●ペテン師がデジカメの性能を変える!2015/08/03 02:17

●最初に業務連絡です。天気予報では今日は一晩中快晴ということだったので、JILVA-170をずらりと並べてPモーションテストのために待機しましたが、明け方の薄明前に少し晴れただけでした。残念です。少しでも晴れ間があればテストできますので、ご注文をくださったお客様は、申し訳ありませんが今しばらくお待ちください。


「星爺から若人へ」は中学生くらいを対象としています。
●オリンパス光学がWindows95時代に販売していた画像処理ソフトに、
フォトジャグラーというのがありました。ジャグラーとは魔術師とかペテン師の意味ですが、画像処理の意味を考えると的を得た傑作な命名と思います。

……最初に歴史をさかのぼって、
戦後の日本は軍事産業や重工業を規制されたこともあって、平和産業の光学機器とりわけカメラは大発展を遂げました。日本製のカメラは世界一と言っても過言ではないでしょう。
1960年台前にはA~Zまでの頭文字では足りないほどのカメラメーカーが群雄割拠し、そこから淘汰されて残ったのが現在のカメラメーカーです。高性能なのは当然かもしれませんね。

「どのメーカーのカメラも同じように優秀」 な時代を経験したオジサンや爺さんは、若人の皆さんに好みのメーカーのカメラを買えば良いとアドバイスするかもしれません。昔の経験ではみんな同じように高性能だったのだから当然です。また中古のカメラを勧めるかもしれません。カメラのメカ部分は1960年頃から1990年台までほとんど変わらなかったのだから、これも当然です。

しかし、昔はカメラが写真を撮っていたというよりも 「フィルムが撮っていた」 のです。デジカメ時代は写真を撮るのはカメラそのものなので、カメラによってとくに星野写真に対する性能は驚くほど違います(違いました、ですね。後述参照)。そして常に変遷しています。星用には使い物にならないデジカメも過去にはたくさんあり、新型ほど高性能なことがほとんどなのでデジカメの中古は敬遠するべきです。
富士フイルムのカメラが一番良く写った時代もあり駄目になった時代もあります。星野写真はキヤノンの独壇場だった時代もあります。時代と言ってもせいぜい2~3年の期間なのですが…。
その時代を経験したオジサンや爺さんは、その時代に良く写ったメーカーを勧めるかもしれませんが、カメラの性能は新製品のたびに変化しているので、新製品の発表には常に注目していてください。性能の変化に多大な影響をあたえるのが 「ペテン師」 なのです。

●デジタルカメラの性能を決定するのは以下の三要素になります。

  ①撮像素子の本来の性能
  ②周辺電子部分の品質と性能
  ③メモリに保存する際の画像処理(画像エンジン--ペテン師)

①②③が相互に作用しあって画像を形成しますが、もっとも肝心で常に改良されるのが③です。撮影した画像を瞬時に保存する際のカメラ本体の画像処理で 「やるのは当たり前」 ですから、黎明期にはこの機能に画像エンジンDIGICと命名したキヤノンに対し、カメラ評論家で 「名称を付けて付加価値を出しているだけ」 との見解の人もいました。画像エンジンの威力がどのメーカーのカタログにもうたわれている今は、若人の皆さんはその大切さは理解していますよね? 画像エンジンで性能のほとんどが決まるんですよ。

撮像素子は光子のカウンターであることから、本来の感度はだいたいISO125程度しかありません。なのでカメラファンの話題になる 「高感度特性」 と言うのは本当はあり得なくて、③の画像エンジンでごまかして高感度に見せた結果です。しかし、その画像処理性能たるや 「まるで魔術師!」 「ペテン師!」 です。
あたかも本当に感度が高くなったような画像が保存されます。撮像素子のノイズは原理的に簡単には消せないはずなのに見事に消します(ノイズと一緒に星も消しちゃうカメラもありますが)。画素が詳細になれば1画素の光子カウンターの容量が少なくなってノイズが増えるはずなのに、人間の細胞よりも小さい詳細画素のカメラでも気になるほどのノイズはありません。③のペテン師のワザは①や②の要素の特質など全部蹴散らしてしまうほどスゴイのでしょうね。
撮像素子が生産メーカーから他メーカーにOEMされると、「供給されたメーカーのカメラも同じ性能になる 」と思う人が多いようですが、三要素で肝心なのは③ですから、③も撮像素子と一緒に供給されるのでなければ、やはり性能差や個性の違いは、かなり大きくなると思われます。

