(57)【要約】  本発明は、カメラを有する望遠鏡を位置決めし、移動させることが意図され、少なくとも１つの画像センサおよび電動制御装置によって位置合わせおよび再調整が可能である装置を備える視差または方位取付を再調整する方法に関し、画像センサが、カメラの主記録センサとして、そして同時に、アライメントセンサおよび再調整制御センサとして機能することを特徴とし、主画像がとられる前後に、少なくとも１つの制御画像がより短い露光時間でとられ、これらの制御画像が互いに比較される、または、少なくとも１つの主画像自体が制御画像として機能し、少なくとも１つの前の主画像と比較される、または、短く露光された制御画像が主画像自体と比較される、そして、取付けの再調整のための補正値が、とられた画像の画像オフセットおよび時間差によって決定される。本方法は、長い露光の天体写真法のための、天文学的な取付けの容易で、誤差のない操作の必要条件である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラを有する望遠鏡を位置決めし、移動させるための装置を備える赤道儀または経緯台による追尾方法において、前記装置が、少なくとも１つの画像センサおよび電動制御装置によって位置合わせ可能、かつ、追尾可能であり、
前記画像センサが、前記カメラの主記録センサとして、そして同時に、アライメントセンサおよび追尾制御センサとして機能する
ことを特徴とし、
主記録の前後に、少なくとも１つの制御記録がより短い露光時間で作られ、これらの制御記録が互いに比較される、または、少なくとも１つの主記録自体が制御記録として機能し、それは少なくとも１つの上記の主記録と比較される、または、短い露光による制御記録が主記録自体と比較される、そして、前記架台で追尾するための補正値が、作られた前記記録の画像オフセットおよび時間差によって確認され、
軸の移動のための補正値が確認されて、追尾の誤差が定期的に測定される、
方法。
【請求項２】
ａ）制御記録Ｃ（ｎ）を作成するステップと、
ｂ）主記録Ｍ（ｎ）を作成するステップと、
ｃ）制御記録Ｃ（ｎ＋１）を作成するステップと、
ｄ）制御記録Ｃ（ｎ）とＣ（ｎ＋１）との間の前記時間差ｄｔ、ならびに前記画像オフセットＩＶｘおよびＩＶｙを、サブピクセル精度で、前記制御記録Ｃ（ｎ）とＣ（ｎ＋１）との間の画像座標において、確認するステップと、
ｅ）ＩＶｘおよびＩＶｙ、ならびに天球座標ＣＲＡおよびＣＤｅｃにおける記録の位置に基づいて、天球座標ＣＯＲＡおよびＣＯＤｅｃにおけるオフセットを確認するステップと、
ｆ）前記時間差ｄｔならびに前記オフセットＣＯＲＡおよびＣＯＤｅｃに基づいて時間に依存する軸の角度位置に対する新しい関数ＲＡ（ｔ）およびＤｅｃ（ｔ）を計算するステップと、
ｇ）ｎからｎ＋１に増加させて、ステップａ）〜ｇ）を繰り返すステップであって、前記軸が新たに計算された関数ＲＡ（ｔ）およびＤｅｃ（ｔ）に従って移動されるステップと
を含む
ことを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記画像オフセットが、現在の測定値および過去のデータに基づいて計算されることを特徴とする、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記角度位置のための関数が、
Ｉ．（Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ）恒星角速度でＲＡ軸を移動させるステップと、
ＲＡ（ｔ）＝Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ＊ｔ、
Ｄｅｃ（ｔ）＝０
ＩＩ．前記時間差および前記オフセットに基づいて新しい角速度を決定するステップと、
ＶＲＡＣｏｒｒ＝ＣＯＲＡ／ｄｔ＋Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ
ＶＤｅｃＣｏｒｒ＝ＣＯＤｅｃ／ｄｔ
