第12部: 長時間露光中の追尾制御
夜空にほとんど光のない天体を撮影するには、長時間露光が必要です。デジタル写真時代には、1枚の非常に長い露光ではなく、複数の短い露光を使用して撮影した後、画像処理ソフトウェアで加算することが一般的です。しかし、長焦点距離のレンズを使用する場合、自動的な天体望遠鏡の追尾は精度が不足しており、確実に鮮明な写真を撮ることができません。
その場合、露出中に望遠鏡の走行を監視し、必要に応じて修正する必要があります。このプロセスはガイディングと呼ばれ、特定のカメラがこのプロセスを担当する場合、オートガイダーと呼ばれます。所望の露光時間内にモーターによる追尾が行われる場合でも、星が正確な点でなくやや筆写されている場合、追尾制御が必要になります。
この不正確さの原因はさまざまです:
• マウントの機械構造が要件に対応していない
• マウントの正確な設定が行われていない（天体望遠鏡の取り扱いについては「Astro- und Himmelsfotografie」(天体および空撮影)チュートリアルシリーズの第9部を参照)
• モーターによる追尾速度が視等天体の移動速度と完全に一致していない
• 地球大気のプリズム効果 (大気屈折) により、星が予想される位置に完全に配置されていない
• 露出中の光学系の動き、例えば露出中のアイピースの微傾斜
• 車軸の周期的な誤差、すなわち車軸は1回転中に駆動される歯車リングに対して生成する
• 車軸が駆動する歯車リングの均一性
多くの要因は慎重な構築によって自ら影響されますが、少なくとも最後に挙げた2つの要因は問題です。どんなに優れた機械でもわずかな理想からの逸脱があり、それが早晩長時間露光された写真に影響を与えます。単純な計算で、理論上達成すべき追尾精度が分かります。
例として、焦点距離が1500mmの望遠鏡にデジタル一眼レフカメラが接続されているとします。センサーのピクセルサイズは5.7μmで、これはキヤノンEOS 400DまたはEOS 1000Dなどのカメラに当てはまる値です。さらに、大気の乱れが星の位置を4秒角の範囲にずらすとします（1度 = 60分間 = 3600秒角）、これはドイツの良好から標準的な条件に相当します。
すなわち、大気の乱れにより、露出時間中に各星は4秒角の直径の円状になります。星をもう少し鮮明に撮影することはできません。
今度は、撮影センサーの1つのピクセルがどのような角度を撮影するかを計算します。次の式で行います。
画角アルファの計算式。この場合、「L」はピクセルの辺の長さ、「f」は焦点距離です。両方の値は同じ単位（ここではメートル）で指定する必要があります。
したがって、スケールは1ピクセルあたり0.8秒角です。したがって、センサー上の星の円状の直径は5ピクセル（4秒角に相当）になります。次に、筆写が発生する前の許容範囲を決定します。20パーセントのずれが受け入れ可能とすることを提案します。20％以上の場合はぼやけと見なします。この許容範囲はかなり寛大なものです。
左は完璧な星の撮影および完璧な追尾の場合。右はわずかに歪んだ星で、長い軸が短い軸の20％を上回る。
5ピクセル直径の星撮影では、20％は1ピクセルの許容範囲に相当します。つまり、露出時間中に追尾はわずかに0.8秒角の理想値からずれることが許容されます。0.8秒角は2.2万分の1度です（再確認: 満月は約0.5度の見かけの直径です！）。この計算は、長焦点距離の追尾がどれほどの挑戦であり、追尾制御の必要性を強調しています。
実践的な追尾制御
すでに示唆されているように、追尾制御には手動とオートガイダーを使用した2つの基本的な手法があります。
1. 手動追尾制御
手動追尾時には、中心に星が位置する十字線アイピースが使用されます。露光全体の間、観察者は「ガイドスター」を見つめ、十字線アイピースの中心からどのくらいずれていないかを確認します。ズレを感知すると、モニタリングコントローラーの方向ボタンを操作して、星を即座に目標位置に戻します。
撮影光学系としてメイン望遠鏡を使用する場合、追尾制御には「ガイド望遠」または単に「ガイド鏡」と呼ばれる2番目の望遠鏡が必要です。ガイド鏡はメイン望遠鏡と同じマウントに取り付けられ、それとよりまたはより少し平行に配置されます。絶対的な平行性は必要ありません。むしろ、多くのガイドアイピースは、ガイド鏡をメインチューブに固定する「Leitrohrschellen」と呼ばれる場所に取り付けられており、ガイド鏡を2つのクランプと各3つの手締めネジで挟みます。ネジの調整によって、ガイド鏡はメインチューブに対して一定の制限内で動かすことができます。この配置の目的は、いつも十分に明るいガイドスターを見つけることです。空には明るい星がすべての場所にないので。
