给宇宙拍大片！滨松相机成为天文界的头号"摄影师"​

　　从北欧极光观测站的寒冷圆顶到西班牙拉帕尔马岛之巅的世界上最大的单口径地面光学望远镜，天文学的每一次突破，都始于对“光”的极致测量。在这些最前沿的科学现场，滨松科学相机正以其卓越的成像性能，成为天文学家解读宇宙奥秘的关键。

　　本文将透过两个前沿案例，看它如何成为天文发现的“关键之眼”。

　　案例一：捕捉脉动极光，Hosokawa实验室的”高清视界“

　　在地球一端，日本电气通信大学的Hosokawa实验室致力于研究一种神秘而绚丽的现象——“脉动极光”。这种极光如同宇宙的脉搏，以几秒到几十秒为周期明暗变化。观测它要求相机必须具备高灵敏度以捕捉暗弱光线、高帧率以记录快速动态、低噪声以保证数据纯净，以及大靶面获得广域视野。

　　为满足这些挑战，Hosokawa实验室选择了滨松光子推出的ORCA-Quest qCMOS相机，作为其极光观测系统的核心设备，并在此基础上构建了覆盖地面、雷达与卫星的综合性观测网络。

　　图1 挪威斯基博顿观测台(Skibotn Observatory, Norway)圆顶内ORCA-Quest qCMOS相机

　　ORCA-Quest qCMOS相机在以下关键性能上表现出色，完美契合极光观测的严苛需求：

　　超高空间分辨率：凭借4096 × 2304像素的成像靶面与4.6 μm像素尺寸，ORCA-Quest qCMOS可清晰捕捉极光的精细形态结构，空间分辨率达到以往设备的十倍水平，为分析极光形态变化提供丰富细节。

　　卓越的低噪声性能：相机具备极低的读出声与暗电流噪声，图像背景纯净度高，有效保障后续数据分析的准确性与可靠性，尤其适合对图像质量要求极高的科研场景。

　　出色的探测灵敏度：即使在暗弱光条件下，ORCA-Quest qCMOS仍可稳定捕捉极光信号，满足对脉动极光等低照度现象的观测需要。

　　"脉动极光研究项目"始于2015年。项目团队采用滨松EM-CCD相机进行高速高灵敏度成像，并通过联合分析地基极光观测数据、欧洲非相干散射雷达(EISCAT)数据、2016年12月发射的Arase(ERG)卫星观测数据以及2022年实施的脉动极光火箭实验(LANP任务)数据，系统探究脉动极光的起源机制。

Electro-Communications大学, Hosokawa 实验室拍摄的帷幔型极光

　　拍摄条件:

　　ORCA-Quest qCMOS camera C15550-20UP

　　Scan mode: Ultra quiet scanFrame rate: 20 frames/s (2048 pixels × 1152 pixels)Binning: 2 × 2

　　图2 ORCA-Quest2 qCMOS相机相关参数展示

　　案例二：赋能世界最大单口径地面光学望远镜，GTC的”技术心脏“升级

　　在西班牙拉帕尔马岛的山巅之上，矗立着世界最大的单口径地面光学望远镜——加那利大型望远镜(GTC)。它高达10.4米，犹如一只巨大的“天眼”，日夜不停地捕捉来自宇宙深处的微弱光芒，致力于揭示黑洞、系外行星、暗物质等宇宙奥秘。

　　图3 圆顶开启状态的加那利大型望远镜(Gran Telescopio Canarias)图片来源：加那利天体物理研究所(IAC)

　　然而，要想看清亿万光年外的天体，不仅需要巨大的镜面来收集光线，更需要极其敏锐的“眼睛”来成像。GTC的成就，离不开其背后一项关键的技术升级：滨松板级sCMOS相机的应用。

　　从复杂到精简：一场观测模式的革新

　　过去，像GTC这样的顶级望远镜，其精密仪器的传感器大多采用CCD技术。但在为GTC设计新的焦面仪器时，工程师们决定打破常规。他们计划建造三个新的焦面站(一个卡塞格林式和两个折叠卡塞格林式)，不再使用以往那种复杂、多重仪器的设计思路，而是希望将多种功能集成到一个更简洁、更可靠的单元中。