●常に進化を続け、突然化けて高性能になることもある!
星爺はペンタックスのデジイチを使って、あまりの星野写真性能の悪さに本気でドブに捨てようと思ったことがあります。オリンパスのカメラはフォーサーズ( 約23×15mmと小さいAPS-Cより小さな17.3×13mm )で撮像素子が小さい分だけ詳細画素のため、ノイズがひどくて星野写真には適さないと信じられていた時代もあります。
しかし、③の画像エンジンが高性能化されると、オリンパスは突然化けたように星野写真に適したカメラになりました。ペンタックスは3年ほど前からイイ味で星野写真を撮れます。両者ともそこそこHαの赤色星雲が写るのは、感度を上げるために赤の透過域をやや長波長側に広げたからかもしれませんよ。 こういうことが年中あるので新製品からは眼が離せません。
P.S. こいつはいくらなんでも長波長側に広げ過ぎかな?

星野写真の高性能ぶりで天文ファンに人気のあるカメラはキヤノンですが、この1~2年でどのメーカーの画像エンジンも進化して、決定的な差はなくなってきました。富士フイルム、オリンパス、ペンタックスの健闘が光ります。詳細画素のうえHα光が写る天文用のニコンの810Aも素晴らしいカメラです。
これらの高性能の要因はほとんど画像エンジンなのですが、ソニーからもうすぐ裏面照射型の撮像素子を採用したα7RⅡが登場します。三要素の①が根本的に進化するので絶対注目ですね!(P.S.ペテン師さんは期待したほど変わらなかったみたいですね)。
こんなめまぐるしいほどの状況なので、目上の人を尊敬することは大切ですが、古い情報はアテにせず必ず自分で、メーカーの宣伝文句にも疑問を持ちつつデジカメを購入してください。

●撮影法や赤道儀の仕様も変わる!
ISO感度の設定を高くし過ぎると、見かけの感度が高く見えるだけで、ノイズばかりの汚い画像になったり画像エンジンが暗い星を消したりしてしまいます。が、最新型の各社のデジカメはISO1000~1600でもノイズの少ない星野写真を撮影できるようになりました。こうなると、光害の少ないかなり暗い空でもJPG保存では適正露出時間はISO1600ならF2.8で1分、F4で2分ほどですから、追尾性精度の良くない赤道儀でも使うことができるし、当然オートガイダーも無用になります。

短時間露出でバンバン撮って多数枚のコンポジット合成をする。たとえば同じレンズでISO200設定で8分露出したのとISO1600で1分露出を8枚コンポジトしたのは、ほとんど同じ品質の画像が得られるので、そのような撮影法も奨励できます。もちろん、こうした撮影法はすでに行なわれていますが、今まではあくまでも追尾精度の悪い赤道儀の 「救済処置」 として行なわれる場合が多かったです。

さらに詳細画像を目指すなら、高価なフルサイズの高詳細画像のカメラを使わずに、高性能なAPS-Cやフォーサーズのカメラを使い、2コマ以上のパノラマ撮影を常用する手もあります。
そんな撮影法に便利なポタ赤を提供する必要が出てきたので、弊社のPanHead EQ も大改良をして近々新しい仕様のバージョンを発表します。

●最後に補足です
原理から言えば詳細画素の撮像素子は1画素で光子をたくさん捉えることができないので、結果的にノイズが多くなって高感度に見せる画像処理はやりにくいです。
先日、キヤノンから超高感度多目的カメラME20F-SHが発表されました。1画素の大きさは最近のデジカメの5μm(ミクロン)以下に対して19μmで面積は15倍にもなります。ただし300万円もします。
星爺は研究者用の裏面照射型冷却CCDを所有していたことがあり、これは1画素が25μmでした。 800万円もするもので、2005年度に編集者を早期退職した際に売却してクルマになりました(笑)
本当の高感度を求めるには、やはり画像エンジンに頼る以前に画素が大きいことが重要です。もしかしたら、どこかのメーカーから一転して大きな画素のデジカメが登場するかもしれませんよ!

