应用物理前沿推介系列No.9 | 全球最大数码相机LSST简介
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本期推介
全球最大数码相机LSST简介
基于天文学、宇宙学等领域对于更广、更快、更深的探测技术的需求，可重复观察天空的深度短曝光宽视场望远镜与相机受到广泛关注。为此，美国国家科学基金会（NSF）正在建造Vera C. Rubin天文台大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope, LSST）[1]，具有6.7 m有效孔径和9.6 deg2视场。Rubin天文台地处智利中北部，观测设施位于安第斯山脉山麓的Cerro Pachón山脊，基础设施位于100公里外的拉塞雷纳[3]。为纪念天文学家Vera C. Rubin在暗物质和暗能量研究方面所做出的重要工作，Rubin天文台因此得名[4]。
美国国家加速器实验室研究人员为其建造了世界上最大的数码相机，该相机拥有32亿像素的分辨率，其独特功能的实现来源于精巧的光路与镜面设计、特殊的滤镜切换系统、由189个传感器协调工作的巨大焦平面以及内部制冷系统的顺利运行。目前，该相机已基本完成，将于2024年起在10年观测寿命内分6个频段对20000 deg2的天空进行约2000次的连续成像[2]。该项目致力于洞悉太阳系、探索瞬态光学天空、绘制银河系地图[5]，探测暗物质与暗能量也是Rubin天文台LSST项目的目标之一。因此有望揭开众多宇宙之谜的面纱，为这些科学领域做出重要贡献。特别是其光路、内部制冷系统的设计和制造都非常值得我们学习借鉴。
在光路设计方面：Rubin天文台光学设计的灵感来源于Roger Angel等2000年建议的暗物质望远镜[6]。望远镜光路由紧凑的三个反射镜与一个屈光矫正器组成（图1）。来自天空中光源发出的光依次经过主镜M1，副镜M2，三级反射镜M3的反射后，透过由透镜L1、L2、L3构成的屈光矫正器，最后被相机的探测器捕获到。望远镜在磁体驱动器推动下移动，确保观测视场变换时，望远镜能够快速、平稳且安静的转动[7]。望远镜直径达8.4 m的主镜M1和直径为5.0 m的三级反射镜M3由同一块完整的Ohara E6低热胀系数玻璃经过抛光制成，这一整块玻璃的上表面微微突起的圆周是外环M1和内环M3的界面。直径3.42 m的副镜M2是目前最大的凸反射镜，其所使用的坯料与南半球天体物理探测（Southern Astrophysical Research，SOAR）望远镜使用的低热胀系数玻璃相同[8]。LSST将Roger Angel等提议的结构中处于不同水平层的反射镜M1和M3安置在同一水平层，新的结构减小了副镜M2与相机的垂直距离，副镜M2与三级反射镜M3之间仅距离6.4 m [6]，整体结构更为紧凑，同时减少了镜片悬置的数目，以减少准直镜片工作量。这样安放镜片组的代价是，光有可能跳过主镜M1和副镜M2反射过程，直接经过三级反射镜M3反射进入相机，为此LSST添加了锥形遮光罩以阻止上述过程。LSST的反射镜质量太大会为LSST镜片组装、各镜片准直、移动镜头改变视场等过程带来麻烦，伴随的大热容也会导致昼夜交替时，反射镜与周围环境建立热平衡十分耗时。因此Rubin天文台LSST反射镜M1和M3玻璃的镜面背面设计为蜂窝状的支撑结构，副镜M2距离镜面表面19 mm以下采用罗纹结构[8]，以保证结构强度的同时，减少质量和热容，并降低了用于维持反射镜组M1、M2、M3准直的致动器系统的要求。
图1望远镜光学设计（a）和相机光学设计（b），场半径为1.75 deg、1.0 deg、0 deg时的衍射图样（见参考文献[2] Figure 2.4）。其中反射镜M1、M2、M3，透镜L1、L2、L3，滤光片Filter，视场3.5 deg直径0.64 m的焦平面，到达焦平面的光束的焦比为f/1.23。
在相机构造方面：Rubin天文台LSST所使用的相机是目前最大的数字相机，其直径最长约1.65 m，高约3 m，总重量约2.8 t，具有6.7 m大孔径与3.5 deg宽视场成像能力，成像光谱范围从近紫外到近红外波段，对应的波长范围约0.3 μm至1 μm [9]。LSST相机构造如图2所示，透镜组L1、L2、L3作为屈光矫正器使进入相机的光落在相机的焦平面上，焦平面对应于CCD（charge coupled device，电荷耦合装置）传感器格网，滤光片和快门依次位于透镜L2和L3之间。
Rubin天文台LSST采用了特殊的滤光片切换系统，以获得不同光谱频段的图像，是该相机运行的关键。系统由滤光片轮盘和滤光片切换器组成。滤光片平行与光路主光轴安置在滤光片轮盘圆周上，转动滤光片轮盘可将所需要的滤光片旋转至滤光片切换器的正上方。控制滤光片切换器，可将位于滤光片切换器正上方的滤光片垂直于主光轴放置在透镜L2和快门之间，也可以将光路中的滤波片卸除并放置回滤光片轮盘。相机切换一次滤波片全过程用时小于2 min [11]。滤光片轮盘最多可同时安置5个滤波片，每个滤波片直径约0.76 m。实际上LSST共设计有6个滤波片对应于不同的光谱频段，闲置的第六个滤波片可通过自动化的过程替换LSST相机内的任意一个滤波片[2]。
