目 次 1. 概 要 2. 理 論 2-1. 撮 影 の 原 理 2-2. 明 るさを 決 める 設 定 2-3. 撮 像 素 子 3. 実 験 方 法 3-1. 使 用 機 材 3-2. 実 験 手 順 3-2-1. 撮 影 時 の 設 定 3-2-2. 画 像 処 理 3-2-3. 測 光 3-

CMOS イメージセンサー のISO 感 度 特 性 11s1-072 鷲 尾 圭 介 1

目 次 1. 概 要 2. 理 論 2-1. 撮 影 の 原 理 2-2. 明 るさを 決 める 設 定 2-3. 撮 像 素 子 3. 実 験 方 法 3-1. 使 用 機 材 3-2. 実 験 手 順 3-2-1. 撮 影 時 の 設 定 3-2-2. 画 像 処 理 3-2-3. 測 光 3-3. 目 標 天 体 4. 実 験 結 果 5. 考 察 6. 参 考 文 献 7. 謝 辞 2

1, 概 要 近 年 では 天 体 写 真 の 撮 影 にデジタル 一 眼 レフカメラが 用 いられるようになった その 撮 像 素 子 には CMOS と 呼 ばれるイメージセンサーが 使 われているが このイメージセンサ ーには 受 光 して 発 生 する 電 気 信 号 を 増 幅 させるトランジスタが 搭 載 されており この 増 幅 させる 量 の 目 安 となる ISO 感 度 という 数 値 がある この 数 値 が 2 倍 になると 単 純 に 増 幅 さ れる 信 号 も 2 倍 になるということだ つまりカメラの 露 出 時 間 を 2 倍 にして 受 光 量 を 2 倍 にした 時 と 同 じ 効 果 が 期 待 できるが これはメーカー 純 正 の 現 像 処 理 (カラー 画 像 化 )を 行 っ た 場 合 において 同 じ 階 調 に 匹 敵 するということだけであって RAW 画 像 上 における 階 調 値 が 同 じになるかどうかは 保 証 されていない このことはカメラメーカーに 問 い 合 わせても 企 業 秘 密 なので 教 えてくれない よって 今 回 私 は 一 定 の 光 源 を 露 出 時 間 ISO 感 度 を 変 えながら 撮 影 し 本 当 に 理 論 通 りの 結 果 が 得 ら れるかどうか 検 証 してみた 検 証 方 法 は まず 実 際 に 天 体 写 真 をデジタル 一 眼 レフカメラで RAW ファイルにて 撮 影 をし てみる そして 天 体 画 像 処 理 ソフトにて 撮 影 した 天 体 の 明 るさを 測 る これによって 撮 影 時 の 設 定 に 応 じて 明 るさが 変 化 していれば CMOS イメージセンサーは 前 述 した 理 論 通 り の 特 性 を 持 っていると 言 えるだろう 検 証 の 結 果 理 論 通 りカウント 値 は 露 出 時 間 に 比 例 することが 分 かった 一 方 で 露 出 時 間 を 同 じにし ISO 感 度 を 変 えて 撮 影 した 場 合 にはカウント 値 は 理 論 よりやや 低 くなること が 判 明 した 3

2, 理 論 2-1. 撮 影 の 原 理 図 1 デジタル 一 眼 レフカメラの 原 理 引 用 : Aperture,デジタル 写 真 の 基 礎 デジタル 一 眼 レフカメラの 撮 像 素 子 前 面 には レフレックスミラーと 呼 ばれる 鏡 がある 撮 影 前 にレンズから 入 射 した 光 をファインダーを 覗 き 確 認 をすることができる 撮 影 時 に はシャッターボタンを 押 すことによりこの 鏡 が 跳 ね 上 がり( 図 1 左 下 参 照 ) 直 接 撮 像 素 子 に 光 を 当 てることにより 電 気 信 号 を 発 生 させ アナログデジタル 変 換 回 路 によってデジタル データ 化 される 4

