[論文レビュー] High-Precision Photometry with a scientific CMOS Camera: II On-Sky Testing of the Marana camera at the NGTS facility

Ioannis Apergis, Daniel Bayliss+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2026

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 0

ひとこと要約

NGTSでのオンソー検証により、Marana CMOSカメラは明るい星に対してiKon-L CCDと比較可能なフォトメトリック精度を達成し、読出しが速いため単位時間あたりのフォトン通量が増加する。

ABSTRACT

Modern scientific CMOS cameras offer very fast readout speeds and low read noise. In this study, we evaluate the performance of the Andor Marana CMOS camera through on-sky testing carried out at the NGTS facility at the ESO Paranal Observatory in Chile. We mount the Marana camera to an NGTS telescope, and conduct photometric observations of bright stars. In particular, we target transit events around eight known bright exoplanet host stars. Simultaneous observations are carried out using an existing Andor iKon-L CCD camera on a neighbouring NGTS telescope. This allows for a direct comparison of the photometric precision between the CMOS and CCD cameras. We find that the Marana CMOS exhibits a similar level of photometric performance to the CCD camera, achieving 500\,ppm at a 30-minute timescale for a T $=10$\,mag star. Although the CCD has a slightly better quantum efficiency over the NGTS filter range (520-890\,nm), we find that the faster readout speed of the CMOS compared to the CCD means that the CMOS camera detects 20\,\% more photons per unit time for a solar-type star in our standard 10\,s exposure time operation mode. This results in the CMOS performing slightly better photometry in the photon-limited regime. We conclude that modern CMOS cameras, such as the Marana, are very well-suited for astronomical time-series photometry applications.

研究の動機と目的

• NGTSに搭載されたMarana CMOSカメラのオンソー気観測性能を評価する。
• 同時観測を用いて既存のiKon-L CCDカメラとCMOSの性能を直接比較する。
• 実際の観測条件で両方のカメラのフォトメトリックノイズ源を特徴づけ、モデル化する。
• 系外惑星サーベイにおける高精度時系列フォトメトリーのための現代的CMOS検出器の適合性を評価する。

提案手法

• Marana CMOSカメラをNGTSの望遠鏡に搭載し、HDRモードで-25 C、10 s露光で運用する。
• 隣接する望遠鏡で既存のiKon-L CCDカメラと同時に同じ視野を観測し、直接比較を行う。
• アストロメトリック解決、リング/アパーチャ光度測定、マスター比較星を用いた相対フラックス較正を含む同一のフォトメトリック処理パイプラインでデータを処理する。
• 読出ノイズ、暗電流、空がらみ、標的ショットノイズ、シンチレーションからのフォトメトリックノイズをモデル化し、Zem点とカメラゲインを用いてノイズを等級（等級差）へ変換する。
• DONUTSオートガイドアルゴリズムを使用してサブピクセルの安定性を維持し、フレーム間のシステム性を最小化する。
• CMOS（約55の物理半径に相当する固定光度アパーチャ、CMOSは5 px、CCDは4 px）に対応する約55の固定フォトメトリックアパーチャを使用して、NGTSの典型的なPSFに合わせる。

Figure 1: Top: QEs of the cameras as a function of wavelength. The filled grey area shows the NGTS custom filter. The blue line is the QE for the Marana CMOS camera and the red dashed line is the QE of the iKon-L CCD. Bottom: The ratio of the QE (CMOS/CCD).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Marana CMOSカメラはNGTS CCDカメラと同等のフォトメトリック精度を、実際の観測条件下で明るい星に対して達成できるか。
• RQ2 高速読出しとより多くのフォトン通量が、フォトン制限領域でのフォトメトリック性能の向上に繋がるか。
• RQ3 オンソー時系列フォトメトリにおける主要なノイズ成分（読出ノイズ、暗電流、空背景、ターゲットショットノイズ、シンチレーション）はCMOSとCCDでどのようにスケールするか。
• RQ4 NGTS条件下でCMOS光度測定に赤色ノイズ（相関ノイズ）が検出されるか、CCDと比較してどうか。

主な発見

• Marana CMOSカメラは10等級星で約30分のタイムスケールで約500 ppmのフォトメトリック精度を達成する。
• 10 s露光で動作させた場合、CCDよりも約20%多くのフォトンを単位時間に検出できる（QEはわずかに異なるにも関わらず読出しが速いため）。
• CCDはNGTSフィルター範囲（520–890 nm）で量子効率がわずかに優れているが、CMOSの高速読出しによりフォトン制限領域での全体的なフォトメトリック性能は同等に近い。
• オンソーのノイズモデル（読出ノイズ、暗電流、空背景、ターゲットショットノイズ、シンチレーション）は両カメラの観測性能と一致する。結果の解釈にはシミュレーションを用いた。
• 両カメラの観測条件とデータ処理を厳密に同一に実施し、現場ベースでの性能とシステム性を直接比較できる。
• 隣接するNGTS望遠鏡での同時観測はCMOS–CCD比較の堅牢な基準を提供する。

Figure 2: The Marana sCMOS camera, highlighted within the blue rectangle, is mounted on one of the NGTS telescopes while capturing flat-field images during evening twilight at Cerro Paranal, Chile.