ＩＩＩ．前記確認された関数で前記軸を移動させるステップと、
ＲＡ（ｔ）＝ＶＲＡＣｏｒｒ＊ｔ
Ｄｅｃ（ｔ）＝ＶＤｅｃＣｏｒｒ＊ｔ
ＩＶ．前記時間差および前記オフセットに基づいて新しい角速度を決定するステップと、
ＶＲＡＣｏｒｒ＝ＣＯＲＡ／ｄｔ＋ＶＲＡＣｏｒｒ
ＶＤｅｃＣｏｒｒ＝ＣＯＤｅｃ／ｄｔ＋ＶＤｅｃＣｏｒｒ
Ｖ．ステップＩＩＩ〜Ｖを繰り返すステップと
によって計算される
ことを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記角度位置のための前記関数が請求項１に記載のように計算され、
前記屈折が、
Ｉ．（Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ）恒星角速度でＲＡ軸を移動させるステップと、
ＲＡ（ｔ）＝Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ＊ｔ、
Ｄｅｃ（ｔ）＝０
ＩＩ．前記時間差および前記オフセットに基づき、差分屈折を考慮して、新しい角速度を決定するステップと、
ＶＲＡＣｏｒｒ＝（ＣＯＲＡ−ｄｅｌｔａＲＡＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ＋Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ
ＶＤｅｃＣｏｒｒ＝（ＣＯＤｅｃ−ｄｅｌｔａＤｅｃＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ
ＩＩＩ．前記確認された関数で前記軸を移動させるステップと、
ＲＡ（ｔ）＝ＶＲＡＣｏｒｒ＊ｔ
Ｄｅｃ（ｔ）＝ＶＤｅｃＣｏｒｒ＊ｔ
ＩＶ．前記時間差および前記オフセットに基づき、前記差分屈折を考慮して、新しい角速度を決定するステップと、
ＶＲＡＣｏｒｒ＝（ＣＯＲＡ−ｄｅｌｔａＲＡＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ＋ＶＲＡＣｏｒｒ
ＶＤｅｃＣｏｒｒ＝（ＣＯＤｅｃ−ｄｅｌｔａＤｅｃＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ＋ＶＤｅｃＣｏｒｒ
Ｖ．ステップＩＩＩ〜Ｖを繰り返すステップと
の処理において考慮される
ことを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラを有する望遠鏡を位置決めし、移動させるための装置を備える赤道儀または経緯台による追尾方法に関し、前記装置は、少なくとも１つの画像センサおよび電動制御装置によって位置合わせ可能、かつ、追尾可能である。
【背景技術】
【０００２】
天体写真術は、望遠鏡が電動駆動（たとえば、ステッパモータ）によって正確に位置合わせされることを必要とする長い露光時間を要求する。適切な制御装置により、望遠鏡は観察物体に対する位置合わせおよび追跡が可能となる。
【０００３】
このために、赤道儀は、赤経軸および赤緯軸のまわりに旋回可能である。ここで、駆動される赤経軸における一定の（恒星）速度で地球の自転を打ち消すために、極軸は地軸に平行に位置合わせしなければならない。この組立ては非常に誤差を生じやすいので、不正確な組立ての誤差を補正するために、両方の軸には、次第にモータが装備されて、それによって駆動されるようになってきている。
【０００４】
多くの場合、比較的長い焦点距離（＞３００ｍｍ）を有する望遠鏡が、天体写真のために使用され、比較的長い（＞５分）露光時間が、記録を作成するために選択される。現在のカメラ、および小さい画素（＜１０μｍ）を有するその画像センサと組み合わせて、非常に高い精度（１０分につき最大＋／−１”の軌道逸脱）が、追尾中に必要とされる。架台を完璧な位置合わせした場合でさえ、軸の移動は、現在利用可能なモータおよび動力伝達装置を使用してもあまりに不正確であるため、これらの要求を満たすことができない。この理由のために、駆動は、軸の測定される移動に依存して調整されなければならない。
