[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文提出了一套全自动的分光光度校准平台，利用NIST可追溯的光电二极管，实现了对索尼IMX411ALR CMOS传感器（安装于QHY411M相机）的绝对光度校准。该平台在387–950 nm波段内实现了低于0.001 e⁻/光子的量子效率统计不确定性，整体归一化不确定性为1%，响应稳定性极佳（RMS <0.0033%），因此非常适用于天文巡天和引力波后续观测中的高精度光度测量。

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.

研究动机与目标

• 建立从NIST光电二极管到天文恒星的计量链，目标是在cosmological研究中实现griz色指数1 mmag的精度。
• 对QHY411M相机中使用的1.5亿像素CMOS传感器（索尼IMX411ALR）进行绝对光度校准。
• 表征传感器的量子效率、线性度、均匀性及非线性特性，以支持高精度天文光度测量。
• 支持未来在暂现源探测中的应用，特别是引力波事件的光学后续观测。
• 识别并量化校准过程中的系统性和统计不确定性，以提高准确性。

提出的方法

• 构建了一套定制的全自动分光光度校准平台，将校准从NIST可追溯的光电二极管传递至CMOS传感器。
• 获取了数千张平场图像，以评估读出稳定性，推导高分辨率的光子转移曲线，并估算单个像素的增益。
• 通过375至1078 nm的单色光束，相对于NIST校准的光电二极管测量了量子效率。
• 利用16个波长的平场扫描，生成了传感器的详细空间响应图。
• 应用双参数模型以校正ADC响应中的周期性差分非线性。
• 将平台光学系统的系统性不确定性控制在1×10⁻³ e⁻/光子以内。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可见光与近红外波段范围内，索尼IMX411ALR传感器的量子效率测量中，统计不确定性是多少？
• RQ2 在稳态条件下，传感器的响应稳定性如何？其在整个传感器区域的响应均匀性如何？
• RQ3 非线性特性，特别是差分非线性，对传感器线性度和动态范围的影响程度如何？
• RQ4 量子效率曲线的整体归一化不确定性是多少？它对光度测量精度有何影响？
• RQ5 该传感器能否在天文巡天中可靠地用于高精度光度测量，特别是在暂现源探测和宇宙距离测量中？

主要发现

• 在387 nm至950 nm波段内，量子效率的统计不确定性低于0.001 e⁻/光子，其限制因素为传感器在红外波段的灵敏度。
• 平台光学系统的系统性不确定性控制在1×10⁻³ e⁻/光子量级。
• 传感器表现出优异的稳定性，稳态条件下的RMS波动低于0.0033%。
• 在可见光谱的大部分波段，量子效率超过50%，在440 nm至570 nm之间峰值超过80%。
• 相机在整个传感器区域的响应均匀性达到或低于1% RMS。
• 检测到周期性差分非线性在1%量级，但双参数模型能有效校正光子转移曲线的形状，直至约20 ke⁻。