マニュアル補正コントロールには、次のものが必要です。
• a) リード望遠鏡
画像品質は重要ではないため、低価格の望遠鏡でもリード望遠鏡として使用できます。重要なのは、焦点距離が短すぎないことです。理想的には焦点距離が撮影焦点距離の倍であるべきです。バーローレンズ（テレコンバーターに似たレンズシステム）を使用することで、リード望遠鏡の効果的な焦点距離を延ばすことができます。リード望遠鏡のアイピースアダプターは安定しており、揺れないようにする必要があります。そうでないと、必要な追尾精度が達成できません。
• b) 十字糸入りアイピース
単純なモデルは90度の角度で2本の糸を持っています。特に、ダブルクロスタイプのタイプが役立ちます。このタイプでは、リードスターが中心位置で糸の後ろに隠れないようになっています。必ず、ライトアップできることを確認してください。つまり、バッテリーによって養われる赤色LEDによってクロス糸が照らされ、暗い夜空でも見ることができます。通常、照明設備は調光可能です。
単純な十字糸入りアイピース（左）では、リードスターを覆っています。ダブルクロスタイプのアイピース（右）はこのような状況を避けます。
ダイマブル照明付き十字糸入りアイピース（赤い矢印）。内部にはボタン電池があり、星は赤いLEDで必要な電圧を供給されます。
• c) リード望遠鏡の取り付けオプション
リード望遠鏡は、可能な限りメイン望遠鏡にしっかり取り付けられる必要があります。露光中のねじれは、追尾コントロールを台無しにします。このような場合、リード望遠鏡クランプがエレガントな解決策となります。手順：まず、カメラが接続されたメイン望遠鏡を天のモチーフに合わせます。必要に応じて、アイピースアダプター内でカメラを回転させ、望んだ画像範囲を最適化します。その後、カメラに必要なすべての設定を行います。次に、フォーカスを合わせ、必要に応じて、選択した天のエリアのすぐ近くの明るい星を照らす必要があります。
フォーカスが合ったら、画像範囲を再度確認します。これは、1分ほどの露光時間での試し撮りによって、暗い天体では追尾コントロールが不要であることを確認することが容易になります。その後、リード望遠鏡をリード望遠鏡クランプにモーブします、充分明るい星が十字糸の中心にある状態になるまで。その後、アイピースをハウジング内で回転させ、2つの糸がモンチュアの動き方向（時軸と赤経軸）と完全に一致するようにします。このために、コントローラー上のモーターの運動速度を約16倍の速度に設定し、赤緯軸の周りにモンチュアを動かします。星が十字糸の中に描く糸にそってアイピースを回転させます。
リードスターがある十字糸入りアイピースを通す（左）。モンチュアの移動方向は青色の矢印で示されています。アイピースを回転させることで、移動方向と十字糸が一致するようになります（右）。
そして、運動モーターによってリードスターが十字糸の中心に移動し、モーターの速度を再度減速させます。最良は1倍または0.5倍の星速度です。その後、天体ドリフトが十字糸の中心から外れるのを見逃さぬよう、コントローラーのボタンのうちどれを押すべきかを注意深く心に留めておきます。このようにして、星ドリフトを即座に補正できます。短い練習の後、この状態が達成されるでしょう。そして、撮影が開始されます。カメラのシャッターを開いた後は、リードスターを常に観察する必要があります。
リードスターが十字糸の中心から外れた場合、すぐにコントロールの対応するボタンを押して中心に戻します。良好な追尾特性を持つモンチュアでは、補正動きがほとんど必要ない場合があります。モンチュアの精度のあまり高くない場合は、数秒間での補正が必要な場合があります。このように、マニュアル補正コントロールは集中力を高く要する作業になり、継続的な注意が必要です。
マニュアル補正コントロール用モンチュア上の4つの重要なボタン。これらにより、アイピース内の星を補正するために、星のずれを補正できます。
十字糸入りアイピースの高倍率とリード望遠鏡の長焦点距離により、撮影時に理想的な状態からわずかな逸脱が確認でき、ストリーム状の星像につながる前にそれが見られます。つまり、リードスターが十字糸の中心から少しでも逸脱してもすぐに写真が台無しになるわけではありません。それでも、見られた不正確さにはすぐに適切な補正動きをとるのが賢明です。露光後にのみ、補正コントロールを終了してください。
