JP2022027117A - 望遠鏡制御プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
赤道儀は、赤経軸(「極軸」ともいう。)周りに回転する機構と、赤経軸に垂直な赤緯軸周りに回転する機構とを備えている。
赤道儀を用いる場合、天体の観察を開始する前に、天体望遠鏡に取り付けられた赤道儀の赤経軸の方向を天球の北極に合わせることが求められる(これを、「極軸合わせ」ともいう。)。
一般的に、極軸合わせを行うには、極軸望遠鏡を用いて赤道儀の赤経軸の方向を北極星に近い天の北極に合わせることが行われる。
赤道儀の直角誤差や据付誤差に起因するところの指向座標に対する天体望遠鏡の向きのズレを、可視空域を複数に分割して成る小空域毎に設定した修正データとして保持し得る修正データ記憶部と、修正データを前記駆動データへ算入し前記駆動データを修正するデータ修正手段を設ける技術が存在する(例えば、特許文献1参照)。
この技術は、天体画像を撮像する撮像手段及び天体データベースを有し、撮像手段により撮像された天体画像を、天体同定手段で天体データベースの天体情報と比較することにより、撮像された天体を同定する。更にこの技術は、演算量を少なくするため、撮像手段により撮像された天体画像から各天体の情報を抽出する画像処理手段を更に備えており、天体同定手段は、この画像処理手段により抽出された各天体の情報と、天体データベースの天体情報とを比較することにより、撮像された天体を同定している(例えば、特許文献2参照)。
赤道儀100は、望遠鏡130を支持する架台としても機能する。赤道儀100は、天体の日周運動を追尾するように、その極軸(赤経軸)101の方向が天の北極に合わせられる。
図1Aに示されるように、赤道儀100は、三脚123の上に搭載される。バランスウェイト122は、望遠鏡130とバランスをとるように設定される。望遠鏡130には、カメラ223が取り付けられ得る。
不図示の赤経軸回転クランプにより、赤経軸101周り(矢印Aの方向)の望遠鏡130の回転が固定される。同様に、不図示の赤緯軸回転クランプにより、望遠鏡130の赤緯軸102周り(矢印Bの方向)の回転が固定される。
また、赤道儀100には、極軸高度調整ネジ111a及び極軸方位調整ネジ111bが備えられており、高度軸103を中心に望遠鏡130の高度(矢印Cの方向)を微調整することができ、かつ方位軸104を中心に望遠鏡130の方位(矢印Dの方向)を微調整することが可能とされている。
また、星を導入する際には望遠鏡130の光軸が目標とする星に合うように、赤経軸及び赤緯軸が回転する。極軸101の方向が天球の北極に一致していれば、天体の日周運動を追尾するように赤経軸が自動的に旋回するように制御される。
制御部200は、CPU211、メモリ212、モータI/F213、メモリI/F214、カメラI/F215、操作部I/F216及び表示部I/F217を有する。
CPU211は、制御部200の全体的な制御を行う。特に、本実施形態では、CPU211は、メモリ212に読み込まれたプログラムを用いて、後述するような極軸合わせの処理を実行する。
メモリ212は、RAMなどから構成される。メモリ212は、CPU211が極軸合わせの処理を実行するためのプログラムを格納する。
メモリI/F214は、外部メモリ222とのインターフェースである。外部メモリ222は、ハードディスクなどからなり、不図示のPCなどに内蔵される。メモリ212又は外部メモリ222には、天体データベースなどが格納されていてもよい。なお、天体データベースは、不図示のネットワークを介して、外部の機器から提供されてもよい。
カメラI/F215は、望遠鏡130に接続され天体を撮影するカメラ223とのインターフェースである。
操作部I/F216は、赤経軸及び赤緯軸を中心とした望遠鏡の方向に関する操作を含む各種のユーザの操作を受け付ける操作部224からの指示を制御部200に入力するためのインターフェースである。
表示部I/F217は、不図示のPCなどに設けられた後述のユーザインターフェース500の表示部225に制御部200が算出した結果などを出力するためのインターフェースである。
図3Aは、第1実施形態に係るブロック図である。第1実施形態は、図6Aのフローチャートにおいて後述するように、ライブビュー画像を見ているユーザの操作によって、極軸調整ネジが回転することにより、最終的な極軸合わせが行われる態様である。
