WO2011136251A1 - 天体自動追尾撮影方法及びカメラ - Google Patents

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optical system
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真己斗 大田
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    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H04N23/61—Control of cameras or camera modules based on recognised objects

Definitions

  • the present invention relates to an astronomical automatic tracking shooting method and a camera that enable still shooting of a celestial body.
  • An equatorial mount equipped with an automatic tracking device is generally used to take a picture of a celestial body in a stationary state (light spot shape) with long exposure.
  • Patent Documents 1 and 2 a method has been proposed in which a fixed digital camera is used for shooting multiple times without using an equator, and the image is added multiple times while correcting the position of the celestial body using the captured image data after shooting.
  • Patent Documents 1 and 2 With digital cameras that synthesize a plurality of images (Patent Documents 1 and 2), it is practically impossible to perform image synthesis with a single digital camera, such as image alignment accuracy and slow image addition processing.
  • the present invention provides an astronomical automatic tracking imaging method and a camera that can shoot each celestial object in an apparently stationary state only by shooting the camera in a fixed state with respect to the ground without using an equatorial mount.
  • the purpose is to obtain.
  • a celestial image formed on the imaging surface by the imaging optical system of the imaging device is being captured in order to capture a celestial body that moves relative to the imaging device by diurnal motion
  • An astronomical auto-tracking imaging method in which at least one of the predetermined imaging area and the celestial image is moved relative to an imaging device so as to be fixed with respect to a predetermined imaging area of the imaging device.
  • the step of inputting the latitude information of the point, the shooting azimuth angle information, the shooting elevation angle information, the posture information of the shooting device, and the focal length information of the shooting optical system, and using all the input information, the astronomical image of the image sensor A step of calculating a relative movement amount with respect to the photographing apparatus for fixing to a predetermined imaging region, and taking a picture by moving at least one of the predetermined imaging region and the astronomical image based on the calculated relative movement amount. It is characterized by having the steps of, a.
  • the imaging element is translated in a direction perpendicular to the optical axis of the imaging optical system and parallel to the optical axis. Shoot while rotating around a specific axis, and shoot astronomical objects.
  • the predetermined imaging area is a trimming area obtained by electronically trimming a part of the entire imaging area of the imaging element, and is based on the calculated relative movement amount. Then, the trimming area is photographed while being translated in a direction orthogonal to the optical axis of the photographing optical system and rotated around an axis parallel to the optical axis, and a celestial body is photographed as a point.
  • the predetermined imaging area is a trimming area obtained by electronically trimming a part of the entire imaging area of the imaging device, and the calculated relative movement amount Based on this, a part of the photographing optical system is decentered to move the astronomical image with respect to the photographing apparatus, and the trimming region is photographed while being rotated around an axis parallel to the optical axis of the photographing optical system.
  • the “optical axis of the photographing optical system” here means the optical axis of the photographing optical system in the initial state before the eccentricity adjustment.
  • the predetermined imaging area is a trimming area obtained by electronically trimming a part of the entire imaging area of the imaging device, and the calculated relative movement amount Based on the above, the image pickup device is translated in a direction perpendicular to the optical axis of the photographing optical system, and the trimming region is photographed while being rotated around an axis parallel to the optical axis of the photographing optical system, Take a picture of a celestial body as a point.
  • the relative movement amount can be calculated from all the input information and a spherical triangle connecting the zenith, the celestial pole, and the celestial body at the center of the photographing screen on the celestial sphere.
  • the input latitude is ⁇
  • the azimuth angle is A
  • the elevation angle is h
  • the imaging apparatus is rotated from the horizontal around the optical axis as the attitude information of the imaging apparatus.
  • the step of calculating the angle ⁇ formed by the horizontal and the celestial equator by the following equation (14), the long side direction of the rectangular image sensor at a predetermined time t, and relative displacement ⁇ x of celestial object image with respect to the short side direction can include the steps of calculating by (IV).
  • the celestial automatic tracking photographing camera of the present invention has a calculation means for calculating the relative movement amount in order to execute any one of the celestial automatic tracking photographing methods described above.
  • the astronomical automatic tracking imaging camera of the present invention is configured to translate the imaging element in a direction orthogonal to the optical axis of the imaging optical system based on the relative movement amount calculated by the computing means. It has moving means for rotating around an axis parallel to the optical axis.
  • the astronomical auto-tracking camera of the present invention electronically trims a part of the entire imaging area of the imaging element to form a trimming area, and based on the relative movement amount calculated by the computing means , And a moving means for moving the trimming region in a direction perpendicular to the optical axis of the photographing optical system and rotating around an axis parallel to the optical axis.
  • the astronomical automatic tracking imaging camera of the present invention electronically trims a part of the entire imaging region of the imaging device to form a trimming region, and is based on the relative movement amount calculated by the computing unit. And moving the celestial image with respect to the photographing device by decentering a part of the photographing optical system and rotating the trimming region about an axis parallel to the optical axis of the photographing optical system.
  • the “optical axis of the photographing optical system” here means the optical axis of the photographing optical system in the initial state before the eccentricity adjustment.
  • the astronomical automatic tracking imaging camera of the present invention electronically trims a part of the entire imaging region of the imaging device to form a trimming region, and is based on the relative movement amount calculated by the computing unit.
