第3回可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  @京都大学	

2013/12/17~18	

SWIMS用検出器HAWAII-­‐2RGの評価試験	
*西嶋颯哉 、舘内謙、本原顕太郎、小西真広、高橋英則、北川祐太朗、加藤夏子	  (東京大学天文センター)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  *Email:	  nishijima@ioa.s.u-­‐tokyo.ac.jp	

1.IntroducOon	

4.Methods	  &	  Results	

望遠鏡からの光	TAO6.5m望遠鏡は、東京大学がチリ・チャナントール山頂に建設を予定
スリットマスク/IFU	  している赤外線望遠鏡です。私たちは、TAOの第1期近赤外観測装置としてSWIMS(Simultaneous-­‐color	  Wide-­‐ﬁeld	  Infrared	  MulO-­‐object	  Spectrograph)を開発中です(Fig.1)。	  
SWIMSの特長は、0.9-­‐1.4μm,
HAWAII-­‐2RG	  x4	  	1.4-­‐2.5μmの2色を同時に撮像、多天体分光、面分光することができる点でFig.1:	  装置概観イラスト	  す。SWIMSの検出器には、Teledyne	  外部電源	
ScienOﬁc	  &	  Imaging社(TSI)のHgCdTe
DC	  5V	
ハイブリッドアレイ検出器、HAWAII-­‐2RG(H2RG)を使用します(Tab.
USBケーブル	
1)。H2RGの読み出しシステムは、Fig.
Win	  PC	HAWAII-­‐2RG	
SIDECAR	  A
SIC	
JADE2	  Card	2のように構成します。		 項目	デュワー(@77K)	
値	
Fig.2:	  検出器読み出しシステム	  ピクセル数	
2048×2048	
フラットケーブル	

ピクセルサイズ	
参照ピクセル数	
半導体結晶	
カットオフ波長	18μm	
4×4×2044	
HgCdTe	2.5μm	

フラットケーブル	

SIDECAR	  ASICはAD変換とクロック生成、
JADE2	  CardはPCへのデータ転送などを担う。読み出しにはTeledyne提供の専用ソフトウエアを使用。	

Tab.1:	  H2RGの仕様	

4.1.	  ADU-­‐エレクトロン変換係数(コンバージョンファクター)	  コンバージョンフクターgCの測定にあたっては、入射光のシグナルmとノイズσの比から求めるphoton-­‐transfer法を用います(σ2=  m/gC+σCDS/gC2  )が、測定値はピクセル間寄生容量(Inter	  Pixel	  Capacitance;	  IPC)の影響を受けるため、これを補正する必要があります。	  

• IPCの測定	  

IPCによって隣接pixelにα%のクロストークがあると、近傍pixelとの相関係数の比はFig.8のようになります。	  
ﬂatを200枚とり、差分フレーム×100枚から得られた近傍pixelのき共分散行列がTab.4です。ここから隣接pixel間の相関係数	  r	  を求め、r=  2α(1-4α)/[(1-4α)2+4α2]の関係からαが求まります。	  
αの測定値は、α=1.42±0.03%	  となり、文献値と概ね一致する結果になりました。	  
-­‐0.1163	

-­‐2.6760	

4.0286	

-­‐0.4702	

0.0297	

0.5364	

7.7983	

56.7591	

3.5217	

-­‐3.2228	

7.4554	

62.7760	

2050.0450	 63.0373	

6.2968	

3.4775	

6.8495	

59.4528	

4.9585	

1.6963	

-­‐0.0609	

0.4482	

0.8714	

-­‐1.2906	

1.6487	

Fig.8:近傍pixelとの相関係数の比	  (Moore	  2006	  Fig.2より)	Tab.4:5×5pixelの共分散行列	  入射光2,450ADUの場合；1.7×106pix平均	  • gCの補正・測定値	

gCは、近似的には gC(Corrected)=  gC(Measured)/(1+8α+52α2)  で補正されます(Fox	  2009)。	
この式より、補正幅は~10%になります。	
補正の結果、我々は gC=2.4e-­‐/ADU	  @GAIN=5.66	  なる結果を得ました。なお、CHにより最大で+5%、-­‐3%の差があります。	

4.2.	  読み出しノイズ	  2.Setup	
検出器は、デュワーを液体窒素で80K程度に冷却して駆動します。デュワーの外部から黒体炉を見せることにより入射フラックスを制御します(Fig.3)。また、狭帯域フィルターによって波長を制限します(Fig.4)。	

CDS読み出しノイズの測定値は、σCDS=17e-­‐	  @GAIN=5.66となりました。	  
読み出しノイズは、GAIN依存して変化するAD変換によるノイズσADC	  [ADU]と、GAIN依存しない成分に分けることができます(Fig.9)。この成分分解をdetectorも含めた読み出し①とSIDECARのみの読み出し②とでそれぞれ行うことにより、読み出しシステムの各コンポーネントのノイズ成分を測定することができます(Fig.10)。	
①の読み出し範囲	
②の読み出し範囲	