3つの画像取得部301は、赤道儀100の赤経軸101の方向と天球の真の北極の方向とのズレを算出するために、天球の3つの画像を取得する。
3点座標特定部302は、3つの画像取得部301が取得した各画像について、天体データベースを用いてプレートマッチングにより中心点の座標を特定する。なお、第1実施形態では、中心点の座標を特定することとしているが、画像の他の位置の座標を特定するようにしてもよいことは言うまでもない。
極軸のズレ(調整量)算出部303は、3点座標特定部302が特定した3つの中心点の座標に基づいて、赤道儀100の赤経軸101の方向と天球の真の北極の方向とのズレを算出する。このズレがゼロに調整されるように、極軸の方向を調整すべき極軸調整ネジの調整量が算出される。
表示部306は、極軸のズレ(調整量)算出部303が算出した赤道儀100の赤経軸101と天球の真の北極とのズレに基づいて調整量を表示してもよい。また、ライブビュー取得部305が取得したライブビュー画像を表示してもよい。ここで「表示」は、「出力」の一例である。
ズレ量判断部304は、極軸のズレ(調整量)算出部303が算出した赤道儀100の赤経軸101の方向と天球の真の北極の方向とのズレの量を判断する。すなわち、極軸がずれた状態において目的の星の導入指示がなされた際、目的の星がカメラのライブビューの領域内に入るか否かが判断される。この判断は、望遠鏡とカメラとの組み合わせによって定まる画角と、カメラの撮像面の大きさ及び形状に基づいて、導入しようとした目的の星が撮像面に入るか否かを計算することによってなされてもよい。或いは、極軸がずれた状態において目的の星の導入指示がなされた際に、カメラのファイブビューの画像についてプレーとマッチングを行い、カメラの画像に導入しようとした星が入っているかを判断してもよい。
ライブビュー取得部305は、カメラのライブビュー画像を取得する。
3つの画像取得部311、3点座標特定部312及び極軸のズレ(調整量)算出部313は、それぞれ、図3Aで説明した画像取得部301、3点座標特定部302及び極軸のズレ(調整量)算出部303と、同様の機能を備える。
星導入部314は、極軸合わせをするための目印となる星を導入する動作を行う。
調整部315は、極軸のズレ(調整量)算出部313が算出した、赤道儀100の赤経軸101と天球の真の北極とのズレがゼロとなるような調整量で、極軸調整ネジ111を制御することにより、極軸101の方向を調整してもよい。なお、調整部は、カメラのライブビューを参照しながら、導入しようとした星が、画像の中心に位置するように、極軸調整ネジ111を回転させることにより、極軸101の方向を微調整するようにしてもよい。
完了報知部316は、調整部315による極軸101の調整が完了したことをユーザに報知する。
表示部317は、極軸のズレ(調整量)算出部313が算出した、赤道儀100の赤経軸101と天球の真の北極とのズレに基づいて調整量を表示してもよい。また、ライブビューを表示し星導入部314が導入しようとした星を表示するようにしてもよい。なお、ズレの量が大きい場合には、導入しようとした星がライブビューに表示されない場合があってもよい。また、完了報知部316は極軸合わせが完了した旨を表示などで報知してもよい。極軸合わせが完了した旨の報知は、視覚的情報以外の音の情報などが利用されてもよい。
まず、ユーザは、三脚123の設置方向又は極軸調整ネジ111を調整して、赤道儀100の赤経軸101を天球の北極方向の付近に向ける。なお、この段階では、赤経軸101を天球の北極に正確に合わせることは極めて難しいため、既に述べたように、赤経軸101の方向は天球の真の北極の方向からのズレが存在することがほとんどである。
赤道儀100の赤経軸101を北極方向の付近に向けた状態で、赤経軸101周り(矢印Aの方向)及び赤緯軸102周り(矢印Bの方向)に望遠鏡を回転させることにより、望遠鏡130をなるべく天頂に近い方向に向けることが望ましい(図1Bを参照)。次に、赤緯軸102周りの回転を固定した状態で、任意の角度で望遠鏡を赤経軸101周りに回転させて、3方向における天球の画像をカメラ223で撮影する。3方向の画像を撮影する際は、プログラムにより自動的に赤道儀100を赤経軸101周りに例えば10度ずつ回転させて、カメラ223により3方向の画像を撮影するとよい。