【０００５】
以前は、ガイド星を観察して、その位置を確認する第２の画像センサを必要とするこれらのシステムとともに、軸の移動を測定するための、いわゆる「オートガイダー」がますます使用されていた。意図された位置からの逸脱が発生した場合、軸の移動に対する補正が計算されて、軸制御装置に伝送される。これは、対応する経費でパラメータ化されなければならない制御ループである。オートガイダーは、さまざまな実施形態において、望遠鏡上に取り付けられる、またはオフアキシスガイダーの助けを借りて主光学組立体のビーム経路に取り付けられる専用の光学組立体を有する、特殊なカメラの追加の画像センサとして存在する。オートガイダーの欠点は、システム全体の複雑さが増加することであり、とりわけ、光学組立体および架台に依存する制御システムをパラメータ化することが必要であるので、操作性はより難しくなる。さらに、第２のカメラのために、そして、必要な場合、ガイドチューブのための第２の露シールドのために、消費電力は増加する。
【０００６】
さらに知られている方法は、ポインティングモデルを作成する方法である。その場合、天体の位置は、取り付けられた光学組立体およびカメラを用いて、正確に確認される。複数の物体の位置を測定した後、モデルが計算され、それによって、このような架台は正確に位置決めすることができ、正確な追尾を実行することができる。この方法の欠点は、架台がその位置を変えたときに、モデルがそれらの妥当性を失うことである。この点については、天体と天体との間の位置または方向の非常に小さい変化で十分である。このような変化は、三脚で、望遠鏡で、そしてカメラで起こることがある。これは、特に、移動性作業の範囲内の事例である（たとえば、三脚の沈み、または、架台の熱膨張のため）。
【０００７】
米国特許出願第２０１３／０２６５６３９Ａ１号明細書では、ポインティングモデルは架台について作成される。これは、主記録の実際の作成の前に実行される。ここで、主センサは、追尾制御センサではなく、ポインティングモデルの１回限りの作成のためのセンサとして機能する。米国特許出願第２０１３／０２６５６３９Ａ１号明細書は、より費用効果の高いロータリエンコーダを使用できるような、天文学的方法を用いるロータリエンコーダのキャリブレーションをさらに説明している。この事例における実際の追尾は、あらかじめ確認されるポインティングモデルを介して行われ、追尾を制御するために主センサを使用しない。
【０００８】
英国特許出願公開第２４８５５９６Ａ号明細書は、追尾制御カメラおよび光学組立体を架台に一体化するシステム（自己誘導架台）を説明している。追加のカメラおよび光学組立体が実際の主記録のために必要とされ、この場合も、主記録は追尾制御カメラによっては作成されない。
【０００９】
米国特許出願第２０１４／００８５７１７Ａ１号明細書も、追尾制御カメラおよび光学組立体を架台に一体化するシステムを説明している。さらに、さらなる撮像センサおよび光学組立体が提供され、それによって、空における位置の正確な測定が可能である。追加のカメラおよび光学組立体が実際の主記録のために必要とされ、主記録は、使用されるセンサおよび光学組立体で作成されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の基礎をなす目的は、操作の複雑さを取り除くのに好適である方法を開発すること、および、オートガイダーを使用して、ポインティングモデルに基づくシステムの誤差に対する感受性を取り除くときのシステム設計である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によると、上記の目的は、特徴づける機能とともに請求項１の前文に従って達成される。本発明による方法の有利な構成および開発は、従属するサブクレームに明記される。
【００１２】
