ZWO 社 CMOS カメラ用のオフアキシスガイダーを利用した LED 光（1PPS）照射装置の製作が難しいのはなぜか？
～より確実な製作法を探る～
2022.9.4 宮下和久

１．はじめに掩蔽現象が起きた時刻を正確に観測するために、ビデオ（動画）の撮影による方法が用いられてきています。最近では、天体用 CMOS カメラが普及し、小惑星による恒星の掩蔽のほとんどが CMOS カメラにより観測されるようになりました。高感度・低ノイズで、微光の天体を撮影するのに向いている CMOS カメラですが、PC に USB 経由で直接記録するため、従来のアナログビデオカメラで用いられたビデオタイムインサータ（GPS 受信機の時刻信号から正確な時刻をビデオ画面上にスーパーインポーズする装置）を使うことができません。そこで、１PPS の LED 光を観測と同時（または観測の前後）に動画に記録し、その明るさノ変化を測定することで、動画の各フレーム（コマ）の撮影時刻を精密に決定する方
図 1 オフアキシスガイダーを利用した LED 光照射装置法が用いられるようになりました。
渡辺裕之氏は、ZWO 社が CMOS カメラ用に発売しているオフアキシスガイダーを利用して、観測と同時（動画撮影中）に直接画像センサーに照射する方法を考案しました(2019)。たいへん優れた装置で、筆者も利用していますが、製作を試みた観測者の方からは、「画面の右端（または左端）のみをうまく光らせることができない」という声も聞かれます。たしかに筆者も LED の設置場所の条件がシビアで、製作しにくいと感じていました。そこで、この「製作しにくさ」の原因がどこにあるのか、また、確実に動作するように製作するにはどうしたらよいのか、について、動作の状況や寸法について調べることで、探っていくことにしました。

２．オフアキシスガーダーを利用した LED 光照射装置のしくみ
掩蔽現象の観測時、1PPS の LED 光を映しこむことにより、それぞれのフレームについて露光の開始時刻や終了時刻を正確に推定することができます。この１PPS の光の点滅を、動画を撮影する期間を通して、動画画面の決まった場所に照射する必要があります。図２にオフアキシスガイダーを利用した照射装置の概念図を示します。
オフアキシスガイダーは、主鏡が集めた光のうち、光軸中心から少し外れたところを通る光束を直角プリズムで垂直方向に取り出し、その視野内にある恒星を使って望遠鏡のガイドをしようとするものです。
このプリズム部を上下逆向きに取り付け、ガイドの覗き口から LED 光を入射すると、その光が撮像素子の端を照らすようになります。これで掩蔽現象と同時に１PPS の LED 光を記録できるようになります。これがこの装置の仕組みです。 図２ 照射装置のしくみ（上）と得られる画像（下）（概念図）

３．光路について考えてみます
図 2 を見て、LED が光路の中心を外れて装着されている（斜めになっていることは必須事項ではありません）のに気づかれたことと思います。これは描き誤りではなく、次の目的にとって必要な設置法です。
【目的１】 1/3 インチなどの小さなサイズの撮像素子に LED 光を届ける。
◇ガイダーのプリズム部は腕が短く、装置鏡筒部の中心付近まで届きません。そこで、光路の端から光を当てて、プリズムよりも中央へ LED 光を届ける必要があります。
【目的２】 素子の右（または左）端を上から下まで細長く LED 光で照射する。
◇ローリングシャッター方式のカメラで正確な時刻補正を行うためには、観測する対象星と画面上同じ（縦方向の）位置で LED 光を測定する必要があります。LED 光をそのまま照射すれば、撮像素子付近には光が円形に当たります。それでは観測の視野を妨害してしまうので、端の方だけ照射したいのです。そのために、プリズムの端の直線で「けられ」を発生させ、円形の光の一部を直線状にさせます。
このことを、撮像した画像と光路図を使って確かめていきましょう。
（なお、本文にある説明図は概念図です。正確な光路図は「コラム」を見てください。）(1) 大きなセンサー（例 1 インチ）に、プリズム部の光路中央から LED 光を入射すると・・・

図3

大きなサイズ（例 対角 1 インチ）のセンサーに LED 光を照射した場合このように、撮像面を含む平面上に LED 光が円形に照射され、その一部がセンサーに写りこみます。
図 3 は、説明のためにプリズム部をあまり奥まで押し込んでない場合について示しています。プリズム部をもっと中央に寄せれば、円形の中央部程度まで写りこむようになります（そんな使い方はしないと思いますが）。グローバルシャッター方式の大きなイメージセンサーであれば、この状態で観測可能となります。画面上のどこでも露光時刻が同じになるため、右端全体を光らせる必要がないからです。

(2) ところが、小さいセンサーの場合には．．
．

図4

小さなサイズ（例 対角 1/3 インチ）のセンサーに LED 光を照射した場合IMX290（対角 1/3 インチ）のようなの小さなセンサーの場合、そのままだと光が届きません。画面上の方にあるプリズム部は、少し無理すると画面左側方向に伸ばせるのですが、それでも十分にはセンサーに近づけることができないのです。
(3) ガイドカメラ接続部から、光路入口ののセンサーと反対の端から LED 光を入射させると