そして、撮影した3つの画像のそれぞれについて、例えば画像の中心の赤道座標(赤経、赤緯)をプレートマッチングにより算出する。プレートマッチングとは、撮影された画像の恒星と、恒星の位置に関するデータベースとを比較することである。なお、各座標を算出するにあたっては、大気の影響に対する補正を行うことが望ましい。地球の表面には、大気による光の屈折のために、望遠鏡で観測される見かけ上の恒星の位置が、本来の恒星の位置からずれて観測されるからである。大気の影響に対する補正を行うことで、より正確な3つの座標が求まる。大気の影響を考慮して、恒星のより正確な赤道座標を求めることは、当業者に周知の技術であるため、本明細書においてその説明を省略する。
図4に示されるように、3点P1,P2,P3の赤緯は同じであることから、赤道儀100の極軸(赤経軸101)が正しく天球の北極を指していれば、この3点の赤緯は同じになるはずであり、この3点を通る平面の法線は、天球の真の北極方向を指すはずである。
しかしながら、この段階では赤道儀100の極軸101が正確に天球の真の北極を向いていないため、極軸101の補正を行うことが必要である。
外積Qは、3点P1,P2,P3が作る三角形の法線ベクトルであり、赤道儀100の極軸101の方向を示すベクトルである。極軸101が正確に天球の北極に向いていればδq=90°(なお、αは不定)となるはずだが、実際には極軸101は天球の北極からズレが存在する。したがって、赤道儀100の極軸101を天球の北極に正確に向くように修正することが必要である。
これに観測地の経度を加えることで、観測地での0時の地方恒星時を求めることができる。さらに、恒星時は1日に24時間03分57秒ほど進むため、ここからの比例計算により、観測した時刻の地方恒星時を求めることができる。なお、地方恒星時はこのように時間の経過とともに増加していくため、3点の座標を用いて赤道儀の極軸を算出した時刻から、後述する式(6)において赤道儀100の極軸101の地平座標系における方位Aq、高度hqと、天球の真の北極方向の方位(真北)、高度(観測地の緯度φ)との差(ΔA,Δh)を算出する時刻までに、時間が経過している場合は、その時間経過を考慮した補正をすることが望ましい。
図5の画面510において、直交する2つの座標軸が交わる原点511は、天球の真の北極方向を示している。また、十字512は、望遠鏡130が現在向いている「ずれた」北極方向を示しており、ズレの量が画面510に表示される。画面510のX軸及びY軸のスケールは、ズレの量に応じて変更されるようにしてもよい。スケールを変更することによって、十字512が画面510に表示されるようにしてもよい。また、図5の数値513は、天球の真の北極方向に対する赤道儀100の極軸101の、方位のズレと高度のズレを示している。
このズレは、赤道儀100の極軸101を調整すべき調整量となる。図5の例では、調整量として、方位のズレ及び高度のズレが角度として示されている。なお、調整量として、極軸高度調整ネジ111a及び極軸方位調整ネジ111bの操作量を表示(又は出力)するようにしてもよい。
ユーザは、ユーザインターフェース500において、方位のズレと高度のズレを参照して、これらの値が0に近づくように水平方向及び垂直方向に極軸調整ネジ111を回す操作をする。この操作によって、極軸101の方向と天球の北極の方向との差が小さくなるようにする。または、表示された十字512の位置を参照して、これが原点511に近づくように水平方向及び垂直方向に極軸調整ネジ111を回す操作をしてもよい。
目印となる明るい星を導入する指示を行ったら、ユーザは望遠鏡130に接続したカメラ223のライブビューの画像を見る。
この段階では、極軸のズレに起因して、目印となる明るい星は画面の中心からずれた位置に映し出されている。この場合、ライブビューの中心位置は、ズレが零であるとした場合に前記望遠鏡の撮像範囲に星が導入されることとなる仮想的な位置である。ユーザは、導入した恒星が画面の中央に位置するように、極軸調整ネジ111を水平方向及び垂直方向に回転させて、目印となる明るい星を画面の中心位置に合わせることで極軸合わせが達成できる。
上述した最後の3点目であるP3の座標をプレートマッチングによって測定した際、測定した時における望遠鏡130の向きに基づいて、座標がP3(α3,δ3)として算出されている。ここで、赤道儀100の極軸101を回転させて、極軸101が正しく補正されたことにより、望遠鏡130の向いている方向がその回転の分だけ動いたときに算出されるP3の座標がP’3(α'3,δ'3)となるとする。