複数の写真を撮影する場合は、各露光の間に短い休憩を取ることができます。マニュアル補正コントロールを通じて、長時間の露光時間を達成することができますが、それは望遠鏡に長い焦点距離のカメラを接続した状態です。モーターによる追尾中のモンチュアのほぼ避けられない適度な不正確さを、マニュアル補正コントロールの技術によって補正しています。理想的な場合、写真には正確な点像の星が映し出されます。デジタル一眼レフカメラを使用する場合の最大の適切な露光時間は、カメラモデルによりますが約15〜20分です。この時間のマニュアル補正コントロールは、疲れることがあります。ですので、可能であれば、アイピース内の見やすいアングルと快適な視野高さに注意してください。多くの天体には、最大露光時間での単一撮影だけでは不十分です。その場合は複数の写真を撮影し、後で追加する必要があります（「電子ビデオノイズの管理」シリーズ第16弾を参照）。
ヒント：専門店では、リード望遠鏡の代わりにOff-Axis-Guiderと呼ばれるものが提供されています。これは、望遠鏡とカメラの間に取り付けられ、カメラの光を90度逸らす小さな鏡を含んでいます。理論的には、主望遠鏡を露光中にもリード望遠鏡として使用できますが、ほとんどの望遠鏡の画像品質は軸からかなり遠く、リードスターのクリアな画像が見られないため、これは実現しにくいです。さらに、Off-Axis-Guiderでリードスターを見つける作業は、しばしば波乱ものとなり、望む画像範囲を変更する必要がある場合がほとんどです。それでも、検索位置はしばしば快適であり、時には歪める必要があります。このような体勢では、マニュアル追跡コントロールは肉体的な苦痛となります。
したがって、Off-Axis-Guiderの取得と使用はお勧めしません。
2.自動追尾制御
細かく見ると、手動の追尾制御はかなり単調な作業です。その結果、この作業を技術機器で自動化できるはずだという確信が早くも芽生えます。良いニュースは、専用のデジタルカメラである「オートガイダー」として機能する特別なカメラを使用するということです。悪いニュースは、オートガイディング分野にはプラグアンドプレイソリューションが存在しないことです。つまり、接続してケーブルを接続するだけでは、オートガイダーに期待通りの動作をさせるには十分ではないということです。
オートガイディングでは、ガイドスコープの十字糸眼ピースを追尾カメラ（オートガイダー）で置き換えます。
最初の段階では、まだ天体写真が撮影される段階ではなく、オートガイダーを使用した赤道儀を動かすことが必要です。経験のない場合、数時間または夜間を要することもあるでしょう。技術的には、オートガイディングは次のように機能します。オートガイダーとして使用されるのは、特殊なデジタルカメラまたはビデオカメラ、またはWebカメラです。これらのカメラのセンサーは通常非常に小さく、ピクセル数は低いです。オートガイダーのセンサーには、ポジションがソフトウェアによって特定される星が投影されます。オートガイダーのセンサーは短い間隔で読み取られ、星の位置が再び測定されます。
ガイド星が元の位置からずれた場合、ソフトウェアは赤道儀のモーターを駆動して逆動作を行い、星を望ましい位置に戻すことができます。これには、オートガイドや制御コンピュータを赤道儀の制御に接続するためのケーブルが必要です。赤道儀の制御は、オートガイダーインターフェイス、つまり接続ポイントを持っている必要があります。
配線の例（概略図）。DSLRはPCにUSBケーブル（濃い赤色、2）で接続されています。オートガイダーはコンピュータの別のUSBポート（青、3）を使用して画像を転送します。ガイダーソフトウェアが赤道儀の補正運動を実行できるようにするためには、もう1本のケーブル（赤、1）が必要です。この場合、シリアル接続（COM1）が使用されており、現代のノートパソコンにはシリアルポートがほとんど含まれていないため、USB -シリアルアダプターが必要です。使用する赤道儀やオートガイダーによって、この配線は異なる場合があります。
理論上はかなり単純に思えるが、実際は非常に難しい任務であることがわかる。オートガイダーのインターフェイスは標準化されておらず、適切なケーブルが存在することを確認する必要があることから始まります。また、ピン配列も固定されておらず、ほぼ標準とされるのは、例えば「SBIG ST-4」と互換性があるオートガイダー「ST-4互換オートガイダーインターフェース」と表記されています。
赤道儀制御のオートガイダーインターフェイス（右）と適切なオートガイダーケーブル（左）。
この制御装置（左）は、オートガイダー接続用の全く異なるコネクタを持っているため、異なるケーブル（右）が必要です：