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●JILVA-170の進捗です2015/08/19 16:34

JILVA-170をご注文のお客様へ
6月に3台のJILVA-170を納品させていただいて以来2日間しか快晴の夜に恵まれず、Pモーションのテストが滞っていました。まだご注文の半分に満たない数ですが、晴れ間を見つけて10台ほどの合格品が出ましたので、遅ればせながら来週から仕上げを再開してご注文順に納品させていただきます。お客様には納品前にメールを差し上げますので、よろしくお願い申し上げます。

JILVA-170は下の写真のように極軸の主要部だけでPモーションテストができるようになっています。これから合格品に周辺パーツを装着して仕上げとなります。
なお、納期が遅れたお詫びとして、ターンテーブルの上にカメラを2台搭載する 「ベンチアーム」 を贈呈いたしますので、どうぞお使いください。
      実際の星のピリオディックモーションテストで合格となったJILVA-170の極軸主要部
     ベンチアームで東西にカメラを載せたところ。東西のバランスも合せられます。

Pモーション測定器とSTAR-TREC
弊社ではPモーションのベンチ測定器は製作済みで、天候に左右されずに室内でPモーションを測定できます。しかし、実際の星空でユーザー様が使用されるようなカメラ機材でPモーションを撮影して測定した方がトラブルも見つけやすく確実なので、今のところはベンチ測定器を使用しないで頑張ろうと思います。下がPモーションをベンチ測定した結果のグラフです。

なお、個体ごとのPモーションを測定したら、逆の位相をマイコンにメモリして相殺し精度を向上させることができます。Pモーションはウオームネジまわりで決まることから、搭載重量やバランスやウォームホイールの摺動箇所が変わっても使用年数が経っても、ほとんど変化しない性質があるからです。ユーザーがガイディングして設定するPECと呼ばれる手法ではなく、出荷時に設定済にする手法です。同様なシステムはビクセンさんのAXDという高級な赤道儀に搭載されているようです。
このシステムはSTAR-TREC(STrict ARchived TRackiong-Error Correction)として、まずは新型のPanHead EQに搭載します。Pモーションの精度は3倍程度は向上する見込みです。

●赤道儀には超高精度のウオームギヤセットが必要
この機会にブログの趣旨のとおり中学生向けに簡単にご説明します。
下の図は一般的な小型赤道儀用の半径35mm程度のウオームホイールとカメラを重ねた図です。ウオームネジとの摺動部は撮像素子の位置に描いてあるので動きを想像してください。
通常の機械加工のギヤの精度は良くて20~30μm(ミクロン)程度であると考えてください。 なので、ウオームネジのネジ部に20μmの乱れがあれば、撮像素子上の星は20μm動いてしまいます。ウオームネジ1回転の周期で乱れが繰り返されるのでピリオディックモーション(周期運動)と言われます。20μmはちょうど35mm広角レンズの追尾の許容量になり、Pモーションの表記では±60″(1′)になります。
広角レンズしか追尾できないとは、ずいぶん悪い値ですよね?
市販の赤道儀には、メーカーさんがそれはそれは大変な努力と技術で成し遂げた超高精度のウオームギヤセットが使われています(そうでもないメーカーさんもありますけどね)。夢のような高精度と言っても過言ではありません。それに比べてギヤメーカーから販売されているウオームギヤセットは、通常の加工精度のたんなる減速ギヤですから10倍も精度が悪く、赤道儀用とは似て非なるものです。

もちろん前々回のブログでお話ししたようにPモーションの主な原因は、
  ①ウオームネジのピッチ誤差(乱れ)によるヨロメキ運動
  ②ウオームネジ軸受けの精度によるスラスト方向のブレ
  ③ウオームネジの芯出し誤差による1回転毎のトルク変動
  ④ウオームネジに付けたスパーギヤの偏芯による速度変動
以上の4種類あって、各々から振る舞いの異なるPモーションが発生し、それらが重なって最終的なPモーションになるため、精度の悪いギヤでも①~④が偶然(または何度も調整して)相殺されれば、そこそこ良い精度になることはあり得ます。逆に高精度のギヤでも悪くなることもあります。
①~④の重なりがどうなるかは予測不能なので、赤道儀の精度は個体ごとに大きくバラツキます。そのため全ての個体でPモーションを測定しないと「Pモーション±○″」 と発表はできません。
JILVA-170だけでなくPanHead EQとSWAT-300/350も全機のPモーションを測定して合格品のみを出荷しています。

