CMOS カメラを使用した月による星食の観測
宮下和久*

概 要
CMOS カメラを用いて月による星食の試験観測を行ない、観測に適する機器構成や手法について考察した。

１．ビデオカメラを用いた星食・掩蔽の観測手法の経緯と変遷（1）アナログビデオカメラによる観測
西暦 2000 年頃より、月による星食観測は、撮影にはWAT100N などのアナログビデオカメラ、録画には DV 形式のビデオレコーダ、時刻記録にはビデオタイムインサー
タをそれぞれ用いて行われてきた（図１）。しかし今日ではそれらの機材は発売が終了し、新たに入手することは困難になっている。また、その画像を記録したりキャプチャしたりするために必要な IEEE1394 端子を持つノート PCも販売されていない。その結果、月による星食の観測に必要な機器を新たに揃えようとしたときには、中古品を探す
図1

アナログカメラとタイムインサータより他なく、また、アナログカメラが故障すれば後継のカメラを用意できない、というのが現状である。

（2）小惑星による掩蔽観測への CMOS カメラの適用
このような状況の中、小惑星による恒星の掩蔽に対しては、2019 年頃から ASI290MM などの天体用カメラを利用した観測が行われるようになった。ASI290MM は、惑星をはじめとする諸天体の撮影に用いられてきたカメラである。CMOS カメラは機種にもよるがアナログカメラに比べて高い感度を持ちノイズも小さいことから、13 等級といった微光の天体を観測するのにも適している。
ところが、CMOS カメラの観測では、キャプチャ時に画面の上隅にタイムスタンプとともにデジタル記録される時刻は、キャプチャソフトウエアが処理を完了した時刻であることから、場合によっては UTC に対して 10 ミリ秒内外の誤差が発生する。これは、かつてのビデオタイムインサータの時刻記録の誤差（1 ミリ秒以下）と比べて極めて大きな誤差であり、そのままでは星食・掩蔽の観測に用いることができない。
この問題の解決策として、筆者は GPS が出力する 1PPS の LED 光信号を利用した精密な時刻補正の手法を考案し、解析ソフトウエア Limovie に実装した（図２）。その結果、減光時間が 0.5 秒以下であるような小さな天体による掩蔽の観測にも活用されるなど、小惑星による掩蔽の観測で成果を上げてきている。

図2

小惑星による掩蔽の CMOS カメラによる観測の解析（左）と、LED による時刻補正（右）Limovie は、キャプチャ時に画面左上隅にデジタル記録された時刻値を読み取り、フレームに記録された 1PPS のLED 光信号の明るさがシフトしていくようすから、精密な時刻補正を行う。
*星食観測日本地域コーディネーター

1

2．CMOS カメラを月による星食に適用する際の問題点
一方、CMOS カメラを月による星食観測に用いるためには、小惑星の場合とは異なる課題が残されていた。それは、COS カメラで撮影すると、従来のアナログカメラに比べてノイズが多く、また、シンチレーションによる影響も大きくなって、アナログカメラでは解析まで含めて良好に観測できていた微光の恒星の現象が CMOS カメラではとらえにくくなる、というものであった。図 3 にアナログカメラと CMOS カメラの比較を示す。CMOS の方が星像が大きく、バックグラウンドに対する星像のコントラストも低いため、ライトカーブにノイズが多く載って、現象時刻の解析がしづらい。

3．CMOS カメラで月による星食を観測する手法の開発（1）F 値の小さい光学系を用いる
筆者は、微光な恒星かつ径の小さい小惑星の観測を行うために、S/N を向上させる方法について考察し、S/N は合成 F 値にほぼ反比例するであろうと考察した。それを調べるために、口径 280mm のシュミットカセグレン望遠鏡の焦点距離を、レデューサおよびアフォーカル光学系で短縮して、F 値による画像と測光結果の比較を行った。その結果、ほぼ上記の F 値とノイズの関係が確かめられてきている。図 4 のビデオ画像に示すように、合成 F 値を2.0 にした場合には、星像のサイズが小さく、そして明るく写っている。ま図 3 アナログカメラ（上）と CMOS カメラ（下）の画像の比較

た、ライトカーブに載るノイズもたいへん少なくなっている。

図 4 小惑星による恒星の掩蔽 F=4.0（上）と F=2.0（下）の比較
口径 280mm で合成焦点距離を変えて撮影したもの。水色の測光領域が重ねられているのが R 等級 12.5 の対象星。F4.0 は星像が淡く、測光結果もノイズが多いのに対し、F2.0 では星像がくっきりし、ノイズも半分程度に減少している。広い範囲を画面内に収めることができ、観測前に対象星を探す際にも有利である。

2

このことは、月による星食の録画撮像に対しても同様に起こっていると考えられることから、月による星食の観測も合成 F 値 2.0 の光学系が効果的であるのかを確かめることにした。

