測光望遠鏡テスト結果レポート

測光望遠鏡テスト結果

はじめに

これまでに以下のテストを行ってきました。
- count-sigma
- 光linearity
- dark linearity
- shutterテスト
それぞれの結果については、36ドーム内においてある資料を参照してください。
今回長時間にわたるbias,darkの振る舞いとCCDの冷却温度の安定性を調べるため、長時間bias,dark取得テストを行いました。
長時間bias,dark取得テスト

36ドームにおいて、およそ10時間にわたりbias,dark(300秒積分)をそれぞれ10フレームずつ交互に連続して取得しました。
一晩で bias 12 セット x 10 = 120フレーム、dark 11 セット x 10 = 110フレームのデータを得られました。
この間OAO weather reportの36ドーム内の温度を、 1セット毎に計21回記録しました。
なお、この日は曇天のため観測は行われず、ドームも閉めたままで、外部からはいるような信号はほとんどないと思われます。
また、CCDの冷却設定温度は-10℃でした。

結果

温度変化
　図1は、ドーム内の気温と、CCDのヘッドの温度の時間変化を表したものです。ここで、図中の(OAOWR-20)とは、ドーム内の気温から20℃を差し引いて表示したものです。
　これによると、テスト中のドーム内の気温は、9.4～11.0 (グラフでは－10.6～－9.0)℃の範囲におさまっています。同様に、CCDの温度もほぼ設定の－10.0±0.1℃におさまっていました。ドーム内の気温が1℃近く上昇している時間帯が 2回ほどありますが、いずれの場合もその後わずかにCCDの温度が上昇している(－9.7℃近くに達している)ことが分かります。

図1　テスト中の温度変化
ここで(OAOWR-20)はドーム内の温度に－20℃を加えた値である

biasについて

画像パターン
　これまでにも稀に通常と異なるパターンが見られる biasが得られることがあることが分かっていました。そこで今回得られたbiasをすべて調べたところ、おおまかに以下のような3つのパターンのbiasが見られました。
　パターン③の画像は、ここであげたようなはっきりと線が分かるようなものから、注意してみて始めて分かるものなど数枚が見つかりました。また、一度このようなパターンが見え始めるとしばらく連続して見られる傾向があるようです。

図2　biasの画像パターン①
これが通常見られるパターンである

図3　biasの画像パターン②
波のような模様が見える。これまで見られた異常biasはこのパターンが多かった。

図4　biasの画像パターン③
白い線がいくつも見られる。上の小さい窓で見ると線が良く分かる。
画像ごとのばらつき
　図5は各フレームのカウントの標準偏差を表したものです。ここで、丸数字は、そのセット内で前節で述べた画像パターンが確認できたことを表しています。
　標準偏差の平均は6.27でしたが、画像ごとにかなりばらつています。そのばらつきかたも徐々に増加または減少する傾向をもつ場合が多いです。特に画像パターン③の場合は、画像内に線が現れるにつれ、標準偏差が大きくなる傾向が見られました。さらに、線がはっきりと見える6セット目や11セット目などでは全体的に標準偏差の値が大きくなっているなど、線の見え方と標準偏差の大きさに相関がありそうなことがうかがえます。
　一方、パターン②については、ばらつきが大きい場合と小さい場合と両方が見られました。

図5　biasの画像内標準偏差

各setのpixel毎のばらつき
　表1は、セットごとに求めたread-out noiseおよび、全体で求めたread-out noiseです。この値が高いのは 6セット目、11セット目などで、いずれもパターン③の画像が見られたセットです。一方、パターン②の画像が見られた1,2セット目などは低い値に落ち着いています。
　これらのことから、パターン②の画像については、 read-out noiseが大きくなるような問題はないと言えます。パターン③については、程度によりますが、通常に比べて～6e-ほどread-out noiseが高くなる(ほぼ1.5倍になる)場合があるようです。

