Kirjoittaja Aihe: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen  (Luettu 1613 kertaa)

0 jäsentä ja 1 Vieras katselee tätä aihetta.

Poissa tomipa

  • Periodinen komeetta
  • **
  • Viestejä: 35
Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« : 12-10-2019, 08:25:12 »
Miksi vyöryfotodiodia ei voitaisi käyttää tähtikuvauksessa? Koska herkkyys on vyöryfotodiodissa kameraa parempi, voisi ajatella, että sillä nähdään himmeämpiä kohteita kuin kameralla. Pikaisesti laskien sen singaali-kohinasuhde on kymmenkertainen kameraan verrattuna, kun SNR = 1 arvon tuottavia irradianssitasoja (tulevia fotoneja pinta-alaa kohti) verrataan toisiinsa.

Toki halvimmat APD-paketit maksavat perusjärkkäriä enemmän (Thorlabs, APD440A2, NEP = 2,5 fW/sqrt(Hz), hinta 1077 eur).
 
Pisteilmaisin täytyy kuitenkin skannata kuva-alan yli. Jos d = 1 mm diodia verrataan täyden kuvakoon kennoon 36 x 24 mm, niin kuvan muodostamiseen kuluu aikaa karkeasti 864 kertaa kauemmin. Jotta kameralla päästäisiin samaan signaali-kohinasuhteeseen, kuvia täytyy pinota 100 kpl:tta enemmän. Kameran keskimääräinen kvanttihyötysuhde on yleensä puolet pienempi. Täten kuvausaika onkin enää 864/200 = 4- kertainen täyden koon kennoon verrattuna. Vertailtavasta kamerasta ja skannausparametreista riippuu, mikä aikahyötysuhde lopulta tulee olemaan.

Kulmaresoluutiota on lähes sama kuin kaukoputken kulmaresoluutio, jos lyhyin aika-askelin A/D-muunnettu signaali dekonvuloidaan ilmaisimen pinta-alafunktiolla. Näytteitä täytyy ottaa siis niin tiheästi, että ilmaisimen kuva siirtyy näytteiden välissä vain ilmaisimen leveyden murto-osan verran. Dekonvulointi on erittäin olennaista, jotta kuva ei kärsi optiikan PSF:ää isommasta ilmaisinkoosta.

Kuvan skannaus voidaan toteuttaa tilttaamalla pää- ja apupeili pieneen kulmaan ja pyörittämällä peilejä sähkömoottoreilla. Ilmaisimen kuva piirtää taivaalle rosettekuvion, josta voidaan laskea lopullinen kuva, kun moottorien pyörintätaajuudet ovat tiedossa. Moottorit ja laakerit maksavat noin 100 eur, mutta peilinpidikkeet ja runkokiinnikkeet täytyy tehdä itse sorvaamalla ja jyrsimällä.

Pistedetektorilla otettu kuva olisi tasalaatuinen: siinä ei ole kennolle tyypillisiä epätasaisuuksia (raitoja, huonoja pikseleitä jne.). APD-materiaaleja on olemassa myös kaikille aallonpituusalueille näkyvältä lähi-infrapunaan ja termiseen infrapunaan asti. Pisteilmaisin on paljon halvempi kameraan verratuna, kun mennään infrapunaan. Jos joku kiinnostuu, voin auttaa idean toteutuskelpoisuuden/kelvottomuuden arvioinnissa. Itselläni ei ole resursseja rakentaa pisteilmaisinkaukoputkea.
Tomi Parviainen

Poissa Astronautiskelija

  • Eksoplaneetta
  • ***
  • Viestejä: 352
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #1 : 12-10-2019, 10:21:57 »
Mielenkiintoinen konsepti. Tätä voisi siis käyttää lineaarisesti spektrin skannaamiseen.
The sky appears so steady fixed and stable as we look at it - but only if we do not look too hard. James B Kaler, Stars and Their Spectra
Clayhole Observatory
Twitter | Vimeo

Poissa tomipa

  • Periodinen komeetta
  • **
  • Viestejä: 35
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #2 : 19-10-2019, 09:15:46 »
Kyllä, konseptilla voi skannata spektrin hilan avulla kullekin kulmapisteelle. Se vaan vie enemmän aikaa.

