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低照度ウェブカメラで星野写真を試してみる

USB接続のカメラの中には感度の高いものもあると知ったので、天体写真用に使えないか調べてみることにしました。
観賞用の写真は撮れないでしょうけれども、明るい変光星などを自動的に撮影してデータを収集したりする用途に使いたいと思っています。

使用するカメラ

ドライブレコーダーや防犯 カメラ 楽天 に使用する感度の高いセンサーを内蔵した工業用の低照度USBカメラを選びました。
センサーはソニーのIMX322というものです。
すでにこのカメラを使って天体写真を撮影されている方がいて、ブログを読むと、10等星ぐらいまでは写るみたいです。
カメラ本体は中国製です。Amazonで取り寄せました。
天体撮影USBカメラ


レンズ

カメラについているレンズは小さいので、中古のフィルムカメラ用のレンズを購入しました。とりあえず50mmF1.4の標準レンズです。
標準レンズは大量に生産されたので、中古で安く出回っています。
センサーのサイズはフィルムに比べてとても小さいので、標準レンズを取り付けても望遠になってしまいます。
そのままではレンズとカメラが接続できないので、アダプターも購入します。
レンズ側はM42という規格、カメラ側はCマウントという規格です。この二つをつなげるアダプターを購入しました。

操作するソフトウェア

単純に画像を得るだけであれば、Windowsパソコンにつなげるだけで良いのですが、いろいろ設定が必要なので、Java言語を使ってプログラムを組みました。

とりあえず試写

部屋の明かりを消して撮影するとこんな感じになります。真っ暗なのは普通の UBSカメラ 楽天 で撮影したもの。大体同じ位置を高感度カメラで撮影すると画質は粗いですが、かなり明るく写りました。
高感度カメラで撮影 暗闇を撮影

カメラの露出時間は最大の0.5秒、ゲインを最大に設定しました。

次に夜空に向けて撮影してみました。
薄曇りでしたが、肉眼では明るい星がひとつ見えていました。撮影してみると、同じようにひとつだけ星が写りました。
そのままでは真っ黒なので、ソフトウェアでコントラストを上げてみると...やっぱり星はひとつしか写っていません。
夜空の撮影 夜空の撮影ゲインを上げる

露出時間が0.5秒なのと、カメラに標準で付いている小さなレンズを使っているので写りが良くないのではと思います。
何枚も画像をソフトウェア的に重ね合わせることで、暗い星も写ってくると思われます。
レンズも大きな明るいものに交換すれば良い結果が得られるでしょう。とりあえずの試写はこんなところ。

画像を足して高感度にする

星をたくさん写すにはいくつか方法があります。
 1高感度のセンサーを用いる
 2シャッタースピードを遅くして光をたくさん集める
 3レンズを大きくして光をたくさん集める

1は実施したので次に2をやってみます。
このUSBカメラのシャッタースピードは一番長くても0.5秒です。普通のUSBカメラに比べたらずっと遅いのですが、もっとたくさん光を集めたいです。
単純に何回も撮影して画像データを重ね合わせ、電子的に光をたくさん集めるようにします。
USBカメラで天体撮影

センサーから得られるデータは0から255までの数字になります。0は光が全くない、255は光で容量一杯あるいは溢れ出ている状況です。
デジタルなので数値はの差は階段状になっています。0と1の間には何もありません。なので弱い光0と1の間になる光は拾うことができません。
またノイズもあるので、自ずと検知できる光の強さは決まってきます。
1回の撮影露光時間0.5秒と100回撮影して50秒分足し合わせたデータを並べてみました。
IMX3220.5秒天体写真 IMX32250秒天体写真

暗い星がたくさん写るようになりました(目を凝らすとたくさん写ってます)。 プログラムを修正したらもう少しはっきり写ると思います。
50秒間の間に地球の自転で星が少し動いてしまっています。星が動くのでたくさん重ね合わせても結局ずれてしまい限界があります。
フィルムカメラであれば赤道儀に乗せて星を追いかけてカメラを動かすのですが、デジカメであれば、星の動きを計算して重ね合わせるピクセルの位置を変えていくこともできるでしょう。いずれこの方法も試してみたいと思っています。