本発明によると、最初に示される種類の方法は、画像センサが、カメラの主記録センサとして、そして同時に、アライメントセンサおよび追尾制御センサとして機能することを特徴とし、主記録の前後に、少なくとも１つの制御記録がより短い露光時間で作られ、これらの制御記録が互いに比較される、または、少なくとも１つの主記録自体が制御記録として機能し、それは少なくとも１つの前の主記録と比較される、または、短い露光による制御記録が主記録自体と比較される、そして、架台で追尾するための補正値は、作られた記録の画像オフセットおよび時間差によって確認される。軸における画像オフセットを確認するために、カメラの位置合わせが赤経および偏角で校正される。
【００１３】
特に有利には、方法は、軸の移動のための補正値が確認されて、追尾の誤差が定期的に測定されることを特徴とし、
ａ）制御記録Ｃ（ｎ）を作成するステップと、
ｂ）主記録Ｍ（ｎ）を作成するステップと、
ｃ）制御記録Ｃ（ｎ＋１）を作成するステップと、
ｄ）制御記録Ｃ（ｎ）とＣ（ｎ＋１）との間の時間差ｄｔ、ならびに画像オフセットＩＶｘおよびＩＶｙを、サブピクセル精度で、制御記録Ｃ（ｎ）とＣ（ｎ＋１）との間の画像座標において、確認するステップと、
ｅ）ＩＶｘおよびＩＶｙ、ならびに天球座標ＣＲＡおよびＣＤｅｃにおける記録の位置に基づいて、天球座標ＣＯＲＡおよびＣＯＤｅｃにおけるオフセットを確認するステップと、
ｆ）時間差ｄｔならびにオフセットＣＯＲＡおよびＣＯＤｅｃに基づいて時間に依存する軸の角度位置に対する新しい関数ＲＡ（ｔ）およびＤｅｃ（ｔ）を計算するステップと、
ｇ）ｎからｎ＋１に増加させて、ステップａ）〜ｇ）を繰り返すステップであって、軸が新たに計算された関数ＲＡ（ｔ）およびＤｅｃ（ｔ）に従って移動されるステップと
を含む。
【００１４】
本発明によると、記録の画像オフセットは、画像処理によってサブピクセル精度で決定される。架台の不正確な組立てによって引き起こされる時間的角度変化は、制御画像間の時間差および画像座標の変換を天球座標に加えることによって決定される。
【００１５】
結果として、組立誤差は計算されて、次の本露光に合わせて進む画像オフセットへ変換し戻される。処理においては、計算された角速度で軸を作動させるために、誤差曲線の関数ＲＡ（ｔ）およびＤｅｃ（ｔ）が計算されて、制御装置に転送され、差分屈折（ｄｅｌｔａＲＡＲｅｆｒａｃｔおよびｄｅｌｔａＤｅｃＲｅｆｒａｃｔ）も考慮される。
【００１６】
関数は、
Ｉ．（Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ）恒星角速度でＲＡ軸を移動させるステップと、
ＲＡ（ｔ）＝Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ＊ｔ、
Ｄｅｃ（ｔ）＝０
ＩＩ．時間差およびオフセットに基づき、差分屈折を考慮して、新しい角速度を決定するステップと、
ＶＲＡＣｏｒｒ＝（ＣＯＲＡ−ｄｅｌｔａＲＡＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ＋Ｖｓｉｄｅｒｅａｌ
ＶＤｅｃＣｏｒｒ＝（ＣＯＤｅｃ−ｄｅｌｔａＤｅｃＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ
ＩＩＩ．確認された関数で軸を移動させるステップと、
ＲＡ（ｔ）＝ＶＲＡＣｏｒｒ＊ｔ
Ｄｅｃ（ｔ）＝ＶＤｅｃＣｏｒｒ＊ｔ
ＩＶ．時間差およびオフセットに基づき、差分屈折を考慮して、新しい角速度を決定するステップと、
ＶＲＡＣｏｒｒ＝（ＣＯＲＡ−ｄｅｌｔａＲＡＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ＋ＶＲＡＣｏｒｒ
ＶＤｅｃＣｏｒｒ＝（ＣＯＤｅｃ−ｄｅｌｔａＤｅｃＲｅｆｒａｃｔ）／ｄｔ＋ＶＤｅｃＣｏｒｒ
Ｖ．ステップＩＩＩ〜Ｖを繰り返すステップと
によって計算される。
【００１７】