  • the image pickup device is moved in parallel in a direction orthogonal to the optical axis of the photographing optical system, and the trimming region is moved to rotate about an axis parallel to the optical axis of the photographing optical system.
  • the arithmetic means can calculate the relative movement amount from the input information and a spherical triangle connecting the zenith, the celestial pole, and the celestial body at the center of the photographing screen on the celestial sphere.
  • the calculation means is configured such that the input latitude is ⁇ , the azimuth angle is A, the elevation angle is h, the rotation angle from the horizontal around the optical axis of the photographing optical system is taken as the posture information of the photographing device, and photographing is performed.
  • the focal length of the optical system is f
  • the angle ⁇ formed by the horizontal and the celestial equator is calculated by the following equation (14)
  • the astronomical image of the rectangular image sensor at the predetermined time t with respect to the long side direction and the short side direction is calculated.
  • the relative movement amounts ⁇ x and ⁇ y can be calculated by the following formulas (III) and (IV).
  • the camera is pointed at any celestial body and is captured in a fixed state with respect to the ground. You can shoot.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows embodiment of the main structural member of the digital camera which has the automatic celestial body tracking imaging
  • FIG. 1 shows embodiment of the main structural member of the digital camera which has the automatic celestial body tracking imaging
  • the imaging sensor 13 is mounted on the movable stage. Is retained.
  • the imaging sensor 13 (movable stage) is controlled to translate in a desired direction orthogonal to the optical axis LO at a desired movement speed, and further, is positioned somewhere in a plane parallel to the optical axis LO (perpendicular to the optical axis).
  • the rotation is controlled at a desired rotation speed with the center of the instantaneous moment).
  • Such an image sensor driving unit 15 is known as an image stabilization unit of an image blur correction device for a camera described in Patent Document 3, for example.
  • the camera body 11 is equipped with a CPU 21 that controls the functions of the entire camera.
  • the CPU 21 controls the drive of the image sensor 13, processes the image signal captured by the image sensor 13, displays it on the LCD monitor 23, and writes it in the memory card 25.
  • the CPU 21 receives signals detected by the X-direction gyro sensor GSX, the Y-direction gyro sensor GSY, and the rotation detection gyro sensor GSR in order to detect shake applied to the camera when the image sensor driving unit 15 is used as an image stabilization unit. Entered.
  • the camera body 11 includes a power switch 27, a release switch 28, and a setting switch 30 as switches.
  • the CPU 21 executes control according to the on / off states of these switches 27, 28 and 30. For example, in response to the operation of the power switch 27, the power supply from a battery (not shown) is turned on / off, and in response to the operation of the release switch 28, focus adjustment processing, photometry processing, and imaging processing (astrophotography) are executed.
  • the setting switch 30 is a switch for selecting and setting a shooting mode such as an astronomical tracking shooting mode or a normal shooting mode.
  • a GPS unit 31 as latitude information input means, an azimuth angle sensor 33 as azimuth angle information input means, and a gravity sensor 35 as photographing elevation angle information input means are incorporated.
  • the CPU 21 receives latitude information ⁇ from the GPS unit 31, shooting azimuth angle information A from the azimuth angle sensor 33, and shooting elevation angle information h from the gravity sensor 35.
  • the gravity sensor 35 has a level function, and gives the posture information of the camera body 11 shown in FIG. 11 to the CPU 21 (the gravity sensor 35 functions as a camera posture information input unit).
  • the camera posture information is rotation angle information ⁇ about the photographing optical axis LO from the reference position of the camera body 11 (image sensor 13).
  • the reference position of the camera body 11 (image sensor 13) is, for example, a position where the long side direction of the rectangular image sensor is the horizontal direction X, and the angle ⁇ formed with the long side direction X ′ after rotation is the rotation angle. Information.
  • the GPS unit 31, the azimuth angle sensor 33, and the gravity sensor 35 described above may be incorporated in the camera body 11, or any or all of them may be externally attached to the camera body.
  • these sensors can be mounted on an accessory shoe or a bracket attached to the bottom plate, and input to the CPU 21 via a contact of the accessory shoe or a connector such as a USB.
  • the date and time can use the built-in clock of the digital camera 10, and the latitude information ⁇ may be manually input to the CPU 21 by the user using the setting switch 30.
  • the CPU 21 captures latitude information ⁇ input from the GPS unit 31, shooting azimuth angle information A input from the azimuth angle sensor 33, shooting elevation angle information h input from the gravity sensor 35, and rotation angle information (camera posture) when shooting astronomical tracking. Information) Based on ⁇ and the focal length information f input from the above-described focal length detection device 105, the imaging sensor driving unit 15 is driven and controlled, and the imaging sensor 13 is translated and rotated.
  • the radius of the celestial sphere that should actually be infinite is set to a finite r as shown in FIG.
  • ⁇ be the angle (the angle formed between the polar direction of the sky and the optical axis of the imaging optical system).
  • the orbit drawn by the celestial body is a circular orbit as shown in Fig. 4, the composition of the circular orbit viewed from directly below (a1), the composition viewed from diagonally (a2), (a3), and the composition viewed from the side.
  • the images shown in (a1) to (a4) of FIG. 5 are obtained, and the result is that the trajectories are different.
