Andor CCD Cameraの性能評価は、岡山天体物理観測所にて、11/13-21にかけて 行った。
実験は
11/13-14 linearity, gain測定用の実験
11/15-16 dark, biasのCCD温度依存性の実験
11/13,18-21 長時間にわたるbias連続取得
11/15,17-20 長時間積分darkの取得
を行った。
実験期間中の15日にCCDチップの冷却が不調になった。扇風機で風を送ることで 冷却の調子が良くなったため、この時から扇風機でカメラの排熱口に常時 送風した状態で実験を継続した。

AndorCCDのgainは、デ-タの読みだし速度と対応している。 読みだし速度は、1μs, 2μs, 16μs, 32μs の4タイプがある。 読みだし速度とgainの対応は、下記のとおりである(カタログより)。

AndorCCDカメラは、ソフト上でのCCD温度表示が5℃単位で表示されるため、CCD の温度管理をどの程度の精度で行っているのかがわからず、温度管理がずさんで bias levelが変動している可能性が考えられる。
そこで、本試験では bias を長時間にわたり取得することで、bias levelの変 動を調べることを目的とする。
試験は2つの方法でおこなった。

1. 冷却をoffして常温に戻る10分後に再び冷却onにし、CCD設定温度の-85℃に達する10分後からbiasを120枚連続取得する。これを3セット行う(11/14)。
2. -65℃から-85℃までのCCD設定温度に到達直後からbiasを連続取得する(11/18-21)。

CCD温度を-40℃から-90℃まで5℃ステップで変更し、1000秒積分のdarkとbias をそれぞれ取得した。 1つの設定温度につきdarkを3枚取得し、biasはdarkを挟む形で前後に取得した (つまり1つの設定温度につき4枚)。 図10と図11は、直後のbiasで引いた3枚のdarkをimcombineでmedian結合したイメージ である。 図10は上から-40℃、-50℃、-60℃、-70℃のdarkを表示しており、図11は-75℃、-80℃、 -85℃、-90℃を表示している。

図10: -40℃〜-70℃のdark image		図11: -75℃〜-90℃のdark image
-40℃		-75℃
-50℃		-80℃
-60℃		-85℃
-70℃		-90℃

CCD中央下側に漏れ光が存在していることがわかる。 以下で行うdarkのカウントの測定には、frame全体(2048×512)の右上部分 (x:1900-2000, y:400-500)の100pix×100pix部分のみを使用している。

同様に、図12、図13は4枚のbiasをimcombineでmedian結合したbias imageである。

図12: -40℃〜-70℃のbias image		図13: -75℃〜-90℃のbias image
-40℃		-75℃
-50℃		-80℃
-60℃		-85℃
-70℃		-90℃

-50℃より低いCCD温度では、平坦なカウント分布になる。

図10から図13で表示した dark、bias imageを元に、dark、biasのCCD温度依存性を 調べた。

• darkのカウント値の計算に用いた領域は漏れ光からもっとも離れている右上方 (x:1900-2000, y:400-500)の101pix×101pix部分のみである。
• biasのカウント値はframe全体を使用している。
両者ともにimcombineにて"average"結合したフレ-ムを 5σ rejectionの iterationを3回かける設定でimstatisticsを行い、"mean"を求めた。 図14に 単位時間、1pixel当たりのdark currentをプロットしている。
• 長時間darkの取得日と取得枚数はそれぞれ以下のとおりである。 darkの取得方法は1,000sec積分darkの取得と同じ様にdarkの前後をbiasで挟むよ う、biasも同時に取得している。
  -90℃(17日) 10,000sec x 2枚
  -80℃(18日) 10,000sec x 4枚
  -75℃(19日) 10,000sec x 4枚
  -70℃(15日、20日) 5000sec x 6枚、 5000sec x 7枚
  
• 長時間darkのdark current計算法は1,000sec積分のものと 全く同じである。
• 本実験と長時間darkの取得実験の間、CCDの遮光の状況は 変えていない。

4つの読みだしモ-ド(1μs, 2μs, 16μs, 32μs)でlinearity測定実験を行った。
実験には、光源に低電圧電源からの電源供給を受けるLEDを使用し、LEDとCCDカメ ラとの間に拡散ガラスを置いて行った。
積分時間100秒で62,000[ADU]程度になるようカメラとLED間の距離を調節し、 積分時間を10秒から100秒まで(1μs, 2μsでは110秒まで)変えてflat frameを2 枚連続で取得し、光量とカウントとの線形性を調べた。 この実験は13-14日の2日間、冷却のトラブルが起きる前に行っている。
取得したflat frame には、斜めに線が入ったようなパターンが見られた(図16)。