2-2. 明 るさを 変 える 設 定 シャッター 速 度 露 出 時 間 を 変 える 設 定 シャッター 速 度 を 早 くすることによりブレのないピタリと 止 まった 写 真 を 撮 ることができるが 集 光 量 が 少 なくなるため 全 体 的 に 暗 い 写 真 となる 絞 り 値 レンズ 内 にある 羽 の 閉 まり 具 合 を 表 す 設 定 数 値 が 大 きいほど 羽 が 閉 まり 入 射 する 光 の 量 が 減 るが ピントが 合 う 範 囲 ( 被 写 界 深 度 )が 広 がるという 利 点 がある ISO 感 度 国 際 標 準 化 機 構 (ISO)が 定 めた フィルムの 感 度 の 良 さを 表 す 数 値 として 使 用 されてい た 数 値 で 現 在 ではデジタルカメラにも 用 いられている 数 値 を 倍 にすると 得 られる 信 号 量 も 倍 になる 一 般 的 なデジタル 一 眼 レフカメラでは 100 から 12800 あたりまで 設 定 でき 高 級 機 になれば 25600 以 上 もの 数 値 に 設 定 することもできる ただし ISO 感 度 を 上 げすぎることによって 撮 像 素 子 そのものが 発 生 させる 熱 により 電 気 信 号 を 発 生 させてしまう 暗 電 流 ノイズ が 信 号 と 一 緒 に 大 きく 増 幅 されるよう になり 画 質 の 劣 化 が 起 こる このノイズの 影 響 を 受 け 始 める ISO 感 度 は 400 以 上 か らと 言 われている シャッター 速 度 と ISO 感 度 それぞれの 原 理 より 露 出 時 間 と ISO 感 度 の 積 を 同 じ 値 に すると 同 じ 被 写 体 において 同 じ 明 るさの 画 像 を 手 に 入 れることが 期 待 できる ( 例 えば 露 出 時 間 を 短 くして ISO 感 度 を 相 応 に 長 くすれば 動 きの 速 い 被 写 体 を 必 要 な 明 るさでブレることなく 撮 影 することができる ) 5

2-3. 撮 像 素 子 CMOS イメージセンサーはマイクロレンズ カラーフィルター フォトダイオード 増 幅 トランジスタから 構 成 される カラーフィルターは 人 間 の 目 で 色 を 感 じる 錐 体 細 胞 と 同 様 に 緑 を 通 すフィルターが 赤 と 青 に 比 べて 多 くなっており ベイヤー 配 列 と 呼 ばれる 並 び 方 で 規 則 正 しく 並 んでいる フォトダイオードに 光 子 が 当 たることにより 電 気 信 号 が 発 生 し 指 定 された ISO 感 度 に 従 い 増 幅 トランジスタで 信 号 が 増 幅 され その 後 アナログデジタル 変 換 回 路 によりデジ タルデータ 化 される また デジタル 一 眼 レフカメラのイメージセンサーには 機 種 によって 異 なったサイズが 使 用 されている 入 門 機 から 中 級 機 には APS-C と 呼 ばれる 撮 像 素 子 が 使 われ 大 きさは 約 23.5 mm 16 mm である プロ 仕 様 の 機 種 には 36 mm 24 mmの 大 きさの 撮 像 素 子 が 使 用 されており 一 般 的 にフルサ イズと 呼 ばれている 図 2 CMOS イメージセンサーのイメージ 図 引 用 : Aperture,デジタル 写 真 の 基 礎 6

3. 実 験 方 法 3-1. 使 用 機 材 今 回 の 検 証 には 明 星 大 学 天 文 台 にある Canon EOS 5D Mark Ⅱを 使 用 した 撮 像 素 子 のサイズ:36 mm 24 mm 画 素 数 : 約 2110 万 画 素 SS:1/8000~30 秒 連 続 撮 影 速 度 :3,9 コマ/ 秒 ISO 感 度 :50~25600 図 3 明 星 大 学 天 文 台 のデジタル 一 眼 レフカメラ また 今 回 は 光 源 を 天 体 に 設 定 するので 明 星 大 学 天 文 台 にて 望 遠 鏡 を 使 用 した リッチークレチアン 式 40cm 望 遠 鏡 口 径 :40cm 焦 点 距 離 :2800cm 口 径 比 :F7 集 光 力 :3265 倍 実 施 極 限 等 級 :17.78 等 級 有 効 最 高 倍 率 :800 倍 7