  • the celestial body appears to move in a circular orbit, but when actually shooting with a camera, the shooting elevation angle h of the camera affects the imaging state.
  • the digital camera 10 is directed toward the celestial body, and the trajectory when the celestial body (Earth) is rotated by ⁇ ° indicates the X direction (the direction of the celestial sphere) and the Y direction ( A description will be made by dividing the celestial sphere in the meridian direction.
  • the amount of movement y in the Y direction varies depending on the direction in which the circular orbit is viewed.
  • the movement amounts ⁇ x and ⁇ y on the imaging surface 14 are obtained with respect to the direction in which the X direction and Y direction of the celestial sphere are projected on the imaging surface 14.
  • ⁇ x and ⁇ y That is, the amount of movement of the image sensor 13 in the plane orthogonal to the optical axis varies depending on the focal length f of the photographic lens 101 attached to the digital camera 10.
  • the image sensor 13 determines how much the image sensor 13 should be rotated around the center of the image sensor at the time of shooting.
  • the orbit of the celestial body appears as a circle or an elliptical orbit.
  • the point F is captured at the center of the imaging sensor (center C of the imaging surface 14) and is tracked for the movement F ⁇ F ′.
  • the image sensor center C may be moved by ⁇ x, ⁇ y.
  • the point J moves from J to J '.
  • the image sensor 13 may be rotated around the image sensor center C.
  • the rotation angle is the inclination angle of the tangent line L of the ellipse at the point F ′ (the angle formed by the tangent line of the ellipse at the point F and the tangent line of the ellipse at the point F ′) ⁇ .
  • the long side direction of the image sensor 13 is defined as the X axis
  • the short side direction orthogonal to the X axis is defined as the Y axis.
  • each symbol is defined as follows.
  • P Heavenly pole Z: Zenith N: True north
  • S Target celestial body (shooting target point) (For convenience of explanation, this target celestial body (constant star) is the center of the shooting screen 14 and is located on the extended line of the optical axis LO of the shooting lens 101. However, shooting is performed.
  • ⁇ Latitude of the shooting location
  • A Shooting azimuth (azimuth of the celestial body S aimed by the photographic lens 101 or azimuth of the intersection of the optical axis LO of the photographic lens 101 and the celestial sphere)
  • h Elevation angle (the altitude of the celestial body S aimed by the photographic lens 10 or the altitude of the intersection of the optical axis LO of the photographic lens 101 and the celestial sphere)
  • ⁇ Declination of the target celestial body S
  • ⁇ Angle formed by the shortest curve connecting the celestial pole P and the target celestial body S on the celestial sphere and the curve connecting the zenith Z and the target celestial body (stellar) S .
  • ⁇ in the equations (8) to (11) is replaced with ⁇ POS, the X-direction movement amount x and the Y-direction movement amount y of the celestial body at an arbitrary latitude ⁇ can be obtained.
  • the camera posture is a rotation angle around the photographing lens optical axis LO of the digital camera 10, and the camera posture when the longitudinal direction of the imaging surface 14 is horizontal is horizontal.
  • ⁇ arctan [cos ( ⁇ ) ⁇ sin (A) / (sin ( ⁇ ) ⁇ cos (h)-cos ( ⁇ ) ⁇ sin (h) ⁇ cos (A))] (14) It becomes.
  • the moving amounts x and y of the celestial body are converted into the horizontal moving amount ⁇ x and the vertical moving amount ⁇ y in the coordinates on the imaging surface (the vertical and horizontal coordinates of the camera (imaging device)).
  • the following formulas (I) and (II) are used.
  • ⁇ x x ⁇ cos ( ⁇ ) + y ⁇ sin ( ⁇ ) (I)
  • ⁇ y x ⁇ sin ( ⁇ ) + y ⁇ cos ( ⁇ ) (II)
  • the rotation angle ⁇ , the lateral movement amount ⁇ x, and the vertical movement amount ⁇ y of the imaging sensor 13 described above are calculated as follows.
  • the composition of the digital camera 10 is determined and fixed so that the target celestial body is projected onto the imaging surface 14.
  • the latitude information ⁇ of the shooting point is input from the GPS unit 31 to the CPU 21
  • the shooting azimuth angle information A of the digital camera 10 is input from the azimuth sensor 33
  • the shooting elevation angle information is input from the gravity sensor 35.
  • h and rotation angle information (camera posture information) ⁇ are input.
  • the CPU 21 obtains the positions of the zenith point Z, the celestial pole point P, and the celestial body point S at the center of the photographing screen from these input information, as shown in FIGS.
  • the CPU 21 rotates the imaging sensor 13 from the focal length information f and the rotation angle information (camera posture information) ⁇ of the photographing lens 101 input from the focal length detection device 105.
  • the angle ⁇ , the horizontal movement amount ⁇ x, and the vertical movement amount ⁇ y are calculated.
  • the CPU 21 performs parallel movement control and rotational movement control of the image sensor 13 in accordance with the movement locus based on the calculated rotation angle ⁇ , lateral movement amount ⁇ x, and vertical movement amount ⁇ y (at this time, the orientation of the digital camera 10 is By performing exposure (which is fixed), tracking shooting of astronomical objects becomes possible.