結果的に、補正計算が主記録と同じ時間間隔で実行されるので、制御された方法で両軸における追尾誤差を排除し、架台と天体との間の位置または方向の変化に反応するために、撮像センサによって追尾のための補正を確認することが可能である。この結果、画像誤差のない比較的長い露光時間が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
例示的な実施形態の実行
本発明による方法を実行することは、既存のシステムの例示的な実施形態に基づいて、以下で段階的に説明される。システムは、両軸に高解像度のロータリエンコーダおよびステッパモータを有する赤道儀からなる。システムのモータ制御装置は、ロータリエンコーダの評価、モータの作動、および軸の精密な制御を容易にする。
【００１９】
本事例においては、ライブビューモードを有するデジタル一眼レフカメラが、画像センサとして使用される。評価は、ソフトウェアを用いて、追加のコンピュータ（ラップトップ）で実行される。ソフトウェアは、たとえば、ＤＳＬＲの完全な制御、２つの星の位置に基づいて不正確な組立てを計算するツースターメソッド（ｔｗｏ−ｓｔａｒ  ｍｅｔｈｏｄ）、補正値の計算および制御装置への転送、および、オフセットを決定するための画像処理アルゴリズムなどの統合機能を含む。
【００２０】
架台は、水準器を用いて水平にされ、コンパスおよび目盛環によって地軸と平行に位置合わせされる。さらに、場所の地理座標が、計算のためにソフトウェアに入力される。場所を自動的に確認するための傾斜（水盛り）センサおよび方位（高さ）センサおよびＧＰＳセンサを使用することによる、位置合わせおよび操作の簡略化された実施形態も考えられる。
【００２１】
あるいは、架台および地球の方位角座標系の間の差角を確認して、これを考慮することで、レベリングを不要にすることが可能である。
【００２２】
統合されたＧｏＴｏ機能を使用して、光学組立体は、データベースから得られる明るい星に駆動される。カメラのライブビューおよびソフトウェアへのインタフェースを使用して、ユーザは、星の拡大によって光学組立体に焦点を合わせる選択肢を有する。自動カメラキャリブレーションの機能を使用して、光学組立体のカメラの位置合わせは、最初に、観察される星を１つの画像エッジに赤経軸で旋回させ、画像座標を記憶し、次いで、カメラの方位角を計算するために他の画像エッジにそれを駆動する制御装置によって決定される。
【００２３】
カメラキャリブレーションの後、制御装置は、組立誤差を最小にするために、ツースターメソッドを実行する。処理においては、知られている星が画像中心に自動的に駆動され、軸位置がロータリエンコーダによって校正され、軸位置の星位置からの逸脱を比較するために、さらに知られている星への旋回がある。
【００２４】
ツースター方程式（ｔｗｏ−ｓｔａｒ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）を使用して、ソフトウェアは、架台の不正確な組立てを計算し、方位および仰角の補正値をユーザに視覚的に示し、方位および仰角は星のライブ画像で補正できる。補正が完了した後、カメラ位置合わせは、再度自動的に確認されて、必要な場合、適合される。その結果、ユーザは、所望の物体まで駆動させ、露光時間および記録数を設定し、記録サイクルを開始させることが可能である。
【００２５】
ソフトウェアは、各主記録の前後に、短い制御画像を自動的に記録し、次いで前記制御画像が互いに比較される。ここで、方法の第１の実施形態において、赤経軸のみが恒星方向に駆動される。制御画像間の画像オフセットは、画像処理アルゴリズム（たとえば、ＦＯＣＡＳ  自動カタログマッチングアルゴリズム（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｃａｔａｌｏｇ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ））によって決定される。制御画像の露光所要時間およびＩＳＯ値は、制御画像を評価し、十分な数の詳細を探索するアルゴリズムによって自動的に適合される。十分な数の詳細が可視ではないまたは詳細がまったく可視ではない場合、制御画像の露光所要時間および／またはＩＳＯ値は自動的に増加する。