●弊社ではウオームホイールを社内生産しています
JILVA-170のウオームホイールとウオームネジのセットをギヤメーカーに依頼したら1セット10万円以下では作れないでしょう。そのうえ赤道儀用には不十分な精度になってしまうので、独自の手法で高精度のウオームホイールを生産しています。PanHead EQSWATシリーズも同様です。
直径162mmのウオームホイールはジュラルミン製で厚さが3mmしかありません。ジュラルミンにしたのは加工性が良いことの他に、ボディなどのアルミ合金部と同じ膨張係数にして厳寒地で膨張率の違いから回転が渋くならないようにするためです。厳寒地ではグリースの硬化で回転が渋くなると思われていますが、それよりも金属同士の膨張率の違いの方が大きな原因です。
ウオームホイールは上下をアルミ合金でサンドイッチして、-30℃まで硬化しないオリジナルのグリースでべったり貼り付けています。これにより  「極軸にベアリングを入れなくても大丈夫かな?」 と思われるほど頑丈でしっくりと精度よく回転します(もちろんベアリングはちゃんと入れていますよ)。この手法を社内ではGDFWと呼んでいます(Grease Dumped Floating Worm wheel)。

まずレーザーカットでモジュールに応じたサイクロイドカーブの288歯のウオームホイールの母型を作って、それをJILVA-170と同じボディに組み込んで(これが肝心!)、独自のホブ盤で時間をかけて歯切りをします。次にウオームネジと同じ形状にしたS55Cの研磨用ネジを強烈に(煙が出るほど)押し付けて歯を研磨します。これでジュラルミン鍛造のウオームホイールが完成します。そして実機に組み込んでから実機のウオームネジを毎分2000回転で回して最終的なエージングを行ない、仕上げは日周運動の26倍の速度でゆっくりエージングを行なっています。1個作るのに5時間ほどかかります。
ウオームホイールはそれほど高精度の歯面に仕上げる必要はないのですが、ウォームホイールの極軸の芯出しを正確にして、どの場所でもウオームネジに安定して摺動させるためと、ウオームネジを軸受けになじませるために、実機でのていねいなエージングが必要です。
     JILVA-170の本体部分。左上は直径40mmの極軸に圧入するベアリング    
     右はS55Cのウオームネジにモリブデングリースを塗布して歯を高速研磨中

●ウオームネジユニットを低コストで作る手法
もっとも大切なウオームネジユニットは、タネ明かしをするとひじょうに安価な手法で作っています。JILVA-170と同程度のウォームホイールの赤道儀を生産するあるメーカーさんは、この部分に5万円のコスト(ウオームネジは別で) をかけているそうですが、とてもそんな手法は採用できません。
心臓部のウオームネジは精密な加工のできる快削黄銅で超精密加工専門の会社に特注しています。軸受けはボールベアリングでは精度に限界があるので、メタルベアリングを用いてウオームネジのハメアイ軸は研磨で仕上げます。反対側はニゲを得るために樹脂のドライベアリングです。モーターのピニオンギヤとウオームネジのスパーギヤも特注品で、軸挿入部は現物合わせで研磨しています。
ここまで徹底するのは、上記の①~④個々のPモーションの発生を少しでも抑えるためです。

ウオームネジユニット本体は一転して安価な手法で、下の写真のL字型の金具をを2個組み合せてユニットを作ります。軸受部は2個組み合せて旋盤加工しますが、調整機構などは一切ありません。各部を研磨しながら“勘”で組み立てて 「こんなにスムーズに回る回転部は経験がない」 ほどのタッチになるまで何度も組み直して、良いタッチにならない場合は破棄処分にします。精度の高いウオームネジユニットを作るためコストに苦しんだ末に生まれたコロンブスの卵的な職人技の手法です。
※下の写真はPanHead EQとSWAT用でJILVA-170はウオームネジやユニットが少し異なります。
     PanHead EQとSWAT用のアルミ合金製のL金具と組み上がったウオームネジユニット
      SWAT-300/350には、これにグリースバス(グリース溜め)のカバーが装着されます

このような手法で弊社のポータブル赤道儀は作られています。JILVA-170は±4~5″以下のPモーションの個体を出荷するため、Pモーション測定は省略するわけには参りません。ブログを見ていただいた方やJILVA-170のお客様には、なにとぞ厳しいお叱りやご指導をいただき、より完成度の高いポタ赤に発展させて行くことにご協力いただければ幸いです。

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