利物浦约翰摩尔斯大学研究|Ninox 640 SU 深度制冷短波红外相机在天文观测中的潜力解析
在现代光学瞬变巡天领域，新天体不断被发现，但红外巡天能力的相对欠缺成为了制约进一步研究的关键因素。来自利物浦约翰摩尔斯大学天体物理学研究所的 Kristoffor Batty等人在IOP science发表了《Laboratory and On-sky Testing of an InGaAs Detector for Infrared Imaging》。
他们应用Raptor photonics的Ninox 640 SU深度制冷短波红外相机分别在实验室和利物浦望远镜上进行了实验，实验结果验证了该相机在天文成像测试中的良好的性能，尤其在 Y、J 和 H 波段有望取得良好结果,完全能够满足天文观测的要求。
在超净实验室暗室中，实验者使用钨灯光源照亮平板屏幕。通过改变输入光源的功率来控制亮度，为了获得准确的暗帧，在镜头前放置镀金反射镜，确保探测器观察到自身的冷反射而非室温场景。在此实验中分别进行了线性度、暗电流、光子转移曲线、像素噪声和固定模式噪声等多项测试。
结果显示：
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线性度：在低计数时，由于读出噪声的主导，数值存在较大分散。但在计数达到约 3000 ADU 后，非线性度在 1% 以内，直到接近位深饱和水平。
图 1. 阵列中 5 个随机像素的线性测试。
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暗电流：在 - 20°C 时，暗电流平均水平为 1579 ADU pix⁻¹ s⁻¹，暗电流产生的噪声与读出噪声相当。暗电流与温度呈正相关，制冷系统可将温度控制在 - 20°C保持相机稳定。
图2. 相机暗电流值随温度变化的结果。图像帧的中值用黑色绘制，而透明的数据点是在阵列中随机选取的单个像素值。
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光子转移曲线：计算出相机的增益为 0.52 e⁻ ADU⁻¹，读出噪声与光子转移曲线的 y 轴截距一致。
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像素噪声：单个像素测试中发现了随机电报信号噪声，但在 1000ms 曝光时，散粒噪声接近超过随机电报信号噪声的幅度，因此其对结果的影响不大。相机的光敏像素百分比超过 99.5%，约 94.8% 的像素噪声水平低于天空背景，可用于 H 波段成像。
图 3. 随机选取的一个像素在一系列 2000 张 100 毫秒（左）和 1000 毫秒（右）的图像中被跟踪，以测试单个像素的变化情况。所有图像都有叠加的虚线表示 3σ 边界，实线表示中值。
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固定模式噪声：包括暗信号和光响应不均匀性等，可通过图像减法和平场校正去除。
图 4. 叠加暗帧（右）的对数刻度直方图（左），展示了将泊松噪声降低到 1 倍后剩余的均方根值。
2021 年 1 月至 8 月期间，实验者将 Ninox 640 SU相机安装在利物浦望远镜上对不同天体（如 NGC 2420 等）进行观测，实验分别对图像质量、焦点、视场等相机性能等进行了严格的测试。
图 5. 在两个不同夜晚拍摄的 NGC 2420 的对比。上面是裁剪至相同视场的经处理后的图像，下面是图像之间共有的恒星的对比。
测试结果如下:
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焦点和视场：能够达到预期的焦点和视场，成像质量稳定且一致性良好。
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信噪比：对 NGC 2420 进行测试时，不同日期拍摄的图像显示出良好的一致性，且信噪比与理论预期相符。对于亮于 H = 10 的源，相机能够实现毫秒级精度，对于 16 等星，在 3 分钟总曝光时间内信噪比可达 10。
图 6. 总曝光时间为 180 秒的 NGC 2420 的信噪比（SNR）值。实际观测数据值以黑色十字显示，蓝线代表以与图 3 相同的方式计算出的理论信噪比，其中使用了更新后的夜空亮度值和零点值。
Ninox 640 SU深度制冷短波红外相机
主要特性：
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InGaAs芯片，响应波长0.9-1.7um
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PentaVacTM 真空技术，全金属密封
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制冷温度-80℃，暗电流＜300e⁻ /p/s
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曝光时间可达5min
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实时图像NUC矫正，无需载入校准文件
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CameraLink接口，易于系统集成和开发
典型应用：
近红外二区活体荧光成像、显微荧光成像、天文观测、太阳能电池检测、半导体检测、高光谱成像等