コンピューターと接続しなくても動作できる「スタンドアローンオートガイダー」は、ほとんど入手できなくなっています。ほとんどの場合、操作にはコンピューター（野外での操作にはラップトップ）が必要です。操作手順は以下の通りです：
a) ガイドスコープでガイド星を見つけ、クロスヘアアイピースを使用して視野の中央にもってくる。
b) クロスヘアアイピースの代わりにオートガイダーを取り付ける。
ここでは、Meadeの「Lunar-Planetary-Imager」がオートガイダーとして使用されています。ガイドスコープの焦点距離を延長するために、5倍の増倍器バーローレンズが使用されています。
c) ラップトップ上のオートガイダーソフトウェアでガイド星の焦点を合わせる。
d) 赤道儀制御で低速モータースピードを選択する（例：星速度の1倍）。
e) ガイド星を画面の中央付近に配置する。
f) 進行ソフトウェアの「校正ルーチン」を開始し、赤道儀のモーターをすべての方向に動かし、ガイド星の動きを特定し、赤道儀がガイド星を望ましい方向に動かす方法を「学習」します。
ガイドソフトウェア「MaxIm DSLR」（http://www.cyanogen.com）の画面表示中のキャリブレーションルーチン。開始前に、緑の左矢印で示されている位置に星がありました。キャリブレーション中、赤道儀の2軸はそれぞれ一方向にモーターで動かされ、その後再び戻されます。その後、星は再びほぼ元の位置に戻ります（右側の緑色の矢印）。ギヤスペースが原因で正確な元の位置に戻らないのは、このようなケースです。キャリブレーション後、ソフトウェアは、ガイド星を望ましい方向に動かすために必要な動きを知っています。
g) オートガイディング機能の開始：すべての手順が正しく実行された場合、オートガイダーは選択した露光時間に応じて、次々に画像を迅速に撮影します。最適な露光時間は2～5秒の間であり、主にガイド星の明るさに応じます。
ガイド星が飽和しないように、オーバー露出を避けるためには、露光されている画像の中でガイドスターの位置がセンサーの露光を一杯にするのを防ぐ必要があります。一方で、ガイド星がソフトウェアによって正確に特定されるためには、画像には十分な明確さが必要です。
露光時間が短すぎると、大気の乱流によってガイド星が外れ、ガイダーがその「ぴくぴく動き」に追従しようとします。露光時間が長すぎると、突然の赤道儀の不正確性に迅速に対応できなくなります。
ソフトウェアは、各露光後にサブピクセルの精度でガイド星の位置を特定し、目標位置からの最小のずれに反応することができます。そのため、オートガイディングには焦点距離の短いガイドスコープが十分です。ガイドスコープの焦点距離が主望遠鏡の半分であれば、オートガイダーの効果的な動作には十分です。
ソフトウェアはガイド星のドリフトを検出すると、モントリングのドライブモーターを逆方向に制御して不正確さを補正します。ガイド機能を開始した後、システムが安定した状態になるまで約1分間待つべきです。
表示を観察し、誘導星のズレを数字列またはグラフとして示すことができます。ズレが予想される範囲内に収まっている場合、露出を開始できます。
MaxImソフトウェアの画面表示中のガイディング中。右上には撮影された誘導星の現像画像とクロスヘアが表示されています。下部にはグラフが、誘導星のSollポジションからのズレを両軸で示しています。
チュートリアルの範囲内で、オートガイドカメラの使用に関するステップバイステップのより詳細なガイドは提供できません。なぜなら、使用されるオートガイドカメラによって、手順の詳細が部分的に大きく異なる場合があるためです。そのため、各カメラモデルの取扱説明書を参照する必要があります。
それでも、成功裏のオートガイディングのためのいくつかの一般的なヒント：
a) 多くのオートガイダーは、Montierungsachsenの動きとピクセル行列および列と一致するように取り付けられている場合、機能します。
b) 上記のリストのf)に記載されているキャリブレーションポイントは、望遠鏡を別の天空地域に向けたときには、再度実行する必要があります。
c) 多くの場合、ソフトウェア内で、キャリブレーションプロセス中にオートガイダーが軸をいくつの秒間動かすかを指定する必要があります。この時間間隔は、星がセンサー領域を出ないようにするために適切に設定される必要があります。また、Montierungの歯車の隙間が大きな影響を与えないように、星の位置に十分な変化が生じる必要があります。理想的には、キャリブレーション手順によって、誘導星がセンサーの中心から端に移動するようになります。