SIDECAR	  ASIC	HAWAII-­‐2RG	

σADC=3.4ADU	

Fig.3:	  黒体炉とデュワーの配置	

Fig.4:	  デュワー内部のセットアップ	

黒体炉からの光は矢印の経路を通ってデュワー内に入射する。デュワーの窓材には白板ガラスを使用。	

左から、RadiaOon	  Shield	  Box(緑色の円形の物体
はPaβフィルタ(1.292μm))、SIDECAR	  ASIC、JADE2	  Card(常温常圧部)と接続するフラットケーブル。	

3.Features	  of	  H2RG	  &	  SIDECAR	  ASIC	
3.1.	  H2RG	  SIDECAR	  ASICへ	

各ピクセルには、フォトダイオードとソースフォロワがあり、SIDECAR	  ASICへVOUTが出力されます(Fig.5)。出力ラインは1,4,32CHから選択できます(3.2参照)。	  

• Reference	  Pixel	  Fig.5:	  pixelの概略	

2K×2Kピクセルのうち、4辺それぞれに4pixずつ
Crouzet	  (2009)より引用、一部改変	配置されています(Fig.6)。フォトダイオードの代
わりに、対応する容量のコンデンサがあり、	  ü 光は検出しない	
4pix	
reference	  pixel	
Fig.6:	  acOve	  pixel	  ü 暗電流はのらない	(2044×2044)	
reference	  ü 読み出しノイズはのる	  Pixelの配置	
で、理想的には出力が時間変動しません。	

3.2.	  SIDECAR	  ASIC	  Reference電圧	

H2RGからのVOUTは、PreAmpで増幅されてからAD変換されま
H2RGより	す(Fig.7)。	  
VOUT	

PreAmp	• PreAmp	  16bit	 JADE2	  AD変換	
Cardへ	

Fig.7:	  SIDECAR	  ASICでの信号処理	
VOUTとReference電圧の電位差を増幅します。増幅率(=GAIN)は16段階で変更
設定	 GAIN	GAIN	  [dB]	 output	   読み出しできます(Tab.2)。	  
設定	 時間	#0	0.70711	
-­‐3.01	• 多チャネル出力	  #1	
Fig.7の信号処理は、最大32CHで並列処理することが可能です。使用CH数は #2	
output設定により1,4,32から選択します。 …	
設定に応じて、読み出し時間が変化し#15	ます(Tab.3)。frame内で、各CHは短冊状に割り振られます。	  

1.00000	

0.00	

1CH	  42s	  1.41421	

3.01	

4CH	

10.6s	  

…	

…	

32CH	

1.36s	  22.6274	

27.09	

Tab.3:	  output設定	
Tab.2:	  ゲイン設定	

σdet+Amp=16e-­‐	Fig.9:	  読み出しノイズ(32CHの平均)のGAIN依存性とノイズの2成分分解	①の読み出しの場合。	
σdet+Amp(平均18e-­‐)はCHごとに見ると最大で+15%、-­‐19%のノイズ差があります。ピクセルにはCHごとのノイズ差は存在しないと仮定すると、フラットケーブルからPreAmpまでの間に最大で+22%、-­‐27%のノイズ差があることになります。	

detector	  pixels	

Amp	13e-­‐	  (by	  TSI)	

4.0e-­‐	 3.4ADU	

ADC	

8.4e-­‐	  (推測値)	
16e-­‐	
Fig.10:	  各コンポーネントのノイズ成分	  ほかに、読み出しノイズについて	  • USBアイソレータをPCとJADE2	  Card間に入れても読み出しノイズはほとんど減らない	  	  	  	  	  	  →読み出しノイズへのPC由来ノイズの寄与は現	  在のセットアップではほとんどない	  • 	  Fowler(32)では~3.6e-­‐まで軽減され、理論値(∝1/√N)の予想通りの値になる(Fig.11)。	  
Fig.11:	  Fowler(N)での読み出しという実験結果が得られています。	  
ノイズ(ref	  pixより算出)	  5.	  Summary	SWIMSに搭載する検出器HAWAII-­‐2RGの評価試験を行い、次の結果を得ました。	  
• コンバージョンファクターα=2.4e-­‐/ADU	  @GAIN=5.66	  • IPC補正により10%下方修正	  • 32CHのバラつきは最大+5%、-­‐3%	  • 読み出しノイズσCDS=17e-­‐	  @GAIN=5.66	  • detector	  pixel	  >	  ﬂat	  cable	  >	  SIDECAR	  ASIC内部ノイズ で効いている	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (ただし、Teledyneのレポート値が正しいと仮定)	  • 32CHのバラつきは最大+15%、-­‐19%	  • Fowler(32)で3.6e-­‐まで軽減	  今後、同時駆動試験とそれによる読み出しノイズへの影響の測定を行う予定です。	  
今後のスケジュール  ~~22001144..66  ~~22001144..1122  

検出器評価試験のつづき	  同時駆動試験	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  新デュワーでの精密試験	

ハワイへ搬送	  SWIMSデュワーの冷却試験	  Subaru取り付け	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  SWIMSデュワーへの検出器インストール	  ファーストライト		  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  制御ソフト整備	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  全体のパフォーマンス試験	  	~~22001155