Peilejä ei tarvitse pyörittää, jos käytetään mikomekaanista peilimatriisia kuvatasossa.  Kukin mikropeili heijastaa siihen osuvan valon vuorollaan isommalle APD:lle, kun muut ovat kääntyneenä poispäin. Säteet hajaantuvat kohti APD:a, mutta koska se on mikropeiliä isompi, se saa kerättyä kaikki peilistä heijastuneet säteet. Tässä tarvitaan lisäksi aputasopeili, jotta APD sadaan pois optiselta akselilta valoa blokkaamasta. Esim. Newton-mallinen kaukoputki.

Tämä MEMS-tekniikka taitaa kuitenkin olla harrastajan ulottumattomissa.
Tomi Parviainen

Poissa Astronautiskelija

  • Eksoplaneetta
  • ***
  • Viestejä: 352
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #3 : 19-10-2019, 14:07:44 »
Ajattelin kyllä paljon suoraviivaisemmin. Eli skannataan suoraa kuvatasosta aallonpituus kerrallaan. Helpoimmillaan sen voisi toteuttaa kääntämällä hilaa.
The sky appears so steady fixed and stable as we look at it - but only if we do not look too hard. James B Kaler, Stars and Their Spectra
Clayhole Observatory
Twitter | Vimeo

Poissa tomipa

  • Periodinen komeetta
  • **
  • Viestejä: 35
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #4 : 19-10-2019, 16:59:17 »
Olen mieltänyt, että peilihila tarvitsee kollimoidun sädekimpun. Eli kuvataso kollimoidaan pienellä paraboloidipeilillä peilihilalle, joka sitten fokusoidaan haluttuun kulmaan kääntämisen jälkeen toisella peilillä APD-piste- tai rivi-ilmaiseimelle?

Spatiaalinen skannaus ehkä sekottui  vastauksessani spektrin skannaukseen. Yötaivasalueen kulma- tai spatiaaliskannaamiseen vaihtoehtona lienevät pyörivät tilttipeilit tai digitaalinen mikropeililaite.
Tomi Parviainen

Poissa mikko.s

  • Meteoroidi
  • *
  • Viestejä: 7
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #5 : 19-10-2019, 18:05:03 »
Miksi vyöryfotodiodia ei voitaisi käyttää tähtikuvauksessa? Koska herkkyys on vyöryfotodiodissa kameraa parempi, voisi ajatella, että sillä nähdään himmeämpiä kohteita kuin kameralla. Pikaisesti laskien sen singaali-kohinasuhde on kymmenkertainen kameraan verrattuna, kun SNR = 1 arvon tuottavia irradianssitasoja (tulevia fotoneja pinta-alaa kohti) verrataan toisiinsa.

Toki halvimmat APD-paketit maksavat perusjärkkäriä enemmän (Thorlabs, APD440A2, NEP = 2,5 fW/sqrt(Hz), hinta 1077 eur).
 

NEP on huono luku kertomaan soveltuvuudesta kuvaamiseen - etenkin kun tuo 2.5e-15 on paras arvo 0-100kHz alueella. Tässä tapauksessa pitää integroida kohinateho ja silloin puhutaankin jo 1pW tasosta d=1mm detektorille, eli  140pW/cm^2. CCD:llä tuo arvo saattaa olla 15pW/cm^2 25°C lämpötilassa. CCD kun jäähdytetään -20°C, niin ollaankin lukemassa 0.25pW.

Kun APD:tä ajetaan fotonilaskurimoodissa, tuon kokoinen APD 'laskee' tyypillisesti 1000-50000 harhafotonia, eli dark count rate on melkoinen.