【００２６】
よって、サブピクセル精度による両軸のオフセットの評価が達成され、前記オフセットは、光学組立体の軸位置および事前に入力されるパラメータ（焦点距離、画素寸法など）によって、偏角および赤経の制御画像間の時間的角度変化の構成要素として画像座標の天球座標への変換で計算される。
【００２７】
局所誤差モデルは、これらの値に基づいて、差分屈折を考慮することによって、赤緯軸および赤経軸に対する、時間に依存する正しい意図された位置を得るために、所望の位置で作成される。
【００２８】
屈折の影響はよく知られており、そのため、制御ソフトウェアで補正することができる。大気の屈折は、空気圧、温度、および物体の高度に依存する。しかしながら、この方法では差分屈折のみが必要とされるので、主に、関連する物体の高度に依存する。
【００２９】
局所誤差モデルは、組立て精度を計算し、次の本露光に合わせて進む画像オフセットへ変換し戻す。処理においては、誤差曲線の多項式が計算されて、動的追尾速度で軸を作動させるために、制御装置に転送される。
【００３０】
この方法は、さらなる主記録のために繰り返され、軸の追尾速度は計算しなおされて、毎回、適合される。
【００３１】
この方法の結果として、組立ておよび差分屈折の誤差、ならびに、架台と天体との間の位置または方向の変化に伴う誤差を取り除くことが結果的に可能であり、誤差を追尾することなくより長い露光時間での記録を容易にする。
【００３２】
組立てを補正しない方法
仰角軸および方位軸の補正のないさらなる例示的な実施形態において、架台は最初に組み立てられ、極軸はできるだけ位置合わせされる。位置合わせは、極軸望遠鏡によって、またはコンパスおよび角度スケールによって実行することができる。組立てが正確であるほど、露光の長さ、空での位置、および画像領域の大きさに依存する画像領域の回転は小さくなる。水平位置合わせを完全に不要にすることができ、これは追尾に影響しない。
【００３３】
カメラの方向は、組立後に設定される。処理においては、星は画像領域に導かれ、カメラは、赤経軸の移動の間、星が水平に移動するように方向付けられる。
【００３４】
ここで、露光される物体の位置は接近し、赤経のための制御は、短い露光での制御記録として起動されて、開始される。この後すぐに長い主記録が続き、次に、長い主記録は短い制御記録で終了される。
【００３５】
ここで、画像オフセットは、２つの制御記録に基づいて、好適な画像処理アルゴリズムを介して決定される。三角法は、最も一般的な方法である。アルゴリズムは、できるだけ多くの、星と接続する最も大きい三角形を探索し、結果的に、基準画像と制御画像との間のオフセットおよび回転を計算する。
【００３６】
画像平面における二次元相互相関で動作するアルゴリズムは、オフセットを決定するためのさらなる選択肢を構成する。第１の基準画像の信号は第２の制御画像の信号と比較され、その後、最大のものが探索される。
【００３７】
次に、画素の計算されたオフセットは、角度寸法に変換される。ここで、値は、光学組立体の焦点距離およびカメラの画素寸法に依存する。
【００３８】
角度寸法のオフセット、および記録された制御画像間の時間差を使用して、時間的角速度は、意図された位置および実際の位置に基づいて計算することができる。
【００３９】
できるだけ誤差のない追尾を得るために、拡張された誤差モデルが作成され、それは差分屈折の構成要素も考慮する。結果として、制御装置の角速度を適合することによって実質的に完全に排除することができる、両軸の誤差曲線の関数が得られる。
【国際調査報告】
2018510390.tif 000002
2018510390.tif 000003
2018510390.tif 000004
2018510390.tif 000005
2018510390.tif 000006
2018510390.tif 000007