400,800,1600,3200 高ASA為高速底片反差較大、粒子粗 低ASA為低速底片反差小、粒子細較適合放大分為三大類：黑白負片(BW negative)、彩色負片(Color negative)與彩色正片（Color positive or slide)常見規格分為135、120(64.5、66、67、69、612)、45、810、1012及APS幾種135底片的大小為 36mm 24mm底片的QE值約在3%左右底片決定底片感光度的機制：溴化銀結晶的大小底片倒易律：曝光量=照明度(Intensity,I)曝光時間(Exposure time,t)一般的底片在極亮或極暗的情形下倒易律會失效非線性天文攝影長時間曝光用的底片必須考量倒易律失效的情形底片倒易律：曝光量=照明度(Intensity,I)曝光光電效應http:/www.phys.virginia.edu/CLASSES/252/photoelectric_effect.html光電效應http:/www.phys.virginia.e光電倍增管(Photomultipliers,PMT)對紫外光、可見光和近紅外光敏感能使進入的微弱光信號增強至原本的108，使光信號能被測量(QE10%)光電倍增管(Photomultipliers,PMT)對紫天文偵測器的革命-CCD的誕生1970年由貝爾實驗室(Bell Lab.)的Boyle與Smith所開發。由許多的像元(pixel)所組成。每個像元都是獨立的光子偵測器天文偵測器的革命-CCD的誕生1970年由貝爾實驗室(Bel1966,Charles K.Kao made a discovery that led to a breakthrough in fiber optics.He carefully calculated how to transmit light over long distances via optical glass fibers.With a fiber of purest glass it would be possible to transmit light signals over 100 kilometers,compared to only 20 meters for the fibers available in the 1960s.In 1969 Willard S.Boyle and George E.Smith invented the first successful imaging technology using a digital sensor,a CCD(Charge-Coupled Device).The CCD technology makes use of the photoelectric effect,as theorized by Albert Einstein and for which he was awarded the 1921 years Nobel Prize.By this effect,light is transformed into electric signals.The challenge when designing an image sensor was to gather and read out the signals in a large number of image points,pixels,in a short time.The CCD is the digital cameras electronic eye.It revolutionized photography,as light could now be captured electronically instead of on film.See Press Release(新聞稿)http:/nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html1966,Charles K.Kao made a diCCD原理透過光電效應(Photoelectric effect)將光子轉為電子光電效應在1902年就已經德國物理學家Philipp Lenard所觀測到Albert Einstein成功的解釋這個現象，贏得Nobel Prize 半導體、導體與絕緣體的能階半導體和絕緣體之間的差異在於兩者之間能隙（energy bandgap）寬度不同，亦即電子欲從價帶跳入傳導帶（conduction band）時所必須獲得的最低能量不一樣。通常能隙寬度小於3電子伏特（eV）者為半導體，以上為絕緣體。利用半導體（通常為矽）作為光子計數器只要給予適當的電壓，形成位能井就可以將光電效應的電子鎖住在半導體的能隙中，而不被傳導帶移走。CCD原理透過光電效應(Photoelectric effe就種類來分有：線性(Linear)CCD 矩陣(Matrix)CCD就種類來分有：Quantum EfficiencyWFPC2/HSTQuantum EfficiencyWFPC2/HSTCharge Collection,Transfer and CountCharge Collection,Transfer anBlooming and Anti-BloomingBlooming:當電荷於量子井嚴重飽和時，會有溢出至周圍像元的現象溢出的方向視晶片本身的設計而定，有時是單軸有時是雙軸部分CCD會有anti-blooming的設計，通常是利用安裝在像元周圍的電極排出溢流的電子，但是還是會有charge diffusion發生Blooming and Anti-BloomingBlooCCD的優點高線性度物理單位與量測數值易於轉換方便校準高量子效率高動態範圍數位訊號，易於處理沒有化學程序、快速且安全CCD的問世與實用化，使得自的問世與實用化，使得自1980年代起，大型望年代起，大型望遠鏡的建設工作停滯了很長的一段時間！遠鏡的建設工作停滯了很長的一段時間！蓋大望遠鏡不如發展蓋大望遠鏡不如發展CCD技術技術CCD的優點高線性度CCD的問世與實用化，使得自1980年代Dark Current由熱擾動所形成的自由電子，在偏壓下即使不曝光都會累積成為電流與積分時間和溫度有關大約到-100以下時，暗電流可忽略不計大體上來說，每差7 ，暗電流大小會差一倍Dark Current由熱擾動所形成的自由電子，在偏壓下即Liquid Nitrogen cooling液態氮沸點為-196，可以使CCD保持在-120-150 工作溫度需要有液態氮儲存槽(Dewar)，並且有熱絕緣裝置，因此體積非常龐大每24小時消耗2公升的液態氮，因此需要能夠經常性的補充後勤系統龐大透過金屬（通常是銅）降溫，為避免結露，需要較高的真空條件(10-6Torr)，往往需要有Vacumn pump一起運作Liquid Nitrogen cooling液態氮沸點為-Dry Ice cooling乾冰沸點為-80，可以使CCD保持在-50 左右工作溫度也需要有Dewar，並且有熱絕緣裝置，因此體積非常龐大由於工作溫度較液態氮為高，因此由保麗龍絕緣即可，且危險性較低實際應用上，乾冰製造的設備較為簡單乾冰的溫度控制較不容易Dry Ice cooling乾冰沸點為-80，可以使CCThermoelectric CoolingThermaoelectric couple（熱電偶）Peltier effect：電流通過兩種不同的金屬導線之接合點時，接合點處產生放熱或吸熱之現象。又稱為Heat pump能源轉換效率低，只有40%50%左右，其他的能量會透過joule effect轉換為熱Thermoelectric CoolingThermaoeTwo stage cooling使用兩層Peltier module堆疊(Cascade)進行冷卻耗電量相當的大！需要其他的輔助散熱設備，如散熱片、氣冷風扇、或是冷卻水管可以有效降低溫度達50 Two stage cooling使用兩層Peltier m結霧的問題濕度高時，由於CCD周圍的低溫狀態便很容易發生水氣凝結現象結霧發生的位置通常是在CCD前的保護玻璃上CCD是在真空內不會結霧常見的除霧方法有：乾燥劑CCD前的風嘴加熱結霧的問題濕度高時，由於CCD周圍的低溫狀態便很容易發生水氣實際觀測上的一些其他影響像元的不均勻性在製程上來說，不可能做到完美，因此會有部分像元無法有效工作Hot pixelWarn pixel即使是可工作的像元，對於不同頻率、不同強度光源的反應也會有所不同宇宙射線（Cosmic Ray）的污染實際觀測上的一些其他影響像元的不均勻性