CCD 카메라의 선택
 

픽셀 사이즈(pixel size) - 이미지의 해상도는 픽셀 당 초각으로 표현되는 이미지 스케일(image scale)과 밀접한 관련이 있다. 사용하는 광학계와 촬영도구(마운트)의 영향을 제외하면 천체사진에서 이미지 해상도는 중요한 요인이다. 이미지 스케일은 CCD카메라의 픽셀의 크기와 망원경의 초점거리에 의해서 결정된다. 이지기 스케일의 수치가 작다는 것(0.5arcsec/pixel 처럼)은 고해상도를 의미하고 수치가 크다는(10arcsec/pixel) 것은 저해상도라는 것을 의미한다. 이 경우 하나의 픽셀에 의해서 표현된 데이터 값이 하나의 픽셀에 10초각에 해당하는 정보가 들어간다는 것을 의미한다.

이미지 스케일의 계산은 (arcsec/pixel 단위로) 간단하게 206 × 픽셀의 크기(microns) / 망원경의 유효 초점거리(mm)로 나타낸다.
 

즉,  Image scale = 206 ×  pixel size(microns) / focal length(mm)  이다. 

이 공식이 갖는 의미는  arc-second 당 필요한 pixel의 갯 수를 의미하는 것으로 이 수치보다 적은 경우에는 언더 샘플링(under sampling)라고 표현하는 현상이 나타나는데 이미지의 주변이 블록모양으로 보이게된다.

이미지 스케일과 상관없이 얻을 수 있는 최고의 해상도는 관측 당시의 대기 상태와 광학계의 성능 그리고 마운트의 정밀도에 따라서 제한적일 수밖에 없다. 예를 들면 내 관측지의 대기 상태는 FWHM의 값이 약 3.5초각 정도이다(FWHM은 full width at half maxim의 약자로서 별의 세기가 최대일 때 나타나는 피크 높이의 1/2에 해당하는 피크의 폭을 의미하는 것으로 이 값이 작을수록 초점의 상태가 정확하다는 것이다). 이것은 내가 표현할 수 있는 최적의 상태가 3.5¨/pixel 정도라는 것이다.

  그렇다면 최적의 이미지스케일은 어떤 것일까? 다시말해서 사용하는 망원경의 초점거리를 고려한 CCD 카메라의 피셀 크기는 얼마 정도가 되어야 최적의 이미지를 얻을 수 있을까? 놀랍게도 내 관측지에서는 3.5¨/pixel이 아니었다.

  Nyquist는 정보를 기록하고 디지털 형식으로 변환하기 위해선 관측지의 대기 상태를 고려하여 사용 중인 시스템의 이미지스케일에 1/3을 곱해서 얻을 수 있다고 했다. 위의 경우에는 3.5arcsec × 1/3, 즉, 1.17¨/pixel로 계산된다. 이것은 내 CCD카메라와 망원경의 조함은 내 관측지의 대기 조건에서는 1.17¨/pixel의 이미지스케일이 이상적인 것으로 나타난다.

3.5¨/pixel의 최적의 해상도를 얻어내기 위해서는 CCD카메라와 망원경의 조합을 이 값에 해당하도록 조정해야한다. 이 값보다 더 작은 경우에는 나의 관측지의 대기 상태를 고려할 때 노력의 낭비가 발생하고 좋은 이미지를 만드는 것이 더 어려울 수도 있다. 위의 예에서 1.17¨/pixel 보다 작은 경우에는 감도가 떨어지는 것과 같은 현상과 가이드를 할 경우 가이드 에러가 발생할 가능성이 나타날 수 있다.

  좀더 좋은 대기 조건이라면 해당하는 이미지스케일도 달라질 수가 있다. 만일 대기 상태가 2FWHM정도라면 카메라와 망원경의 조합은 2¨ × 1/3 즉, 0.66¨/pixel로 되도록 시스템을 조정할 필요가 있다.

대부분의 관측지가 대기 조건이 뛰어난 지역이 아니기 때문에 평균적으로 양호한 밤하늘의 하늘 상태를 3~3.5FWHM의 범위에 해당한다.

여러번의 반복적인 실험결과 이미지스케일의 최저 한계값은 1¨/pixel 정도임을 알 수 있었다. 그러면 상한선은 얼마일까? 결론은 Nyquist에 의한 측정값에서 약간 벗어난 값도 나쁘지 않다는 것이다.
 제가 주로 사용하는 CCD는 QHY8로서 픽셀의 크기는 7.8 microns와 ST-402me의 9 microns의 두 종류이다.  망원경의 경우는 Pentax 105SDHF와 별통광학의 10인치 뉴튼식 반사망원경인데 각각의 초점거리는 700mm, 1200mm이다. 이 경우 각가의 이미지스케일을 구해보면 다음과 같다.

                                                            
                                                                             Pentax105와 QHY8CCD의 조합의 예

 Pentax105, QHY8 CCD의 경우는 206 x 7.8microns / 700mm = 2.3
 Newtonian 10인치, QHY8CCD의 경우는 206 x 7.8microns / 1200mm = 1.3
 Pentax 105, ST-402me의 경우는 206 x 9microns / 700mm = 2.6

Newtonian 10인치, ST-402me의 경우는 206 x 9microns / 1200mm = 1.5   으로 계산되었다.

 Starry Wonders에서 사용하는 Sky90, f/4.5의 이미지스케일은 3.26¨/pixel정도이고 FS102, f/6 의 경우는 2.29¨/pixel이다(Nyquist에의한 최적의 이미지스케일은 1.17”/pixel이지만, 관측지의 대기 상태가 3.5FWHM이기 때문에).

  다시 말해서 위의 상태로 찍은 모든 이미지는 최적의 상태에서 약간 모자란 상태에 해당하는 것이다. 그럼에도 불구하고 촬영된 이미지 데이터의 손실은 없었다.  

  2.29¨/PIXEL의 FS102와 3.26¨/pixel의 Sky90은 아주 좋은 이미지를 만들어 주었다.

최적의 관측지와 관측대상을 위한 이미지스케일은 약 3.5¨/pixel 정도에서 상한선을 갖는 것이 상세한 이미지를 얻기 위한 최적의 방법으로 여겨진다. 이보다 더 큰 5~10¨/pixel은 세세한 정보가 부족하여 부드럽게(희미한) 보이는 이미지를 만들 것이고(이것은 넓은 시야와 큰 규모의 구조에 흥미가 있다면 적절하겠지만) 1~1.5¨/pixel의 작은 이미지스케일은 고집하는 것은 이미지의 해상도가 관측지의 대기의 영향으로 제한되기 때문에 좋은 이미지를 만들기 어려울 것이다.

일반적으로 관측지의 조건에 따라 1 ~ 3.5¨/pixel 범위의 이미지스케일을 사용하는 것이 유연한 대처방법이다.

                                                           그림 3-9 : 각종 광학계와 카메라의 연결