座標P’3(α'3,δ'3)は、以下の順序で算出することができる。
導入する恒星としては、例えば、高度30から60°の範囲内に見えている明るい恒星(一例として、一等星のシリウス)が好ましい。
この段階では、まだ赤道儀100の極軸101が正しく調整されていないためにズレが生じ、導入した恒星は画面410の中央(導入された恒星の仮想的な導入位置)には位置していない。具体的には、導入した恒星は、式(6)に示したような極軸のズレの分だけ画面の中心からずれた位置に映し出される。そこで、この恒星が画面の中央に位置するように極軸調整ネジ111を使って極軸を修正すれば、極軸を正確に合わせることができる。
また、導入した恒星をライブビュー画像における画面の中央に位置するように極軸調整ネジ111を調整すればよいため、あたかも擬似的な極軸望遠鏡を覗くような感覚で極軸を調整することができる。
下記の処理は、制御部200において、メモリ212等に読み込まれたプログラムを用いて、CPU211により実行され得る。
CPU211は、望遠鏡130をほぼ天頂に向け、赤道儀100の赤経軸101を固定した状態で、赤経軸101周りに回転させながら、カメラ223により撮像された天球の3方向の画像を、カメラI/F215を介して、取得する(S601)。
次に、CPU211は、外部メモリ222に格納されている天体データベースを用いて、プレートマッチングによりS601で取得した3方向の座標のそれぞれについて中心点の赤道座標を算出する(S602)。なお、前述したように、各座標を算出するにあたっては、大気の影響に対する補正を行うことが望ましい。
なお、前述したように、S602で赤道儀100の極軸101を算出した時刻から、天球の真の北極とのズレを算出する時刻までに、時間が経過している場合は、ズレを算出するにあたり両者の時刻の差を考慮した補正を行う。
そして、CPU211は、S603で算出したズレに基づいて、それを打ち消すような極軸方向の調整量をユーザインターフェース500上に画面510又は数値513として表示する(S604)。
S603で算出されたズレによって、十字512がまだ画面510上でカメラ223の画角(カメラの撮像面が長方形の場合には短辺の画角、すなわち短辺の視野(Field of View))を半径とする円514の内側に入らない場合、(S605がNo)、ズレがより小さくなるようにユーザに極軸調整ネジ111の操作を促す(S608)。そして、極軸調整ネジ111による調整がなされた後に、S601に戻り、上述の一連の工程を繰り返す。
上述の一連の工程は、十字512が画面510上で円514の内側に入るようになるまで繰り返すことが望ましい。
このとき、S603で算出されたズレがゼロであるとすると、導入された星はライブビュー画像の中心である画面510の原点511(星の仮想的な導入位置)に映し出される。しかし、実際にはズレが残っていることがほとんどであるため、導入された星はライブビュー画像においてズレに対応して原点511から離れた位置に映し出されることととなる。
このユーザの操作は画面510を見ながら行われるため、ユーザはより容易に星を画面510の原点511に位置するように、極軸調整ネジ111を調整することができる。導入された星が画面510の原点511に映し出されると、赤道儀100の極軸101の方向が略天球の北極に向いたことになる。
既に述べた第1実施形態では、極軸調整ネジはユーザにより操作されたが、第2実施形態においては、極軸調整ネジ111に、例えばモータが取り付けられることで、極軸調整ネジ111の調整がCPUの制御の基で行われることを前提としている。
図6BのS611からS613までの処理は、図6AのS601からS603までの処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。
次に、CPU211は、恒星を導入する(S614)。導入された恒星は、ライブビュー画像として表示される(S614)ようにしてもよい。ここで、導入された星はライブビュー画像においてズレ(調整量)に対応して原点511から離れた位置に映し出される(場合によっては、導入された星が、ライブビュー内に映し出されない場合もあり得る)。