  • the above-described mechanism is mechanically described above.
  • the camera body 11 can be realized by moving only the image sensor 13 in a predetermined direction along a predetermined locus while the camera body 11 remains fixed on the ground.
  • the movable range of the image sensor 13 by the image sensor drive unit 15 has a mechanical limit.
  • This mechanical limit limits the exposure time.
  • the mechanical limits if the X direction is Lx, the Y direction is Ly, and the rotation mechanical limit is L ⁇ , the time Tlimit to reach each limit is ⁇ in the formulas (12), (III), and (IV).
  • the time Tlimit for ⁇ x, ⁇ y, and ⁇ obtained at that time is defined as Tlimit ( ⁇ x), Tlimit ( ⁇ y), and Tlimit ( ⁇ ), respectively.
  • the minimum value among the above three times Tlimit ( ⁇ x), Tlimit ( ⁇ y), and Tlimit ( ⁇ ) is defined as the longest exposure time Tlimit limited by the mechanical limit.
  • the imaging sensor 13 captures the target celestial body (star) S (FIGS. 9 and 10).
  • the celestial body tracking shooting of this embodiment is performed (S105: YES, 107: YES, S109).
  • an exposure time T for an arbitrary long second is set for the camera by the photographer.
  • the digital camera 10 is equipped with an AF device and an AF-capable shooting lens 101, the focus is fixed at infinity (or at infinity for the photographer) when the astronomical tracking shooting mode is set. It is preferable to perform an operation that prompts the user to set the focus state. It is preferable to execute the infinity focusing process at least before the celestial body tracking imaging process.
  • the imaging sensor driving unit 15 is initialized, and the imaging sensor 13 is held in a state where the center C of the imaging surface 14 coincides with the optical axis LO (S201). ).
  • the CPU 21 inputs latitude information ⁇ from the GPS unit 31, inputs shooting azimuth angle information A from the azimuth sensor 33, and shooting elevation angle information h and rotation angle information (camera posture information) from the gravity sensor 35.
  • ⁇ is input
  • focal length information f is input from the focal length detection device 105 (S203).
  • the CPU 21 inputs the latitude information ⁇ , the shooting azimuth angle information A, the shooting elevation angle information h, the rotation angle information (camera posture information) ⁇ , and the focal length information f, and the movable range of the image sensor 13 by the image sensor driving unit 15.
  • the longest exposure time (exposure limit time) Tlimit is calculated from the mechanical limit (S205).
  • the CPU 21 determines whether or not the arbitrary exposure time T set by the photographer is within the longest exposure time Tlimit (S207).
  • the CPU 21 sets the exposure time T as the exposure time during astronomical tracking shooting (S207: YES).
  • the CPU 21 sets the longest exposure time Tlimit as the exposure time during astronomical tracking shooting (S209).
  • the CPU 21 opens the shutter (not shown) for the set exposure time and starts imaging by the imaging sensor 13 (S211). Note that the aperture is usually shot in the open state, but can be arbitrarily set by the photographer.
  • the CPU 21 receives the latitude information ⁇ of the shooting point input from the GPS unit 31, the shooting azimuth angle information A of the digital camera 10 input from the azimuth angle sensor 33, the shooting elevation angle information h and the rotation angle information (camera posture) input from the gravity sensor 35.
  • Information) From ⁇ the positions of the zenith point Z, the celestial pole point P, and the celestial body point S at the center of the imaging screen are obtained (FIGS. 9 and 10).
  • the CPU 21 calculates the rotation angle ⁇ of the image sensor 13 from the obtained three points Z, P, S and the focal length information f and rotation angle information (camera posture information) ⁇ of the photographing lens 101 input from the focal length detection device 105.
  • the horizontal movement amount ⁇ x and the vertical movement amount ⁇ y are calculated (S213).
  • the CPU 21 performs parallel movement control and rotation of the image sensor 13 in accordance with the movement trajectory based on the calculated rotation angle ⁇ , horizontal movement amount ⁇ x, and vertical movement amount ⁇ y. Exposure is performed while controlling the movement (S215, S217: NO). As a result, each celestial object can be photographed in an apparently stationary state only by photographing with the digital camera 10 fixed.
  • the CPU 21 sets the rotation angle ⁇ , the horizontal movement amount ⁇ x, and the vertical movement amount ⁇ y of the image sensor 13 a plurality of times according to the elapsed time from the start of exposure within the set exposure time. Calculate and update.
  • movement period (frequency) of the CPU 21, and the amount of free memory movement data within the total exposure time is already calculated and stored at the start of exposure, and each time of movement according to the elapsed time from the start of exposure. It is also possible to read the movement data from the memory and control the movement of the image sensor 13. This eliminates the need to calculate and update the rotation angle ⁇ , the lateral movement amount ⁇ x, and the vertical movement amount ⁇ y of the image sensor 13 during the exposure time.
  • the CPU 21 closes the shutter (not shown) and ends the exposure (S219).
  • the CPU 21 reads captured image data from the image sensor 13 (S221), and performs image processing such as white balance adjustment and change to a predetermined format (S223).
  • the CPU 21 displays the photographed image data after the image processing on the LCD monitor 23 and stores it in the memory card 25 as an image file of a predetermined format (S225).
