全球第一張三十二億像素照片出爐，完全顯示需要三百七十八個超高清屏幕

李亞山

這張羅馬花椰菜照片是有史以來最大的數(shù)碼照片之一

近日，美國能源部國家加速器實驗室的工作人員利用一系列非凡的成像傳感器，拍攝了第一組 32 億像素的數(shù)碼照片。這些成像傳感器將成為位于智利的薇拉·魯賓天文臺未來相機的核心和靈魂。

這組照片的尺寸也十分驚人，顯示其中一張全尺寸照片，就需要 378 個 4K 超高清電視屏幕。它們的分辨率高達 32 億像素，甚至可以讓你從大約 15 英里外看到一個高爾夫球。很快，這些特性將前所未有地推動天體物理學(xué)研究。

接下來，這些傳感器陣列將被集成到目前 SLAC 正在建造中的世界上最大的數(shù)碼相機中。在薇拉·魯賓天文臺安裝完成之后，這架照相機將在未來 10 年中，每隔幾個晚上拍攝一張完整的天空全景圖。它的數(shù)據(jù)將被輸入到薇拉·魯賓天文臺的時空遺產(chǎn)調(diào)查文檔（LSST，Legacy Survey of Space and Time）中，LSST 是一個包含了更多星系和無數(shù)天體運動的目錄。利用這架 LSST 相機，天文臺將拍攝有史以來最大的天文記錄，并揭示宇宙中一些最大的謎團，包括暗物質(zhì)和暗能量。

早在今年 1 月，SLAC 就完成了相機的焦平面組裝，此次拍攝是對相機焦平面的測試?！癓SST 相機是魯賓天文臺靈敏的眼睛?！?LSST 相機項目經(jīng)理文森特·里奧特如此評價。

SLAC 的工作人員用LSST相機的完整焦平面拍攝了第一張32 億像素的照片

LSST 相機焦平面的完成和測試的成功，是整個魯賓天文臺項目中最重要的成就之一，將使天文臺能夠探索下一代天文科學(xué)。

技術(shù)奇跡

在某種程度上，焦平面類似于數(shù)碼相機或手機攝像頭的成像傳感器：它捕獲物體發(fā)出或反射的光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，用于生成數(shù)字圖像。但是 LSST 相機的焦平面要復(fù)雜得多。事實上，它包含 189 個獨立的傳感器（CCDs），每一個都有高達 1600 萬像素的分辨率。

在美國能源部的布魯克海文國家實驗室，9 套 CCDs 及其配套電子元件被組裝成名為 “科學(xué)筏” 的方形單元，然后運往 SLAC。在那里，項目團隊將其中 21 個“科學(xué)筏”，以及另外 4 個不用于成像的特殊“科學(xué)筏”，插入一個固定位置的網(wǎng)格中。

焦平面有一些非常特別的特性。它不僅包含 32 億像素，而且像素也非常小——大約 10 微米寬，另外，焦平面本身非常平坦，起伏不超過人類頭發(fā)的十分之一。這才能保證相機可以產(chǎn)生非常高分辨率的清晰圖像。

這個焦平面超過 2 英尺寬，與全畫幅消費相機 1.4 英寸寬的成像傳感器相比，它顯得非常巨大。更夸張的是，整個望遠鏡的設(shè)計使成像傳感器能夠發(fā)現(xiàn)比肉眼可見的物體暗 1 億倍的物體，這種靈敏度可以在幾千英里之外看到蠟燭。

LSST 相機在天文研究方面將發(fā)揮巨大作用

加州大學(xué)圣克魯茲分校 LSST 相機項目科學(xué)家史蒂文·里茲說：“這簡直令人震驚。這些獨特的特征將使魯賓天文臺雄心勃勃的科學(xué)計劃成為可能?！?/p>

在10年的時間里，該相機將收集大約 200 億個星系的圖像。里茲介紹稱，這些數(shù)據(jù)將提高我們對星系如何隨時間演化的認識，并將使我們比以往更深入、更精確地測試暗物質(zhì)和暗能量模型。這座天文臺將是進行廣泛科學(xué)研究的絕佳設(shè)施，從對我們太陽系的詳細研究，到對通向可見宇宙邊緣的遙遠物體的研究。

高風(fēng)險的裝配過程

今年早些時候，經(jīng)歷了 6 個月的緊張工作之后，焦平面終于組裝完成。SLAC 的工作人員將 25 個筏體插入網(wǎng)格的狹窄槽中。為了最大限度地擴大成像區(qū)域，相鄰筏體上的傳感器之間的間距小于 5 根人類頭發(fā)的寬度。由于成像傳感器很容易破裂，使得整個操作非常棘手。

未來LSST 相機的完整焦平面寬度超過2 英尺，包含189 個獨立傳感器，將產(chǎn)生32億像素的圖像

另外，這些筏體也很昂貴，每個價值高達 300 萬美元。高風(fēng)險和嚴格的公差，都讓這個項目充滿挑戰(zhàn)性。團隊成員花了一年的時間準(zhǔn)備筏體安裝，他們通過安裝許多沒有正式進入最后焦平面組裝的筏體進行“練習(xí)”。這使得他們能夠完善將每個 2 英尺高、20 磅重的筏體裝入網(wǎng)格的程序。整個安裝過程使用了專門開發(fā)的特殊龍門架。

SLAC 的 LSST 相機集成和測試團隊的負責(zé)人蒂姆·邦德說：“單個相機組件的大小令人印象深刻，團隊的規(guī)模也令人印象深刻。這需要一個精心設(shè)計的團隊來完成焦平面的組裝，而且每個工作人員都接受了挑戰(zhàn)。”

拍攝 32 億像素的照片

拍攝時，焦平面被放置在一個低溫恒溫器中，傳感器被冷卻到零下 150 華氏度，這是它們所需的工作溫度。由于新冠病毒疫情影響，項目團隊有幾個月不能進入實驗室，今年 5 月，團隊嚴格按照安全距離的要求，恢復(fù)了工作。目前正在進行廣泛的測試，確保焦平面滿足支持魯賓天文臺科學(xué)計劃所需的技術(shù)要求。這些測試涉及拍攝各種物體的 32 億像素的照片，其中包括一幅表面結(jié)構(gòu)非常精細的羅馬畫。為了做到這一點，SLAC 團隊使用了一個 150 微米的針孔將圖像投射到焦平面上。

為了拍攝第一張3.2 億像素的圖像，SLAC 團隊使用了一個150 微米的針孔將圖像投射到焦平面上。左圖： 針孔投影儀的原理圖。右圖：在將圖像投射到焦平面后，SLAC 工作人員從低溫組件上取出針孔投影儀

這些照片展示了成像傳感器捕捉到的非凡細節(jié)，而且可以在網(wǎng)上以全分辨率瀏覽。拍攝這些照片是一項重大成就，在嚴格的規(guī)格下，SLAC 團隊真的突破了利用焦平面每一平方毫米的極限，最大化利用它的科學(xué)能力。

今后，還有更具挑戰(zhàn)性的工作在等著 SLAC 團隊。在接下來的幾個月里，他們將把帶有焦平面的低溫恒溫器插入相機機身，并添加相機的鏡頭，包括世界上最大的光學(xué)鏡頭、快門和用于研究不同顏色夜空的濾光片交換系統(tǒng)。到 2021 年中期，這款有一輛 SUV 大小的相機將進行最后測試，然后啟程前往智利。（摘自美《深科技》）（編輯/克珂）