3-2. 実 験 手 順 3-2-1. 撮 影 時 の 設 定 今 回 の 実 験 は 近 年 天 体 写 真 の 撮 影 に 用 いられるようになったデジタル 一 眼 レフカメラ それの 持 つ 撮 像 素 子 の 性 能 について 評 価 する 実 験 なので 撮 影 する 写 真 は 天 体 写 真 とする 続 いてカメラ 側 での 設 定 だが 今 回 の 実 験 で 計 算 のしやすい 数 字 を 用 いることにした 用 いる 設 定 を 以 下 の 表 に 示 す ISO 感 度 シャッター 速 度 100 2.5s 200 5.0s 400 10.0s 800 20.0s 1600 3200 6400 図 4 撮 影 時 の 設 定 各 シャッター 速 度 で 各 ISO 感 度 に 設 定 し 撮 影 シャッター 速 度 ごとに ISO 感 度 の 特 性 が 現 れているか 確 認 するため 撮 影 した 天 体 を 測 光 表 示 されたカウント 値 をグラフにプロ ットすることにより ISO 感 度 の 線 型 性 を 確 かめるという 方 法 だ 非 常 にシンプルな 方 法 ではあるがこの 実 験 により ISO 感 度 の 理 論 に 忠 実 な 線 型 性 が 確 認 できれば 今 後 の 天 体 撮 影 に 用 いるデジタル 一 眼 レフカメラへの 信 頼 性 の 裏 付 けとなるだろう (カウント 値 とは 天 体 画 像 処 理 ソフトで 測 光 する 際 に 天 体 の 明 るさを 表 す 数 値 である) 尚 今 回 の 撮 影 は 2016 年 1 月 28 日 午 後 10 時 00 分 ~11 時 00 分 に 撮 影 を 行 った 天 気 は 快 晴 途 中 で 薄 い 雲 や 飛 行 機 などが 写 り 込 まないよう 撮 影 時 には 細 心 の 注 意 を 払 った 8

3-2-2. 画 像 処 理 次 に 測 光 を 行 う 前 にダーク 補 正 という 作 業 を 行 う ダーク 補 正 とは 撮 像 素 子 に 一 切 光 が 入 らない 状 態 (ダーク)で 撮 影 を 行 い その 撮 影 によ って 生 じる 暗 電 流 ノイズによる 天 体 とは 全 く 関 係 のない 明 るさを 天 体 写 真 から 引 き 算 す ることによって 天 体 そのものの 明 るさをノイズに 邪 魔 されることなく 測 光 できるように する 作 業 だ ノイズの 出 方 はカメラごとの 個 性 でもあり 周 りの 温 度 にも 左 右 されるも のなので 撮 影 をするごとに 同 じカメラでダークでの 撮 影 をする 必 要 がある 今 回 このダーク 補 正 を 行 うに 当 たって 天 体 画 像 処 理 ソフト ステライメージ7を 使 用 し た このソフトを 用 いる 主 な 理 由 としては 通 常 天 体 画 像 処 理 を 行 う 場 合 は FITS と 呼 ば れるファイルに 変 換 する 必 要 があり 天 体 画 像 処 理 ソフト 側 でこの FITS ファイルしか 読 み 込 めない 場 合 がある ステライメージ7ではデジタル 一 眼 レフカメラで 現 像 処 理 をす る 前 の 段 階 RAW ファイルで 撮 影 をするのだが この RAW ファイルも 読 み 込 むことが 可 能 なのである まずは より 正 確 な 引 き 算 ができるようダーク 画 像 の 合 成 をおこなう 今 回 は 各 設 定 に おいて 10 枚 ずつダーク 画 像 の 撮 影 を 行 った 続 いて 以 下 の 図 のように 実 際 に 撮 影 した 天 体 写 真 を 合 成 したダーク 画 像 により 補 正 を 行 う この 過 程 で 自 動 的 に FITS ファイルへの 変 換 も 行 うことができる 図 5 ステライメージ7の 操 作 画 面 ん 9

3-2-3. 測 光 測 光 については 簡 単 な 操 作 性 からフリーの 天 体 画 像 解 析 ソフト マカリ を 用 いた 測 光 ボタンを 押 すと 開 口 測 光 と 矩 形 測 光 の 二 種 類 の 測 光 方 法 が 提 示 されるが 今 回 は 開 口 測 光 で 測 光 した 開 口 測 光 とは 画 像 上 で 指 定 した 半 径 内 のカウント 値 を 積 算 してから 背 景 光 を 減 算 する 測 光 方 法 である 暗 い 設 定 と 明 るい 設 定 では 画 像 上 で 嫌 でも 星 の 大 きさの 違 いが 現 れてしまうので マカリ が 測 定 した 画 像 上 での 星 のピクセル 数 (マス 目 の 数 )で 総 カウント 値 を 割 り 1 ピクセルごと の 平 均 カウント 値 を 算 出 し それを 最 終 的 なデータとして 用 いることにした 図 6はシャッター 速 度 2.5 ISO 感 度 100 で 撮 影 した 写 真 の 測 光 している 画 面 である 図 6 マカリの 操 作 画 面 10

3-3. 目 標 天 体 今 回 はこいぬ 座 β 星 (ゴメイサ)を 目 標 天 体 とした 実 験 当 初 はα 星 のプロキオンにて 検 証 を 進 めていたのだが 明 るすぎてマカリが 正 確 なカ ウント 値 を 算 出 できなくなってしまったので 今 回 の 実 験 には 適 さないと 判 断 した そこで プロキオンを 撮 影 した 際 に 写 り 込 んでいたβ 星 のゴメイサについて 調 べてみると 特 に 変 光 星 との 文 献 も 見 当 たらなかったので こちらの 天 体 で 測 光 することにした 図 7 こいぬ 座 の 二 つの 星 11

4. 実 験 結 果 以 下 に 実 験 により 算 出 されたカウント 値 を 表 とグラフにて 表 す グラフにある 理 論 値 とは シャッター 速 度 2.5 秒 ISO 感 度 100 での 結 果 を 基 準 に 露 出 時 間 又 は ISO 感 度 を 倍 にすれば 明 るさも 倍 になるという 理 論 に 基 づいた 数 値 である 2.5s ISO シャッター 速 度 2.5 5 10 20 100 92.68 160.41 298.75 616.38 200 163.96 295.28 583.39 1318.46 400 320.15 621.55 1264.74 2893.95 800 645.95 1185.06 2561.25 5886.9 1600 1308.9 2412.03 5109.28 10571.43 3200 2686.6 4756.84 10059.36 21171.23 6400 4774.07 8876.56 19615.22 39526.56 色 が 同 じマスは 理 論 上 同 じ 数 値 が 期 待 できるマス( 白 を 除 く) 図 8 実 験 結 果 ( 表 ) 12

図 9 実 験 結 果 1(グラフ) 13

図 10 実 験 結 果 2( 理 論 値 との 比 較 ) 14

図 11 実 験 結 果 3( 理 論 値 との 比 較 ) 15

5. 考 察 図 8より 理 論 上 同 じになりえる 設 定 同 士 では 各 々ばらつきはあるものの 概 ね 期 待 通 りの 数 値 が 得 られた 箇 所 がある また 表 は 理 論 上 右 または 下 に 1 マス 移 動 すると 数 値 が 倍 になる 関 係 性 があるが どの 様 に 移 動 してもおよそ 1.7~2.3 倍 程 度 の 数 値 が 得 られてい る 図 10 図 11より ISO 感 度 とシャッター 速 度 を 上 げるにつれ 理 論 値 との 誤 差 が 徐 々 に 大 きくなっていることが 分 かる 実 測 値 を 理 論 値 で 割 り 誤 差 率 を 求 めたところ ISO 感 度 1600 では 平 均 約 0.88 倍 ISO 感 度 3200 では 平 均 約 0.86 倍 ISO 感 度 6400 では 平 均 約 0.80 倍 となった どの 感 度 においても 一 定 の 誤 差 率 が 算 出 できたので ISO 感 度 を 上 げ るにつれ 増 幅 される 信 号 量 の 誤 差 が 生 まれるという 結 果 もまた CMOS イメージセンサー の 特 性 の 一 つであると 考 えられる ただし 今 回 の 実 験 は 撮 影 回 数 の 少 なさが 指 摘 できる 撮 影 回 数 を 多 くこなすことにより 今 回 の 実 験 より 更 に 正 確 な 結 果 が 出 せるであろう また 明 星 大 学 天 文 台 には 他 にも Canon EOS 1D-s という 別 のデジタル 一 眼 レフカメラも 所 有 している このカメラについても 同 じような 結 果 が 得 られれば 今 回 の Canon EOS 5D Mark Ⅱのみならず Canon 開 発 のフルサイズの 撮 像 素 子 を 搭 載 したデジタル 一 眼 レフカ メラにおいて 撮 像 素 子 の 性 能 の 保 証 をすることができるだろう 16

7. 参 考 文 献 Aperture,デジタル 写 真 の 基 礎 AppleComputer,Inc CCD/CMOS カメラの 原 理 と 実 践 オーム 社 安 藤 幸 司 ( 著 ) Canon ホームページ(http://canon.jp/) すばる 天 体 画 像 解 析 ソフト マカリ https://makalii.mtk.nao.ac.jp/index.html.ja 17

7. 謝 辞 本 研 究 において 親 身 に 指 導 してくださった 小 野 寺 先 生 井 上 先 生 日 々 野 先 生 をはじめと する 天 文 学 研 究 室 の 皆 様 に 深 くお 礼 申 し 上 げます 18