  • the relative movement amount (rotation angle ⁇ , horizontal movement amount ⁇ x, vertical movement amount ⁇ y) of the celestial image with respect to 10 is calculated, and the calculated relative movement amounts (rotation angle ⁇ , horizontal movement amount ⁇ x, vertical movement amount ⁇ y) are calculated.
  • the process (S213) for calculating the direction movement amount ⁇ y may be executed before the start of exposure (before S211) to calculate drive data for the longest exposure time Tlimit in advance.
  • the drive data may be stored in the camera built-in memory, and the image sensor 13 may be moved and controlled via the image sensor drive unit 15 by sequentially reading the data from the camera built-in memory during exposure.
  • the image sensor 13 is physically translated and rotated by the drive control of the image sensor driving unit 15 by the CPU 21.
  • the predetermined imaging area of the imaging sensor 13 is a trimming area obtained by electronically trimming a part of the entire imaging area of the imaging sensor 13 (the entire area of the imaging surface 14), and the calculated relative movement amount (rotation angle ⁇ , Based on the horizontal movement amount ⁇ x and the vertical movement amount ⁇ y), the trimming area is translated in a direction perpendicular to the optical axis LO of the photographing optical system 101 and rotated around an axis parallel to the optical axis LO. It is also possible to take a picture with the celestial body as a point. In this aspect, in FIG.
  • the CPU 21 sends a trimming instruction signal to the image sensor 13 at a predetermined drive cycle, so that the trimming area of the image sensor 13 is orthogonal to the optical axis LO of the imaging optical system 101. It is possible to take a picture while translating in the direction and rotating around an axis parallel to the optical axis LO.
  • the digital camera 10 described above includes the image sensor driving unit 15 that rotates the image sensor 13 in a direction orthogonal to the optical axis and around an axis parallel to the optical axis. However, the image sensor driving unit 15 is omitted and imaging is performed.
  • a combination of an image blur correction device in which an image blur correction lens (anti-vibration lens) 102 that moves a subject position on the image sensor 13 in the lens 101 and an image sensor rotation mechanism that rotates the image sensor is combined or trimmed.
  • the digital camera of the present invention can be configured even in combination with a mode in which the region is rotated.
  • FIG. 14 shows the embodiment.
  • the lens CPU 103 causes the image blur correction lens 102 to be orthogonal to the optical axis via the image stabilization drive unit 104.
  • the CPU 21 sends a rotation instruction signal to the image sensor 13 at a predetermined drive cycle, thereby rotating the image sensor about an axis parallel to the optical axis LO.