APD:n vahvistus on myös voimakkaan riippuvainen bias-jännitteestä ja lämpötilasta joten sillä on hyvin vaikea saada aikaan tarkkaa mittausta eli tasaista valotusta kuva-alalle.

Mielenkiintoinen komponentti, mutta pimeässä kuvaamiseen CCD- ja CMOS-kennot ovat huimasti parempia.

APD:lle on toki käyttönsä - ne ovat hyvin nopeita ja käyttökelpoisia LIDAReissa ja muissa sovelluksissa, joissa pitää havaita nopeita ja melko himmeitä valopulsseja. Kohtuullisen halvalla (alle 100€) saa nykyään SiPM-komponentteja, joissa on satoja tai tuhansia APD:tä rinnakkain muodostaen analogisen 'piivalomonistimen'. Dark count rate sitten mitataan MHz-luokassa.

Poissa tomipa

  • Periodinen komeetta
  • **
  • Viestejä: 35
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #6 : 19-10-2019, 22:26:40 »
Lainaus
NEP on huono luku kertomaan soveltuvuudesta kuvaamiseen - etenkin kun tuo 2.5e-15 on paras arvo 0-100kHz alueella. Tässä tapauksessa pitää integroida kohinateho ja silloin puhutaankin jo 1pW tasosta d=1mm detektorille, eli  140pW/cm^2. CCD:llä tuo arvo saattaa olla 15pW/cm^2 25°C lämpötilassa. CCD kun jäähdytetään -20°C, niin ollaankin lukemassa 0.25pW.

Alkuperäisessä suuruusluokkalaskelmassa arvioin, että kuormavastusta suurentamalla kaistanleveyttä voidaan pienentää. Suurta kaistaa ei tarvita, koska skannauksessa syntyy alle 100 Hz signaaleita. Siispä laskin kohinatehoksi 2.5e-14 W olettaen NEP:n kaistan yli integroidessa vakioksi, mistä 1 mm detektorille saadaan 3 pW/cm^2 huoneenlämmössä. Luulisin, että jäähdytys pienentää APD:nkin kohinaa, ainakin lämpökohinaa.

Geiger-moodi tuottaa tosiaan ison ja kohinaisen pimeävirran, mutta ehkä signaali-kohinasuhdetta maksimoidessa riittää tavanomainen vahvistus M = 20 - 100 ilman yksifotoni-ilmaisua. Käsittääkseni jännite ja lämpötila on stabiloitava vain näkökentän skannauksen ajaksi, jota pidempi aikasignaali voidaan pätkiä yksittäisiksi kuviksi. Tämä stabilointiaika on siis 1-10 sekuntia: mielestäni tunneista ei ole kyse. Muodostettuja kuvia voitaneen pinota kohinan poistamiseksi edelleenkin. Jos lämpötila-jännite-driftiä kuvien välillä on, niin se keskiarvoittuu. Irradianssikalibrointia ei voi tehdä, mutta kuvakentän suhteelliset harmaasävyerot säilynevät.

Varmasti APD on omimillaan juurikin laseretäisyysmittauksessa ja laserpulssijonon yksifoni-ilmaisussa, joissa suurta kaistanleveyttä vaaditaan.

Käytetäänpä sitten APD:tä tai tavanomaista fotodiodia, niin konseptilla voisi päästä kohtuullisen edullisesti kiinni NIR- ja SWIR-kanaviin (900 - 1700 - 2500 nm). Nämä matriisi-ilmaisimet maksavat neljä-viisinumeroisia summia helposti. InGaAS-APD-FPA:t ovat tulossa, mutta eivät vielä kaupassa.