図5

小さなサイズ（例 対角 1/3 インチ）のセンサーに LED 光を照射した場合こうすると、小さなセンサーにも光が届くようになります。センサーに当たる LED 光がプリズムの端でけられて、直線状になるようすもご理解いただけると思います。なお、この光路図は LED 光を光路入口の上端にかなり近い位置から当てています。これでもよいのですが、センサー付近の光は幅が狭くなり、LEDの適切な位置が限られは範囲になってしまいます。それを防止するには、後述するように、プリズム部とガイドカメラ接続部を調節して、可能な限りプリズムを中央（センサー）に近づけるようにします。
（☆ この図のように LED を斜めにしなくてもよいです。光路の端に置くことが大切です。
）

【コラム】

光学解析ソフトによるシミュレーション
光学解析ソフト（操作の簡単な popsを使いました）で確かめてみましょう。
A は、オフアキシスガイダーを開封したそのままで、光路穴の中央から LED光を当てた場合です。光がセンサーに届きません。
B は、光路穴の（この図の場合の）上端付近から光を当てた場合です。多少近づいたものの、まだセンサーに届きません。
C は、プリズム部とガイドカメラ取り付け部のねじを緩めて、プリズム部を限界まで装置中央まで伸ばしたものです。ようやくセンサーに LED 光を届けることができました。

３． LED 光照射装置の製作
それでは、実際に装置の作り方を見ていきましょう。まずは、ガイダーの概観からです。

(1) オフアキシスガイダーを見てみよう

CMOS カメラ側
カメラ取付用T リング

直角プリズムガイド
カメラ側
ガイドカメラ取り付け部とプリズム部をつなぐねじ(固定用)

ガイドカメラ取り付け部とプリズム部をつなぐねじ(調節用)

望遠鏡主鏡側プリズム部と本体をつなぐねじ（調節用）
固定用ねじは、この裏側にあります。

オフアキシスガイダーは、購入時に図３のように組み立てられています。カメラには T リングを介して
図6
オフアキシスガイダー
カメラ接続側から見たところ。撮影（水平に置く）のために、2 インチ→48 ㎜の接続をしてある。

取り付けるようになっています。カメラ取り付け部は、向きを変えられるようになっており、3 本のねじで固定されています。プリズムを見てわかるように、望遠鏡主鏡から来た光が、プリズムで反射されてガイドカメラ側に導かれるようになっています。LED 光照射を行うためには、このプリズムの向きを上下逆に取り付ける必要があります。

(2) プリズムの向きを変える＋プリズムを可能な限り本体中央に移動させる① 本体から「プリズム部＋ガイドカメラ接続部」を取り外す
図３の説明にもあるように、本体と「ガイドカメラ接続部＋プリズム部」をつなぐ「固定用ねじ」は、本体の望遠鏡側にあります。 図 7 のように、六角レンチ（）を使って緩め、さらに本体とプリズム部をつなぐ「調節用ねじ」を緩めます。
その後、ガイドカメラ接続部を、図 4 の

図 7 プリズム部＋ガイドカメラ取り付け部の取り外し
左の図は、前ページの図３を裏返したところ。

場合左側に引き出せば、簡単に取り外すことができます。
② プリズム部とガイドカメラ接続部も分

こちらも、固定用ねじ（六角レンチ）と調節用ねじの双方を緩めて外します。

離してみよう（図 7 の右の図のようなプリズム部＋ガイドカメラ取り付け部全体を逆向きにして差し込めば、元は望遠鏡主鏡側を向いていたプリズムがセンサー側を向くようになりますが…）
ここでは、プリズム部をガイドカメラ接続部から取り外すことにします。ガイダーの中央に向けてプリズム部を伸ばす必要が

図 8 プリズム部をガイドカメラ取り付け部から取り外すあるからです。
③ プリズム部をガイドカメラ接続部に取り付けますプリズム部をガイドカメラ接続部に 180度回転（上下逆向き）に取り付けます。
そのとき、（IMX290 などの小型センサーの場合には）できるだけ奥の方に取り付ける

図 9 小型のセンサーの場合には、できるだけ奥の方に取り付けることが必須となる。 図の場合、固定ねじの穴が半分見えるくらいの「ぎりぎりまで」奥に取り付けている。

ようにします。（図 9）

④ プリズム部＋ガイドカメラ接続部を本体に取り付けます
図 10 は、CMOS カメラ側から見たようすです。図 3 と比べてみてください。プリズムの向きが上下逆になっています。(3)でプリズムを本体中央に向かって移動させていますので、LED 光も届けることができるようになっているはずです。
図 10 プリズム部を上下逆に取り付けたところ(3) LED 取り付け部をつくろう
ガイドカメラ接続部の光路開口部に、①LED の設置個所を作ります。
① 作例では、厚さ 5mm のスポンジゴム（片面粘着）を使っています。
②