图2 LSST相机示意图[10]。
Rubin天文台LSST相机杰出的成像能力归因于共约3.2 kM像素的CCD传感器阵列组成的焦平面[9]。LSST焦平面上共有189个CCD图像传感器，8个导向传感器以及4个波前传感器[12]，见图3。每个CCD传感器有16个输出通道、4096个水平成像单元和4097个垂直成像单元，16 M像素和目前最先进的数字相机的分辨率大体相同，每个像素大约10 μm宽[13]。导向传感器会通过频繁地监测参考星的位置，帮助维持LSST与地球自传同步。波前传感器分为两个矩形部分，分别位于距离焦平面上方和下方约1.5 mm处，所成的模糊的图像用来调整望远镜聚焦[12]。
图3 LSST相机焦平面[10]。视场可容纳40个月球。
Rubin天文台LSST相机焦平面有两个严苛的技术要求。一方面，焦平面的平整度被严格限制，整体高低起伏约10 μm，以获得高分辨率的清新图像[14]。另一方面，为了最大化成像面积，减小成像间隔，CCD传感器之间仅间隙0.5 mm左右[16]。单个CCD传感器感光面起伏约5 μm [14]。为了满足平整度要求，减少部件个数，降低组装难度，每9个CCD传感器的3×3阵列连同其配套的电子设备被分为一个单元，这个单元被称为“筏（raft）”，筏感光面整体高低起伏约8 μm [14]。同理，焦平面四个角上各有2个导向传感器和1个波前传感器，分别组成4个特殊的筏。每个筏配有独立的机箱，机箱内有前端电子设备和温控组件，筏位于机箱顶部，每个机箱高约0.6 m，重约9 kg [15]。CCD传感器感光面略大于配套电子设备的截面，多出来的空间放置用于数据读出的前端电子设备，使得CCD传感器之间间隙尽可能的窄。通过整合201个传感器组成25个筏，待组装的部件数减少了近8倍。筏之间任何接触都有可能导致脆弱的传感器出现豁口[16]，为了使这25个筏连同各自的机箱彼此仅间隔0.5 mm嵌入焦平面，工程师开发了特殊的图像软件并设计了特殊的机械装置，装置含有四个对准待组装的传感器边缘进行实时监控的特殊摄像头，以此完成焦平面的组装[16]。
Rubin天文台LSST相机的每个CCD传感器每秒能采集8 M像素的数据，每2秒就能获得总共3.2 G像素的数据[15]。传感器采集到的数据经前端电子设备，通过机箱内的柔性电缆传输到后端电子设备，后端电子设备负责数据收集和格式转化，并将数字格式的数据传输给数据采集硬件和软件[15]。为了降低热噪声对传感器灵敏度的影响，并消除暗电流，传感器阵列组成的焦平面放置于低温恒温器中，温度控制在-100 ℃左右，温度起伏小于0.3 K [12]。同时，低温恒温器内的真空环境将阻止低温下水汽在焦平面上形成薄冰。
在制冷系统方面：Rubin天文台LSST相机低温系统可分为三个部分，分别对应低温恒温器散热、相机机身散热以及配套设备箱散热[14]。低温恒温器部分采用独立的蒸发制冷系统制冷冷盘。冷盘的冷量通过导热带条，传给传感器和筏机箱，以维持筏的温度约为-173.15 K [15]。低温恒温器一侧用透镜L3真空密封。透镜L3将低温恒温器部分与相机机身部分分割开，为确保能够承受真空压力，透镜L3中心厚度有60 mm [2]。相机机身产热主要来源于相机外表面以及包括滤光片切换器、滤光片轮盘、快门在内的机械装置。这部分整体处于干燥的氮气环境中，能够为机械装置提供合适的运作环境，同时可以降低透镜内部热梯度，防止热涨引起透镜畸变。因此这部分通过泵浦系统经冷却管路向内鼓入冷氮气实现控温。配套设备箱中的辅助电子设备和配套系统等产生的热主要通过强制风冷和乙二醇制冷来抵消。值得注意的是，LSST相机并没有选择金属波纹管作为制冷剂输送管。虽然金属波纹管能够有效地阻止水汽进入，防止管路被冻结的水汽阻塞，但是波纹管内部的褶皱会影响制冷系统压缩机润滑油在管路内的流通。当制冷系统运行时，部分润滑油会离开压缩机进入管路，流回压缩机的润滑油量不稳定会导致制冷系统运行情况难以预测[16]。为了兼顾望远镜转动的灵活性，LSST采用了由层次橡胶、穗带和其他柔性材料制成的滑膛软管（smooth-bore hose）作为制冷剂输运管，代价是部分水汽会通过软管进入管路，为此制冷系统额外增加了干燥器，用来过滤掉管路内的水汽。
图4 低温恒温器剖面图[17]。
2018年5月，由望远镜和硬件校准专家Patrick Ingraham领导的团队对低温恒温器系统进行了测试[17]，并成功地成像了1951年美国空军的分辨率测试图，以证明低温恒温器和传感器在运往工作间的途中未受到影响。该低温恒温器由来自多个机构的专业人员于波士顿建造。哈佛大学物理学教授兼LSST团队的现任成员Chris Stubbs博士是低温恒温器系统的首席研究员。低温恒温器包含用于为辅助望远镜（Auxiliary Telescope，AT）光谱仪显示光谱的传感器。而来自SLAC的项目负责人Kirk Gilmore和软件工程师Tony Johnson则在Tucson准备用于集成光谱仪的系统。低温恒温器内部是一个复杂的4K x 4K探测器，设计先进，可以在不到2秒的时间内读取来自光源的数据。此外，该探测器比以前的版本更厚，使其对红光非常敏感，并能探测近红外光谱的光。而低温恒温器就像一个巨大的双层保温瓶，它将探测器和低温恒温器内部的冷却系统隔离开来，使探测器周围保持低温，降低可能限制探测器灵敏度的热噪声。并且低温恒温器中的低压还可以防止探测器上发生气液凝结。