Lisäyksenä. NEP:llä on minimiarvo, joka yleensä löytyy pieniltä taajuuksilta. Jos NEP-käyrän taajuusspektri voidaan mitata, signaali voidaan siirtää minimiin katkojalla ja kaistanpäästösuodattaa. Eli chopperi asetetaan kuvatasoon juuri ja juuri fotodiodin eteen. Chopperin taajuutta käyttäen voidaan mitata DC-tasosta nostettu signaali vaikkapa lukitusvahvistimella. Näin päästään huomattavasti alle lämpö- tai valkoisen kohinatason (mitataan siniaaltoa). Lukitusvahvistimen keskiarvotusajan tulee olla pienempi kuin signaalin nousuajat esim. tähden yli näkökenttää skannatessa. Toki pistekohinaan keinolla ei voi vaikuttaa. Chopperin kanttiaaltosignaalista menetetään korkeammat harmoniset taajuudet ja mittauksesta saadaan RMS-arvo. Niinpä irradianssin absoluuttiarvojen kalibrointi on työläämpää. Lukitusvahvistin toki nostaa mittausjärjestelmän hintaa.

Chopperin taajuuden tulee olla minimissään 100 Hz - 1 kHz, koska tällä välillä 1/f-kohina sulautuu valkoiseen kohinaan. Kaistanpäästösuodattamalla päästään eroon osasta keinovalaistuksen 50 Hz taajuudella tapahtuvasta välkynnästä, joka siroaa ilmakehästä teleskooppiin.

Valonkeräyskykyä, muttei kuitenkaan kulmaresoluutiota, voidaan kasvattaa asettamalla useita teleskooppeja rinnakkaan seuraamaan samaa kohdetta. Polttotasoon chopperin jälkeen tuodaan optinen kuitu. Jokaisen teleskoopin kuitu viedään kuituyhdistimeen, jonka ulostulokuitu asetetaan kiinni fotodiodiin. Nyt signaali on kaikkien teleskooppien summasignaali. Choppereilla on kuitenkin hieman eri pyörintänopeudet. Kaistanpäästösuodatuksen jälkeen signaalista otetaan Fourier-muunnos eri taajuisten signaalien löytämiseksi. Skannauksen aikasarjassa yksittäisten taajuusspektrien piikit erotellaan toisistaan. Kunkin teleskoopin yksilöidystä taajuuspiikkijonosta tehdään oma kuva teleskoopin näkökentästä. Kuvat sovitetaan laskennallisesti päällekkäin tähdet kohdistamalla. Näin teleskooppien pienet suuntauserot saadaan kompensoitua. Vaikka chopperissa menetetään puolet signaalista ja kuituheijastuksissa muutama prosentti, niin kaistanpäästösuodatuksessa ja Fourier-muunnoksessa päästään eroon suurelta osin valkoisesta kohinasta. Signaalia voidaan myös kerätä yhdestä kuvakentän pisteestä kauemmin verrattuna CCD:n maksimivalotusaikaan. S/N-paranee.

Lisäyksenä. Kuva-alan skannaus kannattaa tehdä tähtitieteellisissä havainnoissa mikromekaanisella peilimatriisilla ilman pyörityspeilejä. MEMS-peili asetetaan kuvatasoon kaukoputkessa. Mikropeilit kääntävät siihen tulevat säteet vinokulmaan kohti fotodiodia, joka kerää kaikki käännetyt säteet suuremman pinta-alansa tai apuoptiikan avulla. Kuitenkin vuorollaan yhtä pikseliä ei käännetä, vaan se näkyy fotodiodille mustana pikselinä (peilaa mustaa pintaa). Nyt  MxN-pikselin peilin kuva konstruoidaan ratkaisemalla lineaarinen yhtälöryhmä A*X = B, jossa A = [MxN,MxN] yksikkönelilömatriisi, jonka diagonaali on nolla, ja B on [MxN,1] matriisi, jonka kukin alkio on peilin kaikkien pikselien summa miinus yksi vaihtuva pikseli. Jos tähdet dominoivat signaalia heikompien kohteiden kustannuksella, mikromekaaninen peili voidaan jakaa alikuviin jättämällä suurempi osa mikropeileistä kääntämättä. Kaukoputki voidaan suunnata kohteeseen asettamalla kääntöpeili ennen kuvatasoa. Kääntöpeilin tehtävänä on suuntauksessa kääntää säteet CCD:n kuvatasoon. Samalla tehdään tähtikartta mikropeilille, jos tähdet halutaan valottaa erillään taustasta.