**表1　セットごとに求めたread-out noise**
セット	read-out noise(ADU)	read-out noise(e-)
1	4.68	12.65
2	4.00	10.82
3	5.27	14.25
4	4.29	11.60
5	4.84	13.08
6	6.08	16.44
7	4.58	12.37
8	4.44	11.99
9	4.48	12.10
10	4.79	12.95
11	6.80	18.38
12	5.61	15.15
全体	5.74	15.71

darkについて
　darkは300秒積分を行いました。この場合biasを差し引いた後のdark の値は、すべての平均で27.97(ADU)でした。また各画像ごとの標準偏差の平均値は131.37でした。biasと同じように、標準偏差の値はセットによって、～4程度ばらついたり、一方ほとんど＜｜1｜の範囲に収まっている場合もありました。
表2は、セットごとに求めたdarkカウントの標準偏差です。この値が高いのは、2,5,6,9,10,11セット目で、これらはいずれも CCDの温度が設定の－10℃を上回っているケースでした(図1参考)。 darkの値として先ほど求めた平均値を用いてphoton noiseを求めると、14.29(e-)となります。先ほどあげたセットの標準偏差はいずれもこの値を大きく上回っており、何か別のnoise源があることが示唆されます。
　また、画像ごとの標準偏差のばらつきとは相関がなさそうです。

**表2　セットごとに求めたdarkカウントの標準偏差**
セット	標準偏差(ADU)	標準偏差(e-)
1	5.52	14.92
2	7.76	20.98
3	5.66	15.29
4	6.23	16.85
5	8.08	21.83
6	8.82	23.84
7	6.79	18.36
8	6.82	18.44
9	8.84	23.89
10	9.19	24.83
11	8.25	22.29

図6,7は全セットを用いてpixelごとの分散を求めたものを、それぞれx,y方向に積分したものです。x座標で＜60の領域は、ゆるやかに分散が上昇しています。一方、y軸方向には顕著な傾向は見られませんでした。

図6　x 軸方向のカウント値の分散

図7　y 軸方向のカウント値の分散

まとめ

　今回のテスト結果をまとめると以下のようになります。
- 設定温度が(室温－20℃)の場合、ほぼ±1℃以内で設定温度は保たれていた
  ただし、室温短時間に1℃程度変化した場合を除く
- biasの画像パターンとして、おおまかに3種類のパターンが見られた
- このパターンのうち、線が見られるパターン(パターン③)では、画像ごとの標準偏差、pixelごとの標準偏差ともに大きくなる
  　一方、波模様が見られるパターン(パターン②)では、特に相関が見られない
- パターン③は、しばらく継続して見られるが、パターン②はそうではない
- x座標＜60の領域は、darkのばらつきが大きくなる
　目視によるは確認していないですが、darkでもbiasで見られたパターン③が表れている可能性はあります。セットごとに求めたdarkの標準偏差が大きかったセットでは、いずれも前後でパターン③のbiasが見られています。パターン③の画像はしばらく継続して見られることからも、可能性は高いと思われます。このパターン③が見られる画像では他のnoiseを拾っている可能性があります。
　パターン③の画像が見られるケースとして、「CCDの冷却が行われている場合にこのパターンが表れる」という仮説が立てられます。darkにおいて標準偏差が高かったセットは、 CCDの温度が設定値より高くなっていました。またread-out noiseが高いセットもそれと前後して表れています(図8参照)。

図8　標準偏差の大きかったセット
矢印で示したセットが標準偏差の大きかったセットである

　この仮定が正しいとすれば、このパターン③の画像は毎晩何度も表れるものと思われます。read-out noiseは、通常は今回の一晩の平均である 15.71e-,気温の高い夏場はさらに数e-上がると予想されます。また、dark noiseも～数e-程度影響があります。夏場に S/N 比の際どい観測をするときは、注意が必要です。

KODNOH Hiro. (kondoh-hiro1@jcom.home.ne.jp)