  • the CPU 21 sends a trimming instruction signal to the image sensor 13 at a predetermined drive cycle, thereby rotating the trimming area of the image sensor 13 about an axis parallel to the optical axis LO of the photographing optical system 101.
  • a digital camera is shown as a camera.
  • the present invention is not limited to a lens interchangeable single-lens reflex digital camera or a lens shutter compact digital camera, and the imaging unit (imaging device) is in a plane orthogonal to the optical axis.
  • the present invention can be applied to an imaging apparatus that can be moved and rotated in an arbitrary direction orthogonal to the optical axis.
  • the celestial automatic tracking photographing method and the camera according to the present invention are suitable for photographing a celestial body that moves relative to the photographing apparatus by diurnal motion.

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Abstract

　カメラを任意の天体に向けて地上に対して固定状態で撮影するだけで各天体を見かけ上静止した状態で撮影できる天体自動追尾撮影方法及びカメラを得る。本発明の天体自動追尾撮影方法は、撮影地点の緯度情報、撮影方位角情報、撮影仰角情報、撮影装置の姿勢情報、及び撮影光学系の焦点距離情報を入力する段階と、前記入力した全情報を用いて、天体像を撮像素子の前記所定の撮像領域に対して固定するための前記撮影装置に対する相対移動量を算出する段階と、算出した相対移動量に基づき、前記所定の撮像領域と天体像の少なくとも一方を移動させて撮影する段階とを有する。

Description

天体自動追尾撮影方法及びカメラ
　本発明は、天体の静止撮影を可能にした天体自動追尾撮影方法及びカメラに関する。
　カメラを固定して長時間露出で天体撮影を行うと、地球の自転によりカメラに対して相対的に天体が移動（日周運動）するため、天体の移動軌跡が直線あるいは曲線状に写ってしまう。長時間露出で天体を静止状態（光点状）にして撮影を行うには、自動追尾装置を備えた赤道儀を使用するのが一般的である。
　近年では、赤道儀を用いずに固定したデジタルカメラで複数回の撮影を行い、撮影後に撮影画像データを使用して天体の位置を補正しながら複数回の画像を加算する方法が提案されている（特許文献１、２）。
特開２００６－２７９１３５号公報 特開２００３－２５９１８４号公報 特開２００７－２５６１６号公報
　しかし、自動追尾装置を備えた赤道儀は高価であり、重く、扱いも容易ではなかった。複数の画像を合成するデジタルカメラ（特許文献１、２）は、画像の位置合わせ精度や画像加算処理の速度が遅いなど、画像合成をデジタルカメラ単体で行うことは事実上不可能であった。
　本発明は、赤道儀を使用せずに、カメラを任意の天体に向けて地上に対して固定状態で撮影するだけで各天体を見かけ上静止した状態で撮影できる天体自動追尾撮影方法及びカメラを得ることを目的とする。
　本発明の天体自動追尾撮影方法は、日周運動によって、撮影装置に対して相対運動する天体を撮影するために、前記撮影装置の撮影光学系によって撮像面に形成された天体像が、撮影中、撮像素子の所定の撮像領域に対して固定されるように、前記所定の撮像領域と天体像の少なくとも一方を撮影装置に対して相対移動させて撮影する天体自動追尾撮影方法であって、撮影地点の緯度情報、撮影方位角情報、撮影仰角情報、撮影装置の姿勢情報、及び撮影光学系の焦点距離情報を入力する段階と、前記入力した全情報を用いて、天体像を撮像素子の前記所定の撮像領域に対して固定するための前記撮影装置に対する相対移動量を算出する段階と、算出した相対移動量に基づき、前記所定の撮像領域と天体像の少なくとも一方を移動させて撮影する段階と、を有することを特徴としている。
　本発明の天体自動追尾撮影方法は、その一態様では、前記算出した相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する。
　本発明の天体自動追尾撮影方法は、別の態様では、前記所定の撮像領域は、撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしたトリミング領域であり、前記算出した相対移動量に基づいて、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する。
　本発明の天体自動追尾撮影方法は、さらに別の態様では、前記所定の撮像領域は、撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしたトリミング領域であり、前記算出した相対移動量に基づいて、前記撮影光学系の一部を偏心させることで天体像を撮影装置に対して移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する。ここで言う「撮影光学系の光軸」とは、偏心調整前の初期状態における撮影光学系の光軸を意味する。
　本発明の天体自動追尾撮影方法は、さらに別の態様では、前記所定の撮像領域は、撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしたトリミング領域であり、前記算出した相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する。
　前記相対移動量は、前記入力した全情報と、天球上において天頂と天の極と撮影画面中心位置の天体を結ぶ球面三角形から算出することができる。