图5 LSST低温恒温器的组装[18]。其包含用于为辅助望远镜光谱仪显示光谱的传感器。
在全部安装完成后，团队预计该相机将在2024年接收到第一批照片，每天超过20 TB的数据会从相机传入鲁宾天文台的LSST数据库中，这个数据库包含了比地球人口还多的星系，和数不清的天体的运动信息。“对于像LSST相机这样的精密仪器，可以说我们的座右铭就是‘熟悉你的仪器’。”SLAC的研究人员兼KIPAC的高层Andy Rasmussen表示[20]，“我们会继续努力研制‘光子图像’，其中仪器的影响已经被我们尽全力去除。希望这些影响不会在相机最后完成时出现增加，但这还有待观察。”
快速光学系统结合大光收集镜面、灵敏的探测器与数据采集处理系统，使Rubin天文台LSST能够获得大量的大视场远景深的星空图像，能拍出有史以来最宏大的天文学电影，并揭开许多重要的宇宙之谜的面纱。LSST产出的数据将用于暗能量科学协作项目（Dark Energy Science Collaboration，DESC），帮助我们进一步了解这种推动宇宙加速膨胀的神秘能量。LSST将为探测暗物质与暗能量、分析现在宇宙的构成、研究太阳系与星系的起源、揭露潜在的宇宙瞬态事件与易变实体，甚至是监测近地小行星做出重要贡献。
推介人
周伊，陈志豪 中国科学院物理研究所，博士生
程智刚 中国科学院物理研究所，特聘研究员，主要研究方向为极低温实验物理、拓扑量子材料、量子液体与量子固体
参考资料
[1] https://www.lsst.org/about/timeline
[2] LSST Science Book, arXiv:0912.0201, 2009.
[3] https://www.lsst.org/about/tel-site/summit
[4] https://www.lsst.org/news/vro-press-release
[5] https://www.lsst.org/about
[6] https://www.lsst.org/about/tel-site/optical_design
[7] https://www.lsst.org/about/tel-site
[8] https://www.lsst.org/about/tel-site/mirror
[9] https://www.lsst.org/about/camera
[10] https://lsst.slac.stanford.edu/
[11] https://www.lsst.org/about/camera/focalplane
[12] https://www.symmetrymagazine.org/article/the-worlds-largest-astronomical-movie
[13] https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-09-08-sensors-world-largest-digital-camera-snap-first-3200-megapixel-images-slac
[14] https://www.lsst.org/about/camera/features
[15] https://www.lsst.org/about/camera/rafttower
[16] https://www.symmetrymagazine.org/article/engineering-the-worlds-largest-digital-camera
[17] https://www.lsst.org/news/cryostat-testing-tucson
[18] https://www6.slac.stanford.edu/news/2018-08-02-one-cool-camera-lssts-cryostat-assembly-completed
[19] https://petapixel.com/2022/10/04/3200-megapixels-the-worlds-largest-camera-is-almost-complete/
[20] https://www.newsweek.com/scientists-gear-unveil-world-largest-digital-camera-1752313
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
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