(2) 小さな F 値が CMOS カメラに対して有効である理由
F 値を小さくすると測光が改善される原因であるが、センサーサイズおよびピクセルサイズの違いによるところが大きいと考えられる。筆者はこれまで、口径 250mm から 300mm の望遠鏡を合成 F 値 4.0 程度で観測に用いてきた。使用しているアナログカメラの撮像素子は 1/2 インチサイズであり、新たに用いようとしている CMOS カメラは 1/3 インチである。画素数は、アナログカメラは 752×582、CMOS カメラは２×ビニング時で 968×548 でほとんど差がない。ピクセルサイズはアナログカメラが 9μm ほどで、CMOSカメラは 3μm であるが２×ビニング時には 6μm として受光したことになるので、ピクセルサイズはアナログカメラの 2/3 となる。
光学系が結ぶ星像のサイズは同じであるから、1 ピクセル（ビニングの 1単位）あたりに受ける光の量を比べると、CMOS はアナログカメラの 1/(1.5×1.5)≒1/2 と、半分になってしまう。つまり、センサーサイズが小さくなったことに見合った分だけ焦点距離を短縮させなければ、CMOS カメラはアナログカメラと同じだけの光を受けることができないのである。

図 5 ピクセルサイズ（上）とセンサーサイズ（下）の比較
ICX428: アナログカメラ用
IMX290: CMOS 用(3) 低 F 値化の方法
筆者は口径 280 ㎜, 合成焦点距離 1100mm での観測を行ってきたが、それと同等の結果を CMOS で得るには焦点距離を 750mm としなければならない。F 値にして 2.7 である。
口径比 F=2 を実現させるにはレデューサでは無理であり、RASA などの特殊な望遠鏡でなければ実現は難しい。しかし、星食観測では周辺部の星像の収差についてはあまり問題にはならないから、アフォーカル光学系（コリメート撮影）を図6

アフォーカル接続による縮小光学系用いることによっても、低い F 値を達成することができる。

fll=30mm の接眼レンズに fl=6mm を接続して 1/5に縮小する。

(4) 低 F 値化による測光と時刻測定の改善
F 値による測光結果の比較を図 7 に示す。同程度の明るさの恒星であっても、F2.0 の方が F4.0 の場合に比べて画面上のノイズが小さく、ライトカーブのノイズも小さい。特に潜入の瞬間と潜入してからの部分で、F4.0 よりも大幅に改善されている。この部分は重星の観測・解析にとって重要であることから、観測には F値の小さい光学系が有利であることを示している。

図7

明るさの同じ（9.4 等級）恒星について、F4.0（左）と F2.0（右）の観測および解析の結果

3

(5) 低 F 値化と迷光
また、直焦点撮影やレデューサによる撮影では、レデューサや延長筒の壁で反射した迷光のために視野が明るくなって観測ができなくなる現象も多い。それに対してアフォーカル系では、基本的には接眼鏡内での迷光が起こりにくいことから迷光の影響がとても小さい。ただし、月の輝面が接眼鏡の視野内に入ると、ビデオカメラレンズの光学面で反射してゴーストが発生することがある。これについては現在のところゴース
ト部に対象星がかからないようにするより他ないが、直焦点による迷光に比べれば悪影響は小さい。（図 8）

図8

迷光

レデューサ使用時（左）には強い迷光が画面を広く覆うことがあり、その頻度も高い。一方、アフォーカル系（右）の場合には、ビデオカメラレンズによるゴーストが発生するが部分的であり（中央部）、それを避けての観測が可能である。

(6) 月による星食の観測における 1PPS-LED 光照射

図9撮像面に写った月の暗部への LED 光照射

左：LED 光照射器具 ”called Himantolophus” シュミットカセグレンのフードに設置した例。補正版の副鏡部の突起に取り付けて向きを加減すれば、中央の図のように画面端に照射することも可能であるが、調整は難しい。
中：輝度を高く撮影した例。図は、説明のために右端を照らすようにしているが、画面全体を照らすことでも十分に時刻補正の目的を達成できる。
右：LED 光による時刻補正のようす。実験のためにゲインを上げて月の暗部を明るく写して解析しにくくしているが、直線状に LED 光が変化しており、精度のよい時刻補正が可能となっている。

もう一つ、月による星食の観測で問題になるのが、時刻補正のための LED 光の照射についてである。小惑星による掩蔽と異なり、視野内には月面が映り込んでいる。照射された LED 光は輝面を避けた部分で検出すればよいが、そこに地球照で薄く光る月の暗部があった場合、正確な時刻補正ができるかどうかが問題となる。この点についてもテスト観測ビデオで確認した。
LED 照射は簡便な筒先からの明視野照明とした。解析時の LED 光検出部は、ゲインを上げて明るく写した月の暗部と LED 光が重なった部分に設定した。解析結果を図 9 に示す。月の暗部であっても、測点が直線上に並び、良好な時刻補正が行えることを示している。

4．まとめ
WAT100N などの CCD アナログカメラから ASI290MM などの CMOS カメラへの移行は、センサーのピクセルサイズが微細化する、という変化をもたらした。星食観測がそれに対応するためには、ピクセルサイズに見合った短焦点の望遠鏡・光学系が必要となる。また、F 値を小さくすることで星像をより明るく写し、S/N を高めることが可能である。小惑星の掩蔽については既に小さな F 値の光学系が多く用いられているが、まったく同一の光学系と手法により、月による星食の観測が可能であることを確かめることができた。

4