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有史以来单次最大像素照片诞生!32亿像素拍摄一颗花椰菜

作者: 学术头条

时间: 2020-09-18 04:26

内有原图链接,可以体验

近日,坐落在加州门洛帕克(Menlo Park)的美国能源部 SLAC 实验室,成功拍摄了了人类首张 32 亿像素的花椰菜照片,这也是有史以来单次拍摄像素最大的一张照片。

由于该图像的像素太高,以至于需要 378 个 4K 超高清电视屏幕才能显示完整的尺寸。并且由于其超高的分辨率,人们可以使用该技术在 15 英里外观察一个高尔夫球。

此次首张 32 亿像素照片的拍摄,是对一月份组装完成的 LSST 相机的测试,其未来也将成为鲁宾天文台的核心灵魂。

SLAC 的工作人员用 LSST 相机的完整焦平面拍摄了第一张 32 亿像素的照片

美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 LSST 相机项目经理 Vincent Riot 说:“这对我们来讲是一个巨大的里程碑。焦平面将产生 LSST 图像,因此它是鲁宾天文台的干练而灵敏的眼睛。”

SLAC 天文台负责人 Steven Kahn 表示:“这项成就是整个鲁宾天文台项目中最重要的一项。LSST 相机焦平面的完成及其成功的测试是相机团队取得的巨大胜利,它将使鲁宾天文台能够完成下一代天文科学的要求。”

点击以下链接,感受一下这张有史以来单张最大像素的照片:

https://www.slac.stanford.edu/~tonyj/osd/public/romanesco.html

最佳科学技术奇迹

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:它能捕获从物体发射或反射的光,并将其转换为用于产生数字图像的电信号。

但是,LSST 相机的焦平面要复杂得多。事实上,它包含 189 个单独的传感器或电荷耦合器件(CCD),每个传感器都能将 1600 万像素的图像带到桌面上,与大多数现代数码相机的成像传感器数量大致相同。

在美国能源部的布鲁克海文国家实验室,9 套 CCD 及其配套的电子设备被组装成叫做“科学筏”的方形单元,并被运往 SLAC。之后,摄影小组将其中的 21 个筏,加上另外 4 个不用于成像的特种筏插入网格中,并将它们固定在适当的位置。

LSST相机焦平面的各个成像传感器和辅助电子设备被包装成叫做筏的单元

焦平面具有一些不同寻常的特性。它不仅包含多达 32 亿个像素点,而且像素也非常小(约 10 微米宽),并且焦平面本身非常平坦,其变化幅度不超过人类头发宽度的十分之一。这使相机可以产生非常高分辨率的清晰图像。

与全画幅消费相机(full-frame consumer camera)1.4 英寸宽的成像传感器相比,其焦平面的宽度高达超过 2 英尺,这样的大小足以捕获约 40 个满月大小的天空。

最后,整个望远镜的设计方式是:成像传感器能够发现比肉眼可见的物体还要暗 1 亿倍的物体,而这种灵敏度使人们可以看到数千英里外的蜡烛。

加州大学圣克鲁斯分校 LSST 相机项目的科学家 Steven Ritz 说:“这些特征令人震惊。这种强大的功能将使鲁宾天文台浩大的科学计划得以实现。”

未来 10 年,这台相机将收集约 200 亿个星系的图像。Ritz 说:“这些数据将提高我们对银河系如何随时间演变的认识,并将使我们比以往任何时候都更深入、更精确地测试我们的暗物质和暗能量模型。”

高风险的组装过程

焦平面完成于今年早些时候结束,SLAC 机组人员花了六个月的时间才将 25 个筏插入网格狭窄的槽中。为了使成像区域最大化,相邻筏上传感器之间的距离应小于五根人类头发的宽度。由于成像传感器相互接触时很容易破裂,这使得整个操作变得非常棘手。

此外,这些筏也非常昂贵,每一片的成本高达 300 万美元。

负责传感器集成一线工作的 SLAC 机械工程师 Hannah Pollek 说:“高风险和严格的要求使得这个项目非常具有挑战性。但是我们有一支多才多艺的团队,导致我们最后的成功。”

LSST相机的完整焦平面宽度超过2英尺,包含189个独立传感器,将产生32亿像素的图像

该团队成员花了将近一年的时间来准备筏的安装。他们安装了许多没有进入最终焦平面的“练习”筏。这使得他们能够使用 SLAC 的 Ravis Lange 开发的专用龙门架将 2 英尺高、20 磅重的筏完美地拉入网格。

SLAC 的 LSST 相机集成和测试团队的负责人 Tim Bond 表示:“单个相机组件的巨大尺寸令人印象深刻,而研发这些组件的团队合作规模也令人印象深刻。完成焦平面组装需要一个精心设计的团队,所有参与此项工作的人都能迎接挑战。”

拍摄首张32亿像素图像

由于冠状疫情大流行而导致几个月无法进入实验室,因此摄像小组在 5 月才恢复工作,但工作量有限且遵循严格的社交距离要求。目前正在进行大量的测试,以确保焦平面满足支持鲁宾天文台科学计划所需的技术要求。

其中一项测试就是对各种物体进行的首个 32 亿像素图像的拍摄,其中包括物体Romanesco(一种花椰菜)的头部。

为了在没有完全组装好相机的情况下做到这一点,SLAC 团队使用了一个 150 微米的针孔将图像投影到焦平面上。

SLAC团队使用针孔将图像投影到焦平面来拍摄花椰菜图像

SLAC 负责 LSST 相机组装和测试的科学家 Aaron Roodman 说:“拍摄这些图像是一项重大成就。凭借严格的规格,我们真正突破了利用焦平面每平方毫米可能性的极限,并最大限度地利用了我们可以目前可以用到的科学技术。”

LSST相机的焦平面的表面积足够大且分辨率非常高,可以在15英里外发现一个高尔夫球

下一步,获取该图像所使用传感器阵列将被集成到目前 SLAC 正在建造的世界上最大的数码相机中。

一旦被安装在智利的鲁宾天文台,这台摄像机将拍摄出整个南部天空的全景图像——以每晚拍摄一次全景的工作方式运行超过十年。

鲁宾天文台正在智利北部海拔2682m的CerroPachón山上建造

最后的冲刺阶段

随着该团队完成相机的组装,还有更多具有挑战性的工作摆在面前。

在接下来的几个月中,他们将把带有焦平面的低温恒温器插入相机机身,并增加相机的镜头,包括世界上最大的光学镜头、快门和滤光片交换系统,用于研究不同颜色的夜空。

到 2021 年末,这款汽车 SUV 大小的摄像头将在开始前往智利的旅程前完成最终测试。

团队将整合其余的相机组件示意图

SLAC 首席研究官兼基础物理学副实验室主任 JoAnne Hewett 说:“相机获取首张图像非常令人兴奋,我们为能在建造鲁宾天文台这一关键组件中发挥如此重要的作用而感到自豪。这是一个里程碑,它使我们在探索宇宙的基本问题上又迈进了一大步,这是我们以前无法做到的。”

预计天文台的相机将在 2022 年下半年开始拍摄天空图像,而不是西兰花。

相关技术资料

时空遗产调查项目(Legacy Survey of Space and Time,LSST)就像是一个目录,记录了比地球上人类数量还要多出很多的星系,以及无数的天体物体的运动。该天文台将使用 LSST 相机拍摄有史以来最大的天文影像,并向人们揭示宇宙中一些人们较为关心的谜团,包括暗物质和暗能量。

LSST 相机的建造由美国能源部科学办公室资助,是一项合作的项目,涉及到 SLAC、Brookhaven 国家实验室、Lawrence Livermore 国家实验室、哈佛大学、宾夕法尼亚大学、普渡大学、加州大学戴维斯分校、法国国家科学研究中心(CNRS)和法国国家核与粒子物理研究所(IN2P3)。

SLAC(Stanford Linear Accelerator Center)是一个充满活力的多程序实验室,致力于探索宇宙如何以最大、最小和最快的尺度运转,并发明了全球科学家使用的强大工具。其研究领域涵盖粒子物理学、天体物理学和宇宙学、材料、化学、生物和能源科学以及科学计算,帮助解决现实世界中的问题并增进国家利益。

SLAC 由斯坦福大学为美国能源部科学办公室运营。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,致力于解决我们这个时代最紧迫的挑战。

鲁宾天文台(Rubin Observatory)是由美国国家科学基金会和能源部科学办公室共同资助的联邦项目,其早期建设资金是通过 LSST 公司从私人捐款中获得的。由美国国家科学基金会资助的 LSST(现为鲁宾天文台)建设项目办公室是由天文研究大学协会(AURA)管理的运营中心。能源部资助的鲁宾天文台 LSST 摄像机建造工作由 SLAC 管理。

参考资料:

https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-09-08-sensors-world-largest-digital-camera-snap-first-3200-megapixel-images-slac.aspx

https://www.bbc.com/news/science-environment-54066586

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