[論文レビュー] StarDICE I: sensor calibration bench and absolute photometric calibration of a Sony IMX411 sensor

M. Betoule, S. Antier+19 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、NISTトレーサブルなフォトダイオードを用いて、ソニー IMX411ALR CMOSセンサ（QHY411Mカメラに搭載）の絶対的フォトメトリックキャリブレーションを可能にする完全自動化された分光測光ベンチを提示する。387–950 nmの波長域で1フォトンあたり0.001 e⁻未塔の統計的不確かさを達成し、全体の正規化不確かさが1%、応答安定性は0.0033% RMS未塔であり、宇宙探査や重力波イベントの追従観測における高精度フォトメトリに極めて適している。

ABSTRACT

The Hubble diagram of type-Ia supernovae (SNe-Ia) provides cosmological constraints on the nature of dark energy with an accuracy limited by the flux calibration of currently available spectrophotometric standards. The StarDICE experiment aims at establishing a 5-stage metrology chain from NIST photodiodes to stars, with a targeted accuracy of \SI{1}{mmag} in $griz$ colors. We present the first two stages, resulting in the calibration transfer from NIST photodiodes to a demonstration \SI{150}{Mpixel} CMOS sensor (Sony IMX411ALR as implemented in the QHY411M camera by QHYCCD). As a side-product, we provide full characterization of this camera. A fully automated spectrophotometric bench is built to perform the calibration transfer. The sensor readout electronics is studied using thousands of flat-field images from which we derive stability, high resolution photon transfer curves and estimates of the individual pixel gain. The sensor quantum efficiency is then measured relative to a NIST-calibrated photodiode. Flat-field scans at 16 different wavelengths are used to build maps of the sensor response. We demonstrate statistical uncertainty on quantum efficiency below \SI{0.001}{e^-/γ} between \SI{387}{nm} and \SI{950}{nm}. Systematic uncertainties in the bench optics are controlled at the level of \SI{1e-3}{e^-/γ}. Uncertainty in the overall normalization of the QE curve is 1\%. Regarding the camera we demonstrate stability in steady state conditions at the level of \SI{32.5}{ppm}. Homogeneity in the response is below \SI{1}{\percent} RMS across the entire sensor area. Quantum efficiency stays above \SI{50}{\percent} in most of the visible range, peaking well above \SI{80}{\percent} between \SI{440}{nm} and \SI{570}{nm}. Differential non-linearities at the level of \SI{1}{\percent} are detected. A simple 2-parameter model is proposed to mitigate the effect.

研究の動機と目的

• NISTフォトダイオードから天文的星までのメトロロジー連鎖を確立し、宇宙論的研究を対象として griz 色の精度1 mmag を目指す。
• QHY411Mカメラに搭載された150 Mpixel CMOSセンサ（ソニー IMX411ALR）の絶対的フォトメトリックキャリブレーションを実施する。
• 高精度天文フォトメトリに使用するため、センサの量子効率、線形性、一様性、非線形性を同定する。
• 特に重力波イベントの光学的追従観測を含む、将来的な応用を支援する。
• キャリブレーションプロセスにおける系統的および統計的不確かさを特定・定量化し、精度を向上させる。

提案手法

• NISTトレーサブルフォトダイオードからのキャリブレーションを、CMOSセンサに移行させるために、独自に設計された完全自動化された分光測光ベンチを構築した。
• 読み出し安定性の評価、高分解能フォトン転送曲線の導出、個々のピクセルゲインの推定を目的として、数千枚のフラットフィールド画像を取得した。
• 375–1078 nmの波長域で、モノクローマチックビームを用いてNISTキャリブレーテッドフォトダイオードと相対的に量子効率を測定した。
• 16波長でのフラットフィールドスキャンを用いて、センサの詳細な空間応答マップを生成した。
• ADC応答における周期的差分非線形性を補正するために、2パラメータモデルを適用した。
• ベンチ光学部の系統的不確かさを1×10⁻³ e⁻/photonの範囲に制御した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソニー IMX411ALR センサの量子効率測定における統計的不確かさは、可視光および近赤外域でどの程度か？
• RQ2 ステディステート条件下でのセンサ応答はどの程度安定しており、センサ面全体での応答の一様性はいかがなっているか？
• RQ3 特に差分非線形性を含む非線形性が、センサの線形性およびダイナミックレンジにどの程度影響を与えるか？
• RQ4 量子効率曲線の全体の正規化不確かさはどの程度で、フォトメトリック精度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 このセンサは、特に一時的天体検出および宇宙論的距離測定を対象とした天文調査において、信頼性高く高精度フォトメトリに使用可能か？

主な発見

• 387 nm から 950 nm の間で、量子効率の統計的不確かさは 0.001 e⁻/photon 未塔であり、赤外域におけるセンサ感度が制限要因となっている。
• ベンチ光学部の系統的不確かさは 1×10⁻³ e⁻/photon のレベルに制御されている。
• ステディステート条件下で極めて優れた安定性を示しており、0.0033% RMSの変動にとどまっている。
• 可視光域の大部分で量子効率が50%を超えており、440 nm から 570 nm の間で80%以上にピークを示している。
• センサ全体にわたり、応答の一様性が1% RMS以下で維持されている。
• 周期的差分非線形性は1%レベルで検出されたが、2パラメータモデルにより、約20 ke⁻までフォトン転送曲線の形状が効果的に補正された。