[论文解读] Large Focal Plane Arrays for Future Missions

Paul A. Scowen, Shouleh Nikzad+11 more|ArXiv.org|Apr 13, 2009

Spacecraft Design and Technology被引用 3

一句话总结

本文概述了为未来空间和地面天文任务开发大型高性能焦平面阵列所面临的技术挑战及解决方案。论文提出采用模块化、四边可拼接的CCD和CMOS成像器架构，可扩展的测试框架，地面测试平台，以及平流层高空气球验证，以实现无需额外大量投资即可获得飞行级、低成本、高可靠性的大面阵探测器。

ABSTRACT

We outline the challenges associated with the development and construction of large focal plane arrays for use both on the ground and in space. Using lessons learned from existing JPL-led and ASU/JPL partnership efforts to develop technology for, and design such arrays and imagers for large focal planes, we enumerate here the remaining problems that need to be solved to make such a venture viable. Technologies we consider vital for further development include: (1) architectures, processes, circuits, and readout solutions for production and integration of four-side buttable, low-cost, high-fidelity, high-performance, and high-reliability CCD and CMOS imagers; (2) modular, four-side buttable packaging of CCD/CMOS imagers; (3) techniques and hardware to test and characterize the large number of chips required to produce the hundreds of flight-grade detectors needed for large focal-plane missions being conceived at this time; (4) ground based testbed needs, such as a large format camera mounted on a ground-based telescope, to field test the detectors and the focal plane technology solutions; and (5) validation of critical sub-components of the design on a balloon mission to ensure their flight-readiness. This paper outlines the steps required to provide a mature solution to the astronomical community with a minimal investment, building on years of planning and investments already completed at JPL.

研究动机与目标

• 解决对大型格式、高保真焦平面阵列的迫切需求，以支持下一代天文巡天任务。
• 克服在大规模焦平面中制造、集成和测试数百个飞行级探测器所面临的技术障碍。
• 开发适用于CCD和CMOS成像器的模块化、四边可拼接封装与可扩展读出架构，以提升可扩展性与可靠性。
• 建立地面测试平台与高空气球任务，以在空间部署前验证探测器性能与飞行就绪状态。
• 利用现有的JPL与ASU/JPL技术投资，最大限度降低新开发成本，加速部署时间。

提出的方法

• 设计并原型化适用于可扩展、模块化集成的四边可拼接CCD和CMOS成像器架构。
• 实施低成本、高保真度的读出电子系统，具备高动态范围与低噪声特性，适用于大面阵。
• 开发标准化、模块化的封装解决方案，实现多个探测器芯片无缝拼接为大面阵焦平面。
• 制定全面的测试与表征协议，用于数百个独立飞行级探测器的检测。
• 在地基望远镜上部署大面阵相机，作为完整焦平面系统验证的测试平台。
• 开展高空平流层气球任务，验证关键子组件（如读出电子系统、冷却系统）在近空间环境下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 为实现CCD和CMOS成像器向大型、四边可拼接焦平面的规模化，需要哪些架构与集成解决方案？
• RQ2 如何实现对数百个飞行级探测器的高效且可扩展的测试与表征？
• RQ3 在发射前验证大型焦平面系统，需要何种地面测试平台基础设施？
• RQ4 气球任务在验证关键探测器组件的飞行就绪性方面发挥什么作用？
• RQ5 如何利用现有的JPL与ASU/JPL技术投资，以最小化大型焦平面阵列的新开发成本？

主要发现

• 四边可拼接的CCD和CMOS成像器架构对于实现可扩展、模块化、高性能的大焦平面系统至关重要。
• 模块化封装与标准化接口可实现多个探测器芯片的可靠拼接，形成大面阵。
• 利用望远镜搭载大面阵相机的地面测试平台，是焦平面技术系统级验证的关键。
• 气球任务为在轨道部署前以低成本方式验证关键子组件在近空间条件下的性能提供了有效路径。
• 利用现有JPL与ASU/JPL技术开发可降低未来大型焦平面阵列任务的风险与成本。
• 本文明确了通过依托前期投资，以低投入方式推动大型焦平面技术成熟，为天文界提供清晰可行的路径。