　より具体的には、本発明の天体自動追尾撮影方法は、前記入力した緯度をε、方位角をA、仰角をh、撮影装置の姿勢情報として撮影光学系の光軸回りの水平からの回転角をξ、撮影光学系の焦点距離をfとしたとき、水平と天球の赤道がなす角γを下記式(14)により算出する段階と、所定時間tにおける矩形の撮像素子の長辺方向及び短辺方向に対する天体像の相対移動量Δｘ、Δｙを下記式(III)、(IV)により算出する段階とを含むことができる。
　γ = arctan[cos(ε) × sin(A)/(sin(ε) × cos(h) - cos(ε) × sin(h) × cos(A))] ・・・(14)
　Δｘ = x × cos(γ + ξ) + y × sin(γ + ξ)  ・・・(III)
　Δｙ = x × sin(γ + ξ) + y × cos(γ + ξ)  ・・・(IV)
但し、
　Δｘ  = f × sinθ × sinφ　　　　　・・・（10）
　Δｙ = f × sinθ × cosθ(1 - cosφ) ・・・（11）
　θ：天の極方向と撮影光学系光軸との成す角、
　φ：所定時間tにおける地球の自転角、
である。
　本発明の天体自動追尾撮影カメラは、上述したいずれかの天体自動追尾撮影方法を実行するために、前記相対移動量を算出する演算手段を有する。
　本発明の天体自動追尾撮影カメラは、その一態様では、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する。
　本発明の天体自動追尾撮影カメラは、別の態様では、前記撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしてトリミング領域とし、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する。
　本発明の天体自動追尾撮影カメラは、さらに別の態様では、前記撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしてトリミング領域とし、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記撮影光学系の一部を偏心させることで天体像を撮影装置に対して移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する。ここで言う「撮影光学系の光軸」とは、偏心調整前の初期状態における撮影光学系の光軸を意味する。
　本発明の天体自動追尾撮影カメラは、さらに別の態様では、前記撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしてトリミング領域とし、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する。
　前記演算手段は、前記入力した全情報と、天球上において天頂と天の極と撮影画面中心位置の天体を結ぶ球面三角形から前記相対移動量を算出することができる。
　より具体的には、前記演算手段は、前記入力した緯度をε、方位角をA、仰角をh、撮影装置の姿勢情報として撮影光学系の光軸回りの水平からの回転角をξ、撮影光学系の焦点距離をfとしたとき、水平と天球の赤道がなす角γを下記式(14)により算出し、所定時間tにおける矩形の撮像素子の長辺方向及び短辺方向に対する天体像の相対移動量Δｘ、Δｙを下記式(III)、(IV)により算出することができる。
　γ = arctan[cos(ε) × sin(A)/(sin(ε) × cos(h) - cos(ε) × sin(h) × cos(A))] ・・・(14)
　Δｘ = x × cos(γ + ξ) + y × sin(γ + ξ)  ・・・(III)
　Δｙ = x × sin(γ + ξ) + y × cos(γ + ξ)  ・・・(IV)
但し、
　Δｘ = f × sinθ × sinφ　　　　　・・・（10）
　Δｙ  = f × sinθ × cosθ(1 - cosφ) ・・・（11）
　θ：天の極方向と撮影光学系光軸との成す角、
　φ：所定時間tにおける地球の自転角、
である。
　本発明の天体自動追尾撮影方法及びカメラによれば、赤道儀を使用せずに、カメラを任意の天体に向けて地上に対して固定状態で撮影するだけで各天体を見かけ上静止した状態で撮影することができる。
本発明による自動天体追尾撮影機能を有するデジタルカメラの主要構成部材の実施形態を示すブロック図である。 北極点で天体撮影する様子を、天球の半径をｒとして示した図である。 図１を真下から見た様子を説明する図である。 天体の軌道（円軌道）を異なる方向(a1)乃至(a4)から見た様子を説明する図である。 円軌道の天体を異なる方向(a1)乃至(a4)から撮影した場合の天体の軌跡の画像を示した図である。 天体にカメラを向けて、地球の自転により天体画像が描く軌跡を説明する図である。 天体が見かけ上楕円（円）軌道を描いて移動する場合、天体を撮像センサ中心にとらえて天体の移動に対して追尾する様子を説明する図である。 楕円と接線の関係を説明する図である。 本発明による天体撮影を説明する天球図である。 同天球図上の、北極点、目標の天体及び天頂を結ぶ球面三角形を示した図である。 デジタルカメラがその撮影光軸回りに水平から傾いている様子を示した図である。 同デジタルカメラによる天体追尾撮影に関するメイン動作をフローチャートで示した図である。 同デジタルカメラによる天体追尾撮影をフローチャートで示した図である。 本発明による別実施形態の自動天体追尾撮影機能を有するデジタルカメラの主要構成部材の実施形態を示す図１に対応するブロック図である。
　以下、本発明の天体自動追尾撮影方法及びデジタルカメラの実施形態を説明する。図１に示すように、本実施形態のデジタルカメラ１０（撮影装置）は、カメラボディ１１と撮影レンズ１０１（撮影光学系Ｌ）を備えている。カメラボディ１１内には、撮影光学系Ｌの後方に撮像手段として撮像センサ１３が配設されている。撮影光学系Ｌの光軸ＬＯと撮像センサ１３の撮像面１４とは直交している。この撮像センサ１３は、撮像センサ駆動ユニット（移動手段）１５に搭載されている。撮像センサ駆動ユニット１５は、固定ステージと、この固定ステージに対して可動な可動ステージと、該固定ステージに対して可動ステージを移動させる電磁回路とを有しており、可動ステージに撮像センサ１３が保持されている。撮像センサ１３（可動ステージ）は、光軸ＬＯと直交する所望の方向に所望の移動速度で平行移動制御され、さらに光軸ＬＯと平行な軸（光軸と直交する面内の何処かに位置する瞬間中心）を中心として所望の回転速度で回転制御される。このような撮像センサ駆動ユニット１５は、例えば特許文献３に記載されているカメラの像ブレ補正装置の防振ユニットとして公知である。