サークルカッターで、半径 1 ㎝の円形に 2 枚切り出します。

②③

うちの 1 枚は、サークルカッターを半径 3～4mm に調節して、中央を円形に切り抜きます。
④

もう一枚は、はさみなどを使って少しだけ穴を広げ、LED の頭が入るようにしておきます。
⑤④

小さな穴のゴムを、粘着面が上になるように置き、その上に大きな穴のゴムを粘着面が上になるようにして重ねます。
⑥

小さな穴の側から LED を差し込むと、大きな穴の中から LED の頭が出るように③なります。
（取り付けるときはこの図よりも出方が少なくなると思います。
）⑥⑦

LED を光らせてみました。あとは、ガイドカメラ接続部の光路の入口に取り付けるだけです。

⑦⑤
図 11 LED 取り付け部をつくる

(4) LED を取り付けよう① CMOS カメラを PC に繋ぎ、キャプチャソフトのプレビュー画面を表示しておきます。
② GPS の 1PPS に同期して点滅している LEDを、ガイドカメラ接続部の光路の穴の CMOS カメラの反対側の端付近に近づけ、PC のプレビュ②⑤⑦

ー画面でどの辺が光っているかを確認します。
③

プリズムをガイダーの奥まで伸ばしていますので、画面の中央に近いところまで明るくなっセンサーに写った LED 光ているかもしれませんが、それは後で調節できますので、ここでは LED 光の端の直線部がセンサー（画面）の右端と平行になることを優先します。
ガイダー本体の３つのねじを緩めて T マウントの向きを調節すればよい．．．はずなのですが．．．
④ 多くの場合、CMOS カメラの接続用環（T マウント）の 3 本の脚とガイダーのプリズム部が干①⑨渉して、センサーの「右端」をプリズムに合わせられない、という状況になります。

④⑤ そのような場合は、古ハガキなどをサークルカッターで切り抜いた「調整用ワッシャー」を何枚か作って、その厚さにより T マウントへのカメラのねじ込み角度を調節します。
⑥ LED の位置によっては、光の端が直線にならないこともありますので、確実に直線になるように LED の位置を「追い込んで」いきます。なお、⑤LED が明るすぎると直線がよくわからなくなることがありますので、LED 装置の可変抵抗やキャプチャソフトの露光時間やゲインを 調整して見やすくしながら作業します。
⑦③⑥⑦⑧

LED 光の端の直線部が画面の右端に平行になったら、LED を差し込んである発泡ゴムをガイドカメラ接続部（光路入口）に押し付けることで固定します。
⑧ この時点で、LED 光が画面中央付近まで届いていることが多いと思います。プリズム部の差し⑨込み量を（調節ねじを緩めて）適切な幅になるように調節します。

⑧⑨ 最終的に、画面が のようになれば完成です。
図 12 LED を取り付ける

４．装置を調整しよう
発泡ゴムでつくる LED 取り付け部のよいところは、簡単に LED を着脱したり、調整したりできることです。観測の対象や条件により観測前に LED 光の位置や強さを調節することができます。そのための工夫に①ついて述べます。
① 発泡ゴムは LED を適度に保持してくれますので、貼り付けた後も、LED の位置や向きを微妙に調整することができます。

②② １PPS の LED 光により時刻補正を行うときには、LED 光が白飛びしない程度に明るく写る必要があります。高感度センサーのカメラの場合は、明るすぎることが多いと思います。

③

そこで、身近にあるものを減光フィルターとして利用します。 農業用黒マルチ（または黒色ポリ袋）やレジ袋が適しています。
③ これらを小さく切り、LED を包むようにしてそのまま発泡ゴムの穴に押し込みます。
レジ袋の場合には、何枚か重ねることで明るさを調

図 13 LED の位置や明るさを調整する

節できます。

5．まとめ(1) オフアキシスガイダーを利用した 1PPS-LED 照明装置が作りにくいのは、プリズム部が装置中央から離れているからである。ガイドカメラ接続部から、可能な限りプリズム部を奥の方に取り付ければ、簡単に LED 照明を行うことができる。
(2) LED の明るさは、身近な材料を ND フィルターとして活用して調節することができる。
(3) この装置を利用することで、現象撮影記録中も LED 光の信号を記録でき、観測前後の手間が省けるだけでなく、万一フレームドロップが起きてしまった場合でも、正確な現象時刻を求めることができるようになる。

６．おわりに繰り返しとなりますが、１PPS の LED 光を使って正確なフレーム露光時刻を得る、という方法は、LED 照射機関と現象時刻の間にフレームドロップが起きると時刻を求めることが困難になることです。
現象の撮影と同時に LED 光を照射できる、というのは、このリスクを可能な限り回避し、観測の確実性を担保する上でたいへん有利となります。本稿を参考に製作を試みることをお薦めします。