MaxImの「Calibration Time」フィールドでは、キャリブレーションルーチン中にソフトウェアがMontierungのモーターを稼働させる秒数が指定されます。
d) 多くのオートガイダーの制御ソフトウェアには、ガイディングを最適化するための多くのパラメータが含まれています。重要な点の1つは「アグレッシブネス」です。これは、誘導星のドリフトが検出された場合、次のステップですぐに元の位置に戻すべきか、ソフトウェアが徐々に目標値に近づこうとするべきかを定めます。アグレッシブネスが高すぎると、システムがブレて誘導星が常に目標値の周りを振動する可能性があります。逆に、アグレッシブネスが低すぎると、1方向への持続的なドリフトをほとんど補償できません。つまり、使用されるMontierungの特性やレンズの焦点距離に依存する実地経験によって、ミドルウェアを見つける必要があります。
MaxImのガイディングモジュールで「アグレッシブネス」を設定する。値「8」は、誘導星のズレが次のステップで80%補正されることを意味します。100%の補正はシステムのブレを引き起こすことがよくあります。
どのカメラがオートガイダーとして適していますか？
コンピュータを介さずに使用できる独立型オートガイダーをお探しの方には、新しいデバイスには基本的に1つの選択肢しかありません: Baader LVI-SmartGuider、http://www.baader-planetarium.de/sektion/s21/s21.htm。
「LVI SmartGuider」は、PC /ラップトップなしで動作する独立型ガイダーです。
注意すべきは、これが新しく発表された製品であり、実践的な経験がまだ不足しているということです。このデバイスについて今の時点でお勧めすることも避けることもできません。
次のオートガイダーは、コンピュータを必要とします：
Alccd ALccd 5 Autoguider http://www.astrolumina.de
Imaging Source: DMK 21AU04.AS u.a. Modelle、ビデオモジュール http://www.astronomycameras.com。
ImagingSourceのDMKビデオカメラ。Astrofotografen向けのパッケージには、望遠鏡に接続するためのアダプターが含まれていますが、オートガイダーとしてカメラを使用するためのソフトウェアは含まれていません。
SBIG ST-402ME: CCDカメラ http://www.sbig.de
Meade DSI 2ディープスカイカメラ、
CCDカメラ、さまざまなモデル http://www.meade.de
Meadeの「Deep Sky Imager PRO II」は、惑星の画像撮影用のCCDカメラで、一眼レフカメラと比較してセンサーが小さいです。オートガイダーとして使用したい場合、必要なソフトウェアが同梱されています。
これらのカメラモデルを調達する前に、オートガイダーとして使用するために追加で必要なケーブルや特にどのソフトウェアが必要かを明確にする必要があります。これらのカメラの利点は、オートガイダーや惑星の写真撮影において優れた役立つことができるという点です。
独立型オートガイダーのクラシックモデルには、SBIG ST-4およびSBIG ST-Vがありますが、残念ながらこれらのモデルはもはや生産されていません。中古品として買うことをお勧めします！
中古品としてのみ入手可能: SBIG ST-4は、独立型オートガイダーの中でも古くからの優れた機動力を持つ製品です。スタンドアロンでのユーザーインターフェースは非常に馴染みにくいですが、信頼できる機器です。
例の画像
ヘラクレス座に位置する球状星団「メシエ13番」をCanon EOS 450Dのセンサーに収めるには、焦点距離が6メートル必要でした。ISO 400で10分間露出しました。ガイドは導入望遠鏡とSBIG ST-4オートガイダーカメラによって行われました。
このオリオン星雲の写真は、アストロ撮影用に改造されたCanon EOS 400Dで撮影されました。総露光時間はISO 800で1時間半でした。焦点距離は600ミリメートルで、絞りは1：6.0でした。導入望遠鏡の代わりに、300ミリメートルの写真用レンズが使用され、SBIG ST-4オートガイダーカメラが接続されました。
このアンドロメダ銀河の写真も、改造されたEOS 400Dで撮影されました。撮影光学系は60ミリメートルの口径と350ミリメートルの焦点距離のレンズ望遠鏡でした。ISO 400で1時間40分露出しました。オートガイダーが無いため、 十分な手動追尾制御が交差ヘケレていました。
