冷却CCDカメラとは

冷却CCDカメラは、CCDセンサーを冷却することで、ノイズの発生を抑制したデジタルカメラです。

デジタル天体写真黎明期は、デジタル天体撮影といえば冷却CCDカメラが主流でしたが、 性能向上が著しいデジタル一眼レフカメラのため、影が薄くなりつつあります。

しかし、冷却CCDカメラのアドバンテージは未だにあり、センサーを冷却することによる低ノイズ、 ダイナミックレンジの広さや１６ビットの階調等、デジタルカメラにはない魅力があります。

このページでは、これから冷却CCDカメラを購入して、天体写真撮影を始めようとしている方向けに、 購入前に知っておきたい点などをまとめています。 なお、記事の内容は、SBIG社のST-2000XM冷却CCDカメラが中心ですが、一部、他社製のカメラについても言及しています。

冷却CCDカメラについて

デジタルカメラの撮像素子に用いられているCCDは、長時間露光すると暗電流の影響で画像にノイズが発生しますが、 センサーを冷却することでノイズの発生を抑えることができます。 この特性を利用したのが冷却CCDカメラで、長時間露光が必要な天体撮影用として、天文台で広く用いられています。

冷却CCDカメラが発明された当初は、特殊で非常に高価なデジタルカメラだっため、 一般市場では販売されず、天文台でのみ利用されていました。 一般天文ファンが初めて冷却CCDカメラを購入できるようになったのは、1990年にSBIG社が「ST-4」という冷却CCDカメラを量産開始してからです。

SBIG ST-4の画素数は3万画素程度しかなく、どちらかというとオートガイダーとして製造された機器でしたが、 天体写真ファンにとっては、センセーショナルな出来事でした。 その後、1992年に天体の撮影を主目的にした「SBIG ST-6」が登場し、デジタル天体写真の幕があけました。 現在では、35ミリフルサイズよりも大面積のセンサーが用いられた冷却CCDカメラも登場し、ユーザーの目的に合った機種を選べるようになっています。

冷却CCDカメラの外観

下の写真は、中判銀塩カメラのペンタックス67と、SBIG製の冷却CCDカメラ、ST2000XMを並べた様子です。 このSBIG製ST2000XMの撮像素子には、 約200万画素のモノクロCCDセンサーが使用されており、カラーセンサーが用いられたデジタル一眼レフカメラ「ニコンD70」などよりも、 高い解像力を発揮します。

冷却CCDカメラST2000XMを初めて手に取った時は、カメラ本体が想像よりも大きく驚いたのを覚えています。 写真でもわかりますが、ペンタックス67と同程度の大きさがあります。 カメラの重量もペンタックス67と同程度なので、天体望遠鏡に取り付ける場合は、この重さに耐えられる丈夫な接眼部が必要になります

冷却CCDカメラのフィルターホイールについて

SBIG ST2000XMをはじめ、モノクロCCDセンサーが用いられた機種を使用して、カラー写真を最終的に得ようと思えば、 RGBフィルターを通して画像を撮影し、それらの画像をパソコン上で3色合成してカラー化しなければなりません。 この作業が手間なので、冷却CCDカメラ導入に踏み切れない方もいらっしゃるでしょう。

SBIGが初めて冷却CCDカメラを発売開始した頃は、フィルター交換は手動でしたが、 現在は、複数のフィルターを取り付けて、パソコンから制御できる電動フィルターホイールが販売されています。

SBIG社のSTシリーズの場合、フィルターホイールは、冷却CCDカメラに固定できますので、取り付けると冷却CCDカメラに一体化されます。 右写真はフィルターホイールの前面フタを外した状態です。中に5枚のフィルターがセットされているのがわかります。

フィルターが取り付けられた円盤は、フィルターホイール内に設けられた小さなモーターで回ります。 実際の撮影時には、パソコンソフト上で指定フィルターをクリックすれば、希望のフィルターに変更することが出来ます。 電動フィルターホイールは、大変便利なツールですので、冷却CCDカメラ撮影にはなくてはならない存在になっています。

冷却CCDカメラのセルフガイド機能について

SBIG社の冷却CCDカメラには、セルフガイドと呼ばれるガイド機能が搭載されています。 セルフガイドは、オフアキシスガイドの一種で、冷却CCDカメラ本体に撮影用のCCDと、 ガイド用のCCDが入っていることで実現されているガイド機能です。

右にST2000XMに使われているCCDセンサーの拡大写真を載せましたが、 上側の大きなCCDが撮影用のCCDで、下の小さなものがガイド用のCCDです。 この二つのCCDチップを利用して、撮影しながらガイドしていく構造になっています。

特に大きいセンサーが撮影専用と決まっているわけではないので、希望であれば、ソフトウェア上で逆にすることも可能です。 また、大きいCCDだけ使って、デジタル一眼レフカメラで撮影する際のオートガイダーとして使用することも可能です。 セルフガイド機能は、新たにガイド鏡を載せる必要がありませんので、とても便利な機能だと思います。

冷却CCDカメラの感度

冷却CCDカメラの感度は「量子効率(QE)」という言葉で表されます。 少々難しく感じられる用語ですが「効率がよいほど高感度である」ということに注目すればわかりやすいと思います。

下のグラフは、私の使っているST2000XMの感度表です。 光の波長によって、CCDセンサーの感度が異なることがわかります。 私の冷却CCDカメラには、コダック製のKAI-2020MというCCDセンサーが使われていますが、 量子効率グラフを見ると、長波長側は感度が低いことがわかります。 つまり、赤い散光星雲に対しては、感度が低いということがこのグラフから読み取れます。

CCDセンサーの量子効率特性は、センサーの形式や型番、製造メーカーによって著しく異なるので、 撮影対象に合う特性の製品を選べばよいと思います。 ただ、一般的に感度の高さと比例して、冷却CCDカメラの値段も上昇しますので、 予算との兼ね合いも考える必要があります。

SBIG社の製品の中では、ST-10XMは感度が非常に高く、系外銀河の撮影ファンから人気がありますが、 価格は、ST2000XMの倍程もします。 なお、ST-10XMは、ABG(アンチブルーミングゲート)という機能がないカメラです。 ABGがないカメラほど、感度が高い傾向があります。

冷却CCDカメラの価格

冷却CCDカメラの購入を考えた際、その決断を躊躇させるのは高い価格でしょう。 廉価版のデジタル一眼レフカメラが６万円ほどで買える時代に、冷却CCDカメラの価格は30万円以上です。 フルサイズCCDを使った冷却CCDカメラであれば、100万円程度と軽自動車並みの価格です。

数多く売れ、量産効果が得られるデジカメと冷却CCDカメラの価格を比べてもいけませんが、 高い価格と天体専用という点を考えると、なかなか手を出しにくいカメラです。

また、冷却CCDカメラは、内外価格差が大きい商品の一つです。 同一商品の価格を、欧米と日本で比べると、倍以上の開きがあることも希ではありません。 こうした内外価格差が、日本国内での冷却CCDカメラの普及を妨げている可能性もないとは言えないでしょう。

冷却CCDカメラを使った撮影時に必要なもの

冷却CCDカメラの撮影時に必要なものとしては、冷却CCDカメラ本体（カラー撮影するならRGBフィルターも）、 USBケーブル、電源ケーブル、オートガイドケーブル、パソコン、電源（バッテリー）ぐらいだと思います。

今までに、SBIG製のオートガイダーST5などを使って、銀塩フィルムで天体撮影されている方でしたら、 冷却CCDカメラ以外は買い足す必要がないと思います。 実際USBや電源ケーブルは、冷却CCDカメラに付属していることがほとんどですので、 本体以外で買う必要があるものは、フィルターホイールとRGBフィルターぐらいでしょう。

冷却CCDカメラ使用の第一歩

冷却CCDカメラはUSBデバイスカメラですので、パソコンに繋いだときにパソコン側がカメラを認識する必要があります。 カメラを繋げる前に、必ず、パソコンにデバイスドライバや制御ソフトをインストールしましょう。 インストールが正常に終了して初めて、冷却CCDカメラが使えるようになります。

冷却CCDカメラが正常に動くようになったら、フィルターワーク、オートガイドなどは後回しにして、 夜になったら望遠鏡に繋いで適当に撮影してみましょう。 初めは、明るめのメシエ天体などを、モノクロで写してみるのがお勧めです。 都会の明るい星空の下でも、遠くで輝く系外銀河がパソコン画面に表れて、ビックリすることと思います。

冷却CCDカメラの購入当初は、私も初めは何もわからず不安でしたが、 撮影にパソコンが必要なこと以外は、それほど複雑な機器ではないと思います。 取り扱いには注意しつつ、気軽に使ってみるのがよいと思います。 下の写真は冷却CCDカメラを購入して、光害の影響が著しい自宅から初めて撮ったおおぐま座の銀河です。

モノクロCCDとカラーCCDの違い

冷却CCDカメラには、モノクロセンサーのタイプと、カラーセンサーが用いられたカメラがあります。 一般撮影用のデジタルカメラは、ほとんどがカラーセンサーを用いていますが、天体用の冷却CCDではモノクロセンサーが主流です。 モノクロCCDとカラーCCDでは、どこが違うのでしょう。相違点を箇条書きにしてみました。

※2007年に執筆した記事です