[論文レビュー] The Impact of Interpixel Capacitance on WFIRST PSFs

Arun Kannawadi, Charles Shapiro+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 47被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、WFIRSTの近赤外CMOSハイブリッド検出器におけるピクセル間容量（IPC）がポイントスプレッド関数（PSF）をどのように歪めるかを調査している。IPCの影響によりPSFサイズが約5%増加し、形状も変化する。物理的原理に基づく前向きシミュレーションを用い、PSFの不確実性をIPCのばらつきに起因するものとして定量化する線形フィッティング式を導出している。これは弱い重力レンズ調査の精度にとって極めて重要である。

ABSTRACT

Unlike optical CCDs, near-infrared detectors, which are based on CMOS hybrid readout technology, typically suffer from electrical crosstalk between the pixels. The interpixel capacitance (IPC) responsible for the crosstalk affects the point-spread function (PSF) of the telescope, increasing the size and modifying the shape of all objects in the images while correlating the Poisson noise. Upcoming weak lensing surveys that use these detectors, such as WFIRST, place stringent requirements on the PSF size and shape (and the level at which these are known), which in turn must be translated into requirements on IPC. To facilitate this process, we present a first study of the effect of IPC on WFIRST PSF sizes and shapes. Realistic PSFs are forward-simulated from physical principles for each WFIRST bandpass. We explore how the PSF size and shape depends on the range of IPC coupling with pixels that are connected along an edge or corner; for the expected level of IPC in WFIRST, IPC increases the PSF sizes by ∼5\%. We present a linear fitting formula that describes the uncertainty in the PSF size or shape due to uncertainty in the IPC, which could arise for example due to unknown time evolution of IPC as the detectors age or due to spatial variation of IPC across the detector. We also study of the effect of a small anisotropy in the IPC, which further modifies the PSF shapes. Our results are a first, critical step in determining the hardware and characterization requirements for the detectors used in the WFIRST survey.

研究の動機と目的

• WFIRSTの近赤外検出器におけるピクセル間容量（IPC）がポイントスプレッド関数（PSF）に与える影響を定量化すること。
• IPCがPSFサイズおよび形状に与える影響を特定すること。これは弱い重力レンズ調査にとって極めて重要である。
• 検出器全体または時間経過に伴い変化するIPCレベルが未知である場合に生じるPSF測定の不確実性をモデル化すること。
• 異方性IPCがPSF形状の歪みに与える影響を評価すること。
• PSF安定性の要件に基づき、WFIRST検出器のハードウェアおよびキャリブレーション要件を設定する基盤を提供すること。

提案手法

• 各WFIRSTバンドパスに対して、物理的原理から出発した前向きシミュレーションにより現実的なPSFを生成すること。
• エッジおよびコーナーにおけるピクセル間のIPCカップリングをモデル化し、クロストーク効果を再現すること。
• IPCの不確実性とPSFサイズ・形状の不確実性との関係を結ぶ線形フィッティング式を用いること。
• IPCの微小な異方性がPSF形状に与える影響、特に弱いレンズ効果の系制度に及ぼす影響を分析すること。
• WFIRST検出器で予想されるIPC値の範囲内でPSFサイズおよび形状の変化を評価すること。
• ノイズ相関効果を含めた、IPCがPSFサイズおよび形状に与える総合的影響を定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピクセル間容量（IPC）は、WFIRSTの近赤外検出器におけるPSFサイズおよび形状にどのように影響を与えるか？
• RQ2 IPCはPSFサイズをどの程度増加させ、これはWFIRSTの異なるバンドパスでどのように変化するか？
• RQ3 老化や空間的ばらつきに起因するIPCの不確実性が、PSF測定の正確性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 異方性IPCはPSF形状にどのような影響を及ぼし、弱いレンズ調査における系制度にどのように寄与するか？
• RQ5 線形モデルは、IPCの不確実性とPSFの不確実性との間の関係を正確に記述できるか？

主な発見

• ピクセル間容量（IPC）は、予想されるIPCレベルにおいて、WFIRSTのPSFサイズを約5%増加させる。
• PSF形状はIPCによって系統的に変更され、微小なカップリングの異方性によって追加の歪みが生じる。
• IPCパラメータの不確実性に起因するPSFサイズまたは形状の不確実性を、線形フィッティング式が正確に記述できる。
• IPCのばらつきに起因するPSF測定の不確実性は、弱いレンズキャリブレーションにおいて考慮すべきであり、特に時間的に変化するか、空間的に非一様なIPCの状況において重要である。
• 本研究は、PSF安定性要件をハードウェアおよび特徴抽出の制約に翻訳する定量的フレームワークを提供している。
• 結果は、弱いレンズ調査が求める厳しいPSF要件を満たすために、精密なIPCの特徴抽出とモニタリングの重要性を強調している。