　カメラボディ１１には、カメラ全体の機能を制御するＣＰＵ２１が搭載されている。ＣＰＵ２１は、撮像センサ１３を駆動制御し、撮像センサ１３が撮影した画像信号を処理してＬＣＤモニタ２３に表示するとともに、メモリーカード２５に書き込む。ＣＰＵ２１には、撮像センサ駆動ユニット１５を防振ユニットとして用いる際にカメラに加わる振れを検出するために、Ｘ方向ジャイロセンサＧＳＸ、Ｙ方向ジャイロセンサＧＳＹ、及び回転検出ジャイロセンサＧＳＲが検出した信号が入力される。
　カメラボディ１１は、スイッチ類として、電源スイッチ２７、レリーズスイッチ２８、設定スイッチ３０を備えている。ＣＰＵ２１は、これらのスイッチ２７、２８、３０のオン／オフ状態に応じた制御を実行する。例えば、電源スイッチ２７の操作を受けて、図示しないバッテリからの電力供給をオン／オフし、レリーズスイッチ２８の操作を受けて焦点調節処理、測光処理及び撮影処理（天体撮影処理）を実行する。設定スイッチ３０は、天体追尾撮影モードや通常撮影モードなどの撮影モードを選択し、設定するスイッチである。
　カメラボディ１１内には、緯度情報入力手段としてのＧＰＳユニット３１、方位角情報入力手段としての方位角センサ３３、及び撮影仰角情報入力手段としての重力センサ３５が内蔵されている。ＣＰＵ２１には、ＧＰＳユニット３１から緯度情報ε、方位角センサ３３から撮影方位角情報A、及び重力センサ３５から撮影仰角情報hが入力される。また、重力センサ３５は水準機能を有しており、図１１に示すカメラボディ１１の姿勢情報をＣＰＵ２１に与える（重力センサ３５がカメラ姿勢情報入力手段として機能する）。カメラ姿勢情報は、カメラボディ１１（撮像センサ１３）の基準位置からの撮影光軸ＬＯを中心とする回転角情報ξである。カメラボディ１１（撮像センサ１３）の基準位置は、例えば、矩形の撮像センサの長辺方向を水平方向Ｘとした位置であり、回転後の長辺方向Ｘ’とのなす角ξがこの回転角情報である。
　以上のＧＰＳユニット３１、方位角センサ３３、重力センサ３５は、カメラボディ１１に内蔵する他、いずれか又は全てをカメラボディに対する外付けタイプとしてもよい。具体的には、アクセサリーシュー、又は底板に装着されるブラケットにこれらセンサを装備し、アクセサリーシューの接点を介して、又はＵＳＢ等のコネクタを介してＣＰＵ２１に入力する構成とすることができる。日時はデジタルカメラ１０の内蔵時計を利用することができ、緯度情報εは、設定スイッチ３０を利用してＣＰＵ２１に使用者が手入力してもよい。
　ＣＰＵ２１は、天体追尾撮影するときに、ＧＰＳユニット３１から入力した緯度情報ε、方位角センサ３３から入力した撮影方位角情報A、重力センサ３５から入力した撮影仰角情報h及び回転角情報（カメラ姿勢情報）ξ、並びに前述の焦点距離検出装置１０５から入力した焦点距離情報ｆに基づいて、撮像センサ駆動ユニット１５を駆動制御し、撮像センサ１３を平行移動及び回転させる。
　以上のデジタルカメラ１０を用いて行う天体追尾撮影の原理を具体的に説明する。
「北極点（緯度９０゜）から撮影する場合」
地球上の北極点（緯度９０゜）から撮影する場合とは、地軸（自転軸）の延長上に位置する北極星（天の極）が天頂と一致している状態（図２）での撮影である。
　天球を有限の球体と見立てて、実際には無限大となるはずの天球の半径を図２のように有限の r とおき、デジタルカメラ１０の撮影光学系Ｌの光軸ＬＯと北極星からのずれ角度（天の極方向と撮影光学系光軸との成す角）をθとする。このとき、デジタルカメラ１０の撮影仰角hは、９０－θ（ｈ＝９０－θ）である。
　天球を図３のように真下から見た場合、すべての天体は北極星（天の極）を中心に円軌道を描く。その円軌道の半径をRと置く。円軌道の半径Rはデジタルカメラ１０の撮影仰角hに依存するので、θで表すことができる。円軌道の半径Rは、
　R = r × sinθ　　　・・・(1)
で与えられる。
　円軌道の１周360°を24時間（ = 1440分 = 86400秒）で一回りするとして、t秒でφ゜回転する場合、
　φ = 0.004167 × t [deg]　　・・・(2)
が成立する。
　図４のように天体の描く軌道が円軌道であっても、円軌道を真下から見た構図(a1)の場合と、斜めから見た構図(a2)、(a3)、真横から見た構図(a4)の場合はそれぞれ図５の(a1)乃至(a4)に示したような画像となり、軌跡が異なるという結果が得られる。つまり、天体はあたかも円軌道を描いて動いているように見えるが、実際にカメラで撮影する場合には、カメラの撮影仰角hが結像状態に影響する。
　これらの軌跡は、円を斜めから見ると楕円に見えることから、Xrを楕円の長軸側の半径、Yrを短軸側の半径として、
　Xr = R = r × sinθ　　　　　　　　　 ・・・(3)
　Yr = R × cosθ= r × sinθ × cosθ　・・・(4)
として求めることができる。
　そこで、図３、図４、図６に示したように、天体にデジタルカメラ１０を向けて、天体（地球）がφ゜回転したときの軌跡をＸ方向（天球の緯線方向）、Ｙ方向（天球の経線方向）に分割して説明する。Ｘ方向の移動量xは、
　ｘ = R × sinφ　　・・・(5)
となる。Ｙ方向の移動量ｙは円軌道を見ている方向により異なる。
　図６中において、矢印（Ｄ点からＥ点）で示した天体の軌跡は、(a1)のように天体の軌跡を真下から見た場合(θ= 0°)に完全な円軌道を描く。実際にはθ= 0では、円の半径Rも０となり点にしか見えないが、ここでは簡単のためRを有限の値で仮定する。このとき、Ｙ方向の移動量ｙは最大になる。
　そして、円軌道を構図(a2)、(a3)のように斜めに見ていくと移動量ｙは小さくなっていくので、構図(a4)のように円軌道を真横から見ると移動量ｙは最小（＝０）となる。Ｙ方向の移動量ｙの最大量Ymaxは円軌道の場合の図６から、
　Ymax = R - R × cosφ　　・・・(6)
となる。よって移動量ｙは、
　ｙ = Ymax × cosθ = (R - R × cosφ) × cosθ　・・・(7)
となる。(5)、(7)式中のRに(1)式を代入すると、移動量ｘ、移動量ｙは、
　ｘ = r × sinθ × sinφ　　　　　　　　　・・・(8)
　ｙ = r × sinθ × cosθ(1 - cosφ)     　・・・(9)
となる。
　実際のデジタルカメラ１０を用いて天球に対する計算をするには、天球のＸ方向、Ｙ方向を撮像面１４上に射影した方向に関し、撮像面１４上での移動量ΔｘとΔｙを求める。無限大となる天球半径 r は撮影レンズ１０１の焦点距離fで表して、
　Δｘ = f × sinθ × sinφ　　　　　　　 ・・・（10）
　Δｙ = f × sinθ × cosθ(1 - cosφ)    ・・・（11）
により、移動量ΔｘとΔｙを演算する。
　つまり、撮像センサ１３の光軸直交面内での移動量は、デジタルカメラ１０に装着された撮影