大きなレンズで光をたくさん集める

USBカメラに付属しているレンズは小さいものです。小さいから性能が悪いというわけではなくて、明るいところで撮影するには十分な性能のものです。
焦点距離5mmから50mmF1.4のものなのですが、光をたくさん集めるには物足りません。

そこでフィルムカメラ用のレンズを中古で購入しました。焦点距離50mmf1.4標準レンズと呼ばれているものです。
USBカメラ用のレンズの有効直径は5÷1.4=3mm程度、50mmF1.4であれば30ミリぐらいになります。面積比では100倍になるので、光も100倍集められるはずです。

レンズの接続

USBカメラにフィルムレンズ取り付け

レンズの接続部とカメラの接続部は異なっているのでアダプターを介して取り付ける必要があります。
レンズ側M42ネジが切ってあります、USBカメラ側はCSマウントという規格のネジが切ってあります。
そこでM42をCマウントに変換するアダプターを購入しました。CマウントとCSマウントの違いは、接続面からセンサーまでの距離です。

CSマウントの方がいいマウントの方が距離が短いので、CSマウントCマウントに接続する延長アダプタもつけます。
実際につけてみたところ、レンズのネジピッチとアダプターのピッチが若干違うのか、最後までねじ込めませんでした。
仕方がないのでCSマウントの延長アダプタを外して無限大にピントを合わせることにしました。

このレンズで0.5秒露出かける100回の撮影をしたのが下の画像です。
WEBカメラで星野写真

星はたくさん写りましたが、ピントが甘いですね、ずれていることもあるのですが、50mmレンズの像が甘いのもあるようです。
前回の焦点距離5mmでの撮影では、星がほぼ10で写っていましたが、50mmでは地球の自転の影響でブレてしまっています。

ソフトウエアの改良

画像の一部をを拡大して見えるようにして、ピントを合わせいようにしました。
付けているレンズが50㎜の望遠(センサーが小さいから)で、ピントを合わせようとすると揺れてしまいます。また、F1.4と明るいので、ピント位置がほんの少しずれただけでも星がぼやけてしまいます。
明るい場所で遠くのものを使ってピントを合わせましたが、星に向けるとぼやけています。暗くて探しにくいのですが、結局星を見てピント合わせをしました。

ファイルはpng形式の画像ファイルをやめ、天体用の画像フォーマットである、Fits形式で保存することにしました。0.5秒露出複数回撮影した画像を、1つのFitsファイルに収めます。
こんな感じでだいぶくらい星まで写るようになりました。
下は0.5秒露出無処理のものです。あまり写っていません。
天体写真処理前

下は0.5秒露出画像を10枚重ねた上でレベル補正をしたのが下の画像です。たくさんの星が見えてきましたね。
期待していたよりたくさん写って嬉しいです。
天体写真処理後

何等星まで写っているか確かめたくて、星図でどの星を写したのか探してみましたが、見つかりませんでした。次回は明るい基準となる星を入れて撮影し、限界等級を確認してみたいです。
次回の撮影はこの部分を改良してから行おうと思っています。

今後の予定

今回は10枚連続撮影(合計5秒)しましたが、100枚くらい(50秒)は撮影してコンポジットした方がよりたくさん星が写るかなと思います。
10枚にしたのは、Fitsファイルの保存に時間がかかるためです。プログラムを工夫すればこの点は直せると思うので、対策を考えています。
たくさん重ねると星が流れて写ってしまいます。これもソフトウエアで固定できるようにしようと思っています。
カメラを固定したUSBカメラでもある程度くらい星が撮影できることが確認出来たら、自動撮影システムの構築をしたいと考えています。
明るい変光星を定期的に撮影して変更の様子を動画にしたり、小惑星などの動きを動画化する用途に使えそうです。

最終更新日: 2020-08-16 10:52:53

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Author: Tomoyuki Ito

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