[논문 리뷰] StarDICE I: sensor calibration bench and absolute photometric calibration of a Sony IMX411 sensor

M. Betoule, S. Antier외 19명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 09.

CCD and CMOS Imaging Sensors인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 NIST 기준 photodiode를 사용하여 Sony IMX411ALR CMOS 센서(큐에이치와이411M 카메라에 탑재)의 절대 광도 캘리브레이션을 완전 자동화된 스펙트로포토미터 캘리브레이션 벤치를 통해 수행하는 방법을 제시한다. 387–950 nm 범위에서 0.001 e⁻/photon 미만의 통계적 불확도를 달성하며, 전체 정규화 불확도는 1% 이내이며, 매우 우수한 응답 안정성(<0.0033% RMS)을 보여, 천문학적 설문조사 및 중력파 후속 관측에 있어 정밀 광도 측정에 매우 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• NIST 기준 photodiode에서 천체까지의 측정 체인을 구축하여, 우주론적 연구를 위한 griz 색상에서 1 mmag 이내의 정확도를 목표로 한다.
• 큐에이치와이411M 카메라에 사용되는 150 Mpixel CMOS 센서(Sony IMX411ALR)의 절대 광도 캘리브레이션을 수행한다.
• 정밀 천문 광도 측정에 활용하기 위해 센서의 양자 효율, 선형성, 균일성 및 비선형성을 특성화한다.
• 특히 중력파 사건의 후속 관측을 위한 응용 분야를 지원한다.
• 캘리브레이션 과정에서의 체계적 및 통계적 불확도를 식별하고 정량화하여 정확도를 향상시킨다.

제안 방법

• NIST 기준 photodiode에서부터 CMOS 센서로의 캘리브레이션을 이행하기 위해 자체 제작한 완전 자동 스펙트로포토미터 벤치를 구축하였다.
• 읽기기의 안정성 평가, 고해상도 광자 전이 곡선 유도, 개별 픽셀의 이득 추정을 위해 수천 장의 플랫필드 이미지를 확보하였다.
• 375–1078 nm 범위의 단색 빛 비출을 통해 NIST 캘리브레이션 photodiode와의 상대적 양자 효율을 측정하였다.
• 16개 파장에서의 플랫필드 스캔을 통해 센서의 세부적인 공간 응답 지도를 생성하였다.
• ADC 응답의 주기적 차등 비선형성 보정을 위해 이중 매개변수 모델을 적용하였다.
• 벤치 광학의 체계적 불확도를 1×10⁻³ e⁻/photon 이내로 통제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sony IMX411ALR 센서의 양자 효율 측정에서 통계적 불확도는 가시광선 및 가까운 적외선 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ2 정적 조건에서 센서의 응답은 얼마나 안정적인가? 그리고 센서 전체 영역에서 응답의 균일성은 어떠한가?
• RQ3 특히 차등 비선형성과 같은 비선형성은 센서의 선형성과 다이내믹 레인지에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 양자 효율 곡선의 전체 정규화 불확도는 얼마이며, 광도 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 센서는 일시적 천체 탐지 및 우주론적 거리 측정을 위한 천문학적 설문조사에서 신뢰할 만한 정밀 광도 측정에 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 387 nm에서 950 nm 사이에서 양자 효율의 통계적 불확도는 0.001 e⁻/photon 이하이며, 적외선 영역에서 센서 감도의 한계로 인해 제한된다.
• 벤치 광학의 체계적 불확도는 1×10⁻³ e⁻/photon 수준으로 통제되어 있다.
• 정적 조건에서 센서는 <0.0033% RMS 변동으로 매우 우수한 안정성을 보인다.
• 가시광선 영역 대부분에서 양자 효율이 50% 이상이며, 440 nm에서 570 nm 사이에서 80% 이상으로 최고에 도달한다.
• 카메라는 센서 전체 영역에서 응답 균일성이 1% RMS 이내로 유지된다.
• 주기적 차등 비선형성은 1% 수준에서 감지되었지만, 이중 매개변수 모델을 통해 ~20 ke⁻까지 광자 전이 곡선의 형태를 효과적으로 보정할 수 있었다.