[논문 리뷰] The Impact of Interpixel Capacitance on WFIRST PSFs

Arun Kannawadi, Charles Shapiro외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 29.

CCD and CMOS Imaging Sensors참고 문헌 47인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 WFIRST의 near-infrared CMOS 하이브리드 검출기에서의 상호픽셀 커패시턴스(interpixel capacitance, IPC)가 점원형분포함수(point-spread function, PSF)를 어떻게 왜곡시키는지 조사한다. 이로 인해 PSF 크기가 약 5% 증가하고 형태가 변형된다. 물리적 원리에서 출발한 정방향 시뮬레이션을 통해, IPC 변동성으로 인한 PSF 불확실성을 정량화하는 선형 피팅 공식을 유도하였으며, 이는 약한 렌즈 설문의 정확성에 매우 중요하다.

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.

연구 동기 및 목표

• WFIRST의 near-infrared 검출기에서 상호픽셀 커패시턴스(interpixel capacitance, IPC)가 점원형분포함수(point-spread function, PSF)에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• IPC가 PSF 크기와 형태에 어떻게 영향을 미치는지 규명하여, 약한 중력 렌즈 설문에 있어 핵심적인 요소가 되는 것.
• 검출기 전반 또는 시간에 따라 변동하는 IPC 수준이 모를 경우 발생하는 PSF 측정 불확실성 모델링.
• 이방성 IPC가 PSF 형태 왜곡에 미치는 영향 평가.
• PSF 안정성 요구사항을 바탕으로 WFIRST 검출기의 하드웨어 및 캘리브레이션 요구사항 설정에 기초를 제공하는 것.

제안 방법

• 각 WFIRST 밴드패스에 대해 물리적 원리에서 출발한 정방향 시뮬레이션을 통해 실제적인 PSF를 생성.
• 모서리 및 가장자리에서 픽셀 간의 IPC 결합을 모델링하여 교차 채널 효과를 시뮬레이션.
• IPC의 불확실성과 PSF 크기 및 형태의 불확실성 간의 관계를 기술하는 선형 피팅 공식 사용.
• 작은 이방성 IPC가 PSF 형태에 미치는 영향을 분석하며, 특히 약한 렌즈 시스템틱스 맥락에서 고려.
• WFIRST 검출기에서 예상되는 IPC 값 범위 전반에서 PSF 크기 및 형태 변화 평가.
• 소음 상관관계 영향을 포함한 IPC가 PSF 크기 및 형태에 미치는 종합적 영향 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호픽셀 커패시턴스(interpixel capacitance, IPC)는 WFIRST의 near-infrared 검출기에서 PSF 크기와 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 IPC는 PSF 크기를 얼마나 증가시키며, 이는 WFIRST의 다양한 밴드패스에서 어떻게 달라지는가?
• RQ3 노후화 또는 공간적 변동으로 인한 IPC 불확실성은 PSF 측정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이방성 IPC는 PSF 형태에 어떤 영향을 미치며, 약한 렌즈 설문의 시스템틱스에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ5 선형 모델은 IPC 불확실성과 PSF 불확실성 간의 관계를 정확하게 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 상호픽셀 커패시턴스(interpixel capacitance, IPC)는 예상되는 IPC 수준에서 WFIRST의 PSF 크기를 약 5% 증가시킨다.
• PSF 형태는 IPC로 인해 체계적으로 수정되며, 결합의 작은 이방성으로 인해 추가 왜곡이 발생한다.
• IPC 매개변수의 불확실성으로 인한 PSF 크기 또는 형태의 불확실성을 정확히 기술하는 선형 피팅 공식이 존재한다.
• IPC 변동성으로 인한 PSF 측정 불확실성은 약한 렌즈 캘리브레이션에서 반드시 고려되어야 하며, 특히 시간에 따라 변화하거나 공간적으로 균일하지 않은 IPC의 경우 더욱 그러하다.
• 이 연구는 PSF 안정성 요구사항을 하드웨어 및 특성화 제약 조건으로 번역할 수 있는 정량적 프레임워크를 제공한다.
• 결과는 약한 렌즈 설문의 엄격한 PSF 요구사항을 충족시키기 위해 정밀한 IPC 특성화 및 모니터링이 필수적임을 강조한다.