Mikropeilimatriisin kanssa olisi kuitenkin parempi käyttää valomonistinputkea, jonka NEP > 2e-17 W/sqrt(Hz), kvanttihyötysuhde < 40 %, pinta-ala < 12 mm^2, aallonpituusalue 115 - 1700 nm ja bandwidth < 2e9 Hz. Koska taajuuskaista on suuri, signaalin katkominen ja suodattaminen ovat olennaisia.

Poissonin kohinaa voidaan vähentää, kun valotusta ja lukitusvahvistimen keskiarvotusta jatketaan kauemmin (verrattuna CCD:n varauskaivon täyttymiseen signaalista ja kohinasta). Lopulta kuva täyttyy fotoneista, koska pistekohina pienenee verrannollisena keskiarvotusajan neliöjuureen.
« Viimeksi muokattu: 25-10-2019, 05:09:50 kirjoittanut tomipa »
Tomi Parviainen

Poissa mikko.s

  • Meteoroidi
  • *
  • Viestejä: 7
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #7 : 21-10-2019, 12:24:26 »
Alkuperäisessä suuruusluokkalaskelmassa arvioin, että kuormavastusta suurentamalla kaistanleveyttä voidaan pienentää. Suurta kaistaa ei tarvita, koska skannauksessa syntyy alle 100 Hz signaaleita. Siispä laskin kohinatehoksi 2.5e-14 W olettaen NEP:n kaistan yli integroidessa vakioksi, mistä 1 mm detektorille saadaan 3 pW/cm^2 huoneenlämmössä. Luulisin, että jäähdytys pienentää APD:nkin kohinaa, ainakin lämpökohinaa.
Lainaus

Kohina on yleensä matalilla taajuuksilla pahempaa (1/f-kohina) ja neliölakidetektorissa kohina integroidaan alarajalta ylöspäin. Sitä ei voi sähköisesti ulkopuolella suodattaa.

Toinen tapa ajatella asiaa on fotonien laskminen - kuinka monta fotonia detektoriin osuu tietyssä ajassa ja mikä on Poisson-kohinan (neliöjuuri fotonien määrästä) vaikutus kuvaan.

Dr. Phil (Hobbs, ei ei televisioheebo) on kirjottanut kirjan 'Building Electro-Optical Systems: Making It all Work', jota suosittelen lämpimästi optoelektroniikasta kiinnostuneille. Erityisesti kohina ja fotonibudjetointi ovat hyviä työkaluja suorituskyvyn arviointiin.

Lainaus
Käytetäänpä sitten APD:tä tai tavanomaista fotodiodia, niin konseptilla voisi päästä kohtuullisen edullisesti kiinni NIR- ja SWIR-kanaviin (900 - 1700 - 2500 nm). Nämä matriisi-ilmaisimet maksavat neljä-viisinumeroisia summia helposti. InGaAS-APD-FPA:t ovat tulossa, mutteivät vielä kaupassa.

d=1mm SWIR-alueen valodiodin hinta on n. 30EUR ja jäähdyttämällä sillä voisi saada jokinlaisen kuvan aikaiseksi kirkkaista kohteista.

Poissa tomipa

  • Periodinen komeetta
  • **
  • Viestejä: 35
Vs: Vyöryfotodiodin käyttö tähtikuvaukseen
« Vastaus #8 : 25-10-2019, 05:45:13 »
Vyöryfotodiodin sijasta valomonistinputkella voidaan havaita yksittäisiä fotoneja. Kuva muodostuu mikropeilimatriisia tai FOV:ia skannaamalla. Mikropeilimatriisia voidaan käyttää itsessään katkojana, mutta FOV:ia skannatessa tarvitaan chopperi ja pieni aukko PMT:n eteen.
Tomi Parviainen