なお、この第2実施形態では、以下に説明するように、出力されたズレの量に基づいて、CPU211が極軸調整ネジ111を回転させるため、導入された星はCPU211によってパターン認識されればよく、必ずしもライブビュー画像として表示されなくてもよい。
次に、S613で算出されたズレが打ち消されるような調整量に基づいて、CPU211は極軸調整ネジ111を一定量回転させる。極軸調整ネジ111の微調整の制御は、ライブビューにおいて、導入された(又は導入されるべき)星が、画像の中央に位置するように行われる(S615)。
そして、極軸調整ネジ111を一定量回転させたら、CPU211は、カメラ223の撮像範囲に導入された星が画像中央からどの程度ずれているかをパターン認識(プレートマッチング)により算出する(S616)。なお、仮に撮像範囲に、導入されるべき星が映し出されない場合であっても、CPU211は、撮像範囲の画像を、データベースを用いてパターン認識(プレーとマッチング)することによって、導入されるべき星の位置を推定することでズレの量を算出することができる。
そして、ズレが所定値以内に収まったら(S617がYes)、極軸合わせは終了する。
なお、第2実施形態では、ズレの量に基づく極軸調整ネジ111の回転の制御はCPU211により調整部315で行われるため、ライブビューは表示部317に表示されなくてもよい。
101 極軸(赤経軸)
102 赤緯軸
103 高度軸
104 方位軸
111 極軸調整ネジ
111a 極軸高度調整ネジ
111b 極軸方位調整ネジ
121 極軸望遠鏡
122 バランスウェイト
123 三脚
130 望遠鏡
200 制御部
211 CPU
212 メモリ
213 モータI/F
214 メモリI/F
215 カメラI/F
216 操作部I/F
217 表示部I/F
221 モータ
222 外部メモリ
223 カメラ
224 操作部
225 表示部
500 ユーザインターフェース
510 画面
511 原点
512 十字
513 数値
514 円
Claims (7)
- 望遠鏡に接続された赤道儀の赤緯軸を固定した状態で、前記赤道儀の赤経軸周りに前記望遠鏡を回転させるよう指示することで、前記望遠鏡で撮影された、天球上で位置の異なる少なくとも3つの画像を取得する段階と、
前記少なくとも3つの画像の各々と、前記天球上の複数の星の位置のデータベースとのマッチングを行うことで、前記少なくとも3つの画像の各々が撮影されたときの、望遠鏡が指し示す天球上の少なくとも3つの座標を特定する段階と、
前記少なくとも3つの座標から、天球の真の赤経軸と、前記赤道儀の赤経軸とのズレを特定することで、前記ズレを縮小するように前記赤道儀の赤経軸の方向の調整量を出力する段階と、
をコンピュータに実行させるプログラム。 - 前記調整量を出力する段階は、
前記調整量を、前記赤経軸の方向を調整する調整機構の調整量に変換して出力する段階、
を更に有する請求項1に記載のプログラム。 - 前記調整量を出力する段階は、
前記天球上の少なくとも3つの座標と、前記天球上の少なくとも3つの座標が特定されたときの前記望遠鏡の状態とから、前記ズレが零であるとした場合に前記望遠鏡の撮像範囲に星が導入されることとなる前記撮像範囲内の仮想的な位置と、前記望遠鏡の現実の状態で、前記撮像範囲に前記星を導入するように、前記赤緯軸及び前記赤経軸を作動させて撮像した画像とを出力する段階、
を更に有する請求項1又は2に記載のプログラム。 - 前記少なくとも3つの座標を特定する段階は、
前記3つの座標に大気の影響に対する補正を適用する段階、
を更に有する請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のプログラム。 - 前記調整量を出力する段階は、
前記少なくとも3つの座標を含む平面の法線ベクトルにより、前記ズレを特定する段階、
を更に有する請求項1ないし4のうちいずれか1項に記載のプログラム。 - 前記調整量を出力する段階は、
前記少なくとも3つの画像の各々が撮像された時刻及び前記調整量を算出する時刻を用いて、前記調整量を補正する段階、
を更に有する請求項1ないし5のうちいずれか1項に記載のプログラム。 - 前記赤経軸の方向が調整されるように、前記赤経軸の方向を調整する調整部に、前記調整量を与える段階、
を更に有する請求項1ないし6のうちいずれか1項に記載のプログラム。
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