　　这个新单元的核心，是一个宽视场、低阶的Shack-Hartmann波前传感器。它需要在一个1024 x 1024像素的传感器上，同时对18个子孔径Ø20角秒视场进行采样。这不仅要求相机具备高速度(高达200帧/秒)以实现快速导星和主动光学闭环控制，还要求其具备高灵敏度和低噪声，以捕捉极其微弱的光信号。

　　图4 纳史密斯焦点站配备CCD的三大仪器布局正是在这一挑战下，GTC团队选择了与滨松合作。

　　为何选择滨松sCMOS?

　　滨松的板级sCMOS相机以其高速、低噪声的特性脱颖而出，完美契合了GTC的新需求。将其集成到新系统中，带来了两大核心优势：

　　高灵敏度与高速度：sCMOS相机能够以极高的帧率捕捉到极其微弱的光子信号，这对于快速精确地校正望远镜的光路(主动光学控制)和跟踪天体(导星)至关重要。

　　高可靠性与低维护：将多个功能整合到一台可靠的相机上，大大简化了系统结构，实现了长期、稳定的低维护运行，保障了宝贵的观测时间。

　　最终，滨松sCMOS相机成功帮助GTC构建了功能强大且运行稳健的新一代焦面仪器，为一系列重大科学发现贡献一份力量。

　　图5 上图为用于尺寸对比的模型，非真机

　　sCMOS助力GTC，解锁宇宙新发现

　　搭载了新型仪器和“关键之眼”的GTC，在天文观测领域取得了多项突破性成果：

　　发现太阳系边缘的“超级指环王”——矮行星新环系统：通过GTC上安装的超高速相机Hipercam，天文学家在太阳系边缘的一颗矮行星周围发现了一个新的环系统。正是sCMOS技术带来的高灵敏度，使得探测这些环结构遮挡行星亮度时的微小变化成为可能。

　　图6 夸欧尔环系艺术构想图。图片来源：欧洲航天局(ESA)，CC BY-SA 3.0 IGO许可

　　给银河系中心400万倍太阳质量的“怪兽级”黑洞拍红外写真：我们银河系中心存在一个质量是太阳400万倍的超大质量黑洞——人马座A。但由于星际气体和尘埃的阻挡，观测它极为困难。GTC凭借其高空间分辨率的红外探测能力，首次让科学家清晰地观测到这个黑洞对其周围环境产生的巨大影响，包括对磁场干扰以及周边气体和恒星的加热现象。

　　图7 图像色阶表征着来自银河中心一光年范围内，炽热尘埃粒子构成的丝状结构与发光恒星所发出的红外(热)辐射强度。图片来源：Roche et al. 2018, MNRAS, 476, 235

　　用引力透镜把6亿光年外的“放大镜”Abell 370星系团看穿，连哈勃都没找到的星系被它揪出来：下图对比了GTC(左)与哈勃太空望远镜(HST)(右)拍摄的阿贝尔370星系团中心。虽然哈勃的图像空间分辨率更高，但GTC的图像深度更深，揭示了更多此前未知、连哈勃都未能探测到的遥远暗弱星系。

　　图8 GTC+OSIRIS(左)与哈勃太空望远镜(右)拍摄的阿贝尔370星系团对比图。图片来源：GRANTECAN/HST

　　从天文学的前沿探索到宇宙深处的观测，滨松科学相机始终陪伴在科学家身边，成为他们解读星光的重要伙伴。无论是助力GTC望远镜捕捉遥远星系的奥秘，还是协助Hosokawa实验室记录脉动极光的韵律，我们都致力于用更清晰的成像、更稳定的性能，为每一束来自宇宙的光提供值得信赖的“眼睛”。我们期待与更多科研工作者一起，继续探索那些尚未被看见的风景。