図16: 60sec積分のflat frame
32μs
16μs
2μs
1μs

このパターンは積分時間、読みだし速度に関係なく同じ場所に現われている。 イメージを拡大しても図17のようにパターンが見えることや、図18、図19のよ うにx=1000pix, y=400pixでの断面をプロットしたグラフでもその凹凸が 見られる(図18,19での黄色い長方形内が、斜めパターンによる凸で、2つの 長方形の間の凹みが図17での2つの斜めパターンの間の領域である) ことから、このパターンは「実在」していたものと考えられる。 この凹凸の大きさは、図18、図19より、せいぜい1-2%程度である。 この斜めパターンがもし常に同じ位置に見えているなら、flatteningで 完全に消すことが出来るので、再試験を行って確認する必要がある。

一方、試験中のLED光源の安定性を図24に示した。 この図は、各読みだし速度ごとに全てのframeで平均を取った後、 その平均に対するframeの相対誤差を計算し、プロットしている。 よって 読みだし速度が異なるとグラフでの0点の値(=平均のカウント値)も 異なる。

• データの取得方法はbias,LED20s,bias。
• カウントの計算に用いた領域や方法はflatと同じ。

  16μs, 32μs では、Nc < 62,000 ADU まで
   2μs では、Nc < 52,000 ADU まで
 線形性が保たれていることがわかる。

linearity測定やbias levelの安定性試験で取得したbias frameを用いて
1：同じCCD温度(-85℃)でのread-out noiseと読みだし時間との関係
2：同じ読みだし速度(32μs)でのread-out noiseとCCD温度との関係
を求めた。
read-out noiseの求め方は、1枚のbias frame全体でカウントの標準偏差をとる。 この標準偏差がread-out noise σ(read-out)である。 このσ(read-out)を同じ読みだし速度、同じCCD温度で取得したbias frame 全てで求め、その平均値(と標準偏差：これが平均値の誤差に相当する)を求めた。 このような方法を用いたのは、bias levelの変動の影響を含めないように するためである。
[1]各読みだし速度でのread-out noise(-85℃)を下の表にまとめた。

読みだし速度	read-out noise				frame数
	測定値		カタログ値 [e-](※1)	Performance値 [e-](※2)
	σ[ADU]	σ[e-]
1μs	3.069 ± 0.009	8.501 ± 0.025	10	6.33	36
2μs	2.980 ± 0.035	8.371 ± 0.098	-	6.58	47
16μs	1.420 ± 0.052	2.840 ± 0.104	-	2.35	42
32μs	2.536 ± 0.066	2.523 ± 0.066	3	2.18	33

(※1) カタログ値のread-out noiseは、CCD温度が-50℃での測定値。
定義はあるpixelの複数のbias frame間での標準偏差で、 我々の方法と異なっている。

(※2) Performance値のread-out noiseは、個々のCCDカメラごとに業者が 測定した値。
測定方法、条件は(※1)と同じ。

[ADU]から[e-]への単位変換に用いたgainは、測定値である。

どの読みだし速度でも我々の測定値の方が、カタログ値より小さい。 これは計算方法の違いにより、カタログ値がbias levelの変動をσに含めるのに 対し、我々の測定方法は含まないのが原因だと考えられる。
測定値とPerformance値を比較していみると、カタログ値ほど差が大きくないが やはり測定値の方が10-30%程小さい。

一方で単位変換で計算に用いるgainを我々が求めた値にすると、 この表のσ[e-]の値は全ての読みだし速度で1.4倍になる。
この場合、測定値とカタログ値は非常に近い値になるが、 やはりわずかに測定値の方が小さい。
Performance値と測定値との比較では、gainを我々が求めた値にすると 測定値の方が僅かに(10-30%)Performance値よりも大きい値になる。

[2]CCD温度：-65〜-85℃でのread-out noise(32μs)を下の表にまとめた。

CCD温度	read-out noise		frame数
	σ[ADU]	σ[e-]
-65℃	2.544 ± 0.003	2.531 ± 0.003	401
-70℃	2.498 ± 0.003	2.486 ± 0.003	726
-75℃	2.484 ± 0.003	2.472 ± 0.003	421
-80℃	2.486 ± 0.005	2.474 ± 0.005	244
-85℃	2.467 ± 0.003	2.455 ± 0.003	401

今回の性能試験では以下の項目が未解決のままであり、観測に投入する前に 更なる試験を行う必要がある。

• bias levelの変動と冷却ファンとの関係
• 冷却終了後bias levelが安定するのに要する時間と設定温度との関係
• flat frameに見られたパターンと拡散ガラスとの関係
• dark currentがカタログ値よりも大きい要因
• gainが測定値とカタログ値で1/√2だけ異なる理由