全球第一张32亿像素照片出炉,完全显示需要378个超高清屏幕

科学
全球第一张32亿像素照片出炉,完全显示需要378个超高清屏幕
麻省理工科技评论 2020-09-10

2020-09-10

未来世界上最大的数码相机建成,将推动天体物理学研究
科学
未来世界上最大的数码相机建成,将推动天体物理学研究

有史以来单次拍摄像素最高的一组照片问世了,分辨率高达 32 亿像素。

近日,美国能源部国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的工作人员利用一系列非凡的成像传感器,拍摄了第一组 32 亿像素的数码照片。这些成像传感器将成为位于智利的薇拉 · 鲁宾(Vera C. Rubin)天文台未来相机的核心和灵魂。

全球第一张32亿像素照片出炉,完全显示需要378个超高清屏幕

图 | 这张罗马花椰菜照片是有史以来最大的数码照片之一。(来源:SLAC 国家加速器实验室)

这组照片的尺寸也十分惊人,显示其中一张全尺寸照片,就需要 378 个 4K 超高清电视屏幕。它们的分辨率高达 32 亿像素,甚至可以让你从大约 15 英里外看到一个高尔夫球。很快,这些特性将前所未有地推动天体物理学研究。

全球第一张32亿像素照片出炉,完全显示需要378个超高清屏幕

图 | 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。(来源: Greg Stewart /SLAC 国家加速器实验室)

接下来,这些传感器阵列将被集成到目前 SLAC 正在建造中的世界上最大的数码相机中。在薇拉 · 鲁宾天文台安装完成之后,这架照相机将在未来 10 年中,每隔几个晚上拍摄一张完整的天空全景图。它的数据将被输入到薇拉 · 鲁宾天文台的时空遗产调查文档(LSST,Legacy Survey of Space and Time)中,LSST 是一个包含了更多星系和无数天体运动的目录。利用这架 LSST 相机,天文台将拍摄有史以来最大的天文记录,并揭示宇宙中一些最大的谜团,包括暗物质和暗能量。

早在今年 1 月,SLAC 就完成了相机的焦平面组装,此次拍摄是对相机焦平面的测试。

“LSST 相机是鲁宾天文台灵敏的眼睛。” LSST 相机项目经理文森特 · 里奥特(Vincent Riot)如此评价。

LSST 相机焦平面的完成和测试的成功,是整个鲁宾天文台项目中最重要的成就之一,将使天文台能够探索下一代天文科学。

全球第一张32亿像素照片出炉,完全显示需要378个超高清屏幕

图 | 未来 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。(来源:Jacqueline Orrell/SLAC 国家加速器实验室)

技术奇迹

在某种程度上,焦平面类似于数码相机或手机摄像头的成像传感器:它捕获物体发出或反射的光,并将其转换为电信号,用于生成数字图像。但是 LSST 相机的焦平面要复杂得多。事实上,它包含 189 个独立的传感器(CCDs),每一个都有高达 1600 万像素的分辨率。

在美国能源部的布鲁克海文国家实验室,9 套 CCDs 及其配套电子元件被组装成名为 “科学筏” 的方形单元,然后运往 SLAC。在那里,项目团队将其中 21 个“科学筏”,以及另外 4 个不用于成像的特殊“科学筏”,插入一个固定位置的网格中。

焦平面有一些非常特别的特性。它不仅包含 32 亿像素,而且像素也非常小——大约 10 微米宽,另外,焦平面本身非常平坦,起伏不超过人类头发的十分之一。这才能保证相机可以产生非常高分辨率的清晰图像。

这个焦平面超过 2 英尺宽,与全画幅消费相机 1.4 英寸宽的成像传感器相比,它显得非常巨大。更夸张的是,整个望远镜的设计使成像传感器能够发现比肉眼可见的物体暗 1 亿倍的物体,这种灵敏度可以在几千英里之外看到蜡烛。

加州大学圣克鲁兹分校 LSST 相机项目科学家史蒂文 · 里兹(Steven Ritz)说:“这简直令人震惊。这些独特的特征将使鲁宾天文台雄心勃勃的科学计划成为可能。”

在 10 年的时间里,该相机将收集大约 200 亿个星系的图像。里兹介绍称,这些数据将提高我们对星系如何随时间演化的认识,并将使我们比以往更深入、更精确地测试暗物质和暗能量模型。这座天文台将是进行广泛科学研究的绝佳设施,从对我们太阳系的详细研究,到对通向可见宇宙边缘的遥远物体的研究。

全球第一张32亿像素照片出炉,完全显示需要378个超高清屏幕

图 | 为了拍摄第一张 3.2 亿像素的图像,SLAC 团队使用了一个 150 微米的针孔将图像投射到焦平面上。左图: 针孔投影仪的原理图。右图: 在将图像投射到焦平面后,SLAC 工作人员从低温组件上取出针孔投影仪。(来源: Greg Stewart/Jacqueline Orrell/SLAC 国家加速器实验室)

高风险的装配过程

今年早些时候,经历了 6 个月的紧张工作之后,焦平面终于组装完成。SLAC 的工作人员将 25 个筏体插入网格的狭窄槽中。为了最大限度地扩大成像区域,相邻筏体上的传感器之间的间距小于 5 根人类头发的宽度。由于成像传感器很容易破裂,使得整个操作非常棘手。

另外,这些筏体也很昂贵,每个价值高达 300 万美元。

高风险和严格的公差,都让这个项目充满挑战性。

团队成员花了一年的时间准备筏体安装,他们通过安装许多没有正式进入最后焦平面组装的筏体进行“练习”。这使得他们能够完善将每个 2 英尺高、20 磅重的筏体装入网格的程序。整个安装过程使用了专门开发的特殊龙门架。

SLAC 的 LSST 相机集成和测试团队的负责人蒂姆 · 邦德(Tim Bond)说:“单个相机组件的大小令人印象深刻,团队的规模也令人印象深刻。这需要一个精心设计的团队来完成焦平面的组装,而且每个工作人员都接受了挑战。”

拍摄 32 亿像素的照片

拍摄时,焦平面被放置在一个低温恒温器中,传感器被冷却到零下 150 华氏度,这是它们所需的工作温度。由于新冠病毒疫情影响,项目团队有几个月不能进入实验室,今年 5 月,团队严格按照安全距离的要求,恢复了工作。目前正在进行广泛的测试,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。

这些测试涉及拍摄各种物体的 32 亿像素的照片,其中包括一幅表面结构非常精细的罗马画。为了做到这一点,SLAC 团队使用了一个 150 微米的针孔将图像投射到焦平面上。这些照片展示了成像传感器捕捉到的非凡细节,而且可以在网上以全分辨率浏览。

拍摄这些照片是一项重大成就,在严格的规格下,SLAC 团队真的突破了利用焦平面每一平方毫米的极限,最大化利用它的科学能力。

今后,还有更具挑战性的工作在等着 SLAC 团队。

在接下来的几个月里,他们将把带有焦平面的低温恒温器插入相机机身,并添加相机的镜头,包括世界上最大的光学镜头、快门和用于研究不同颜色夜空的滤光片交换系统。到 2021 年中期,这款有一辆 SUV 大小的相机将进行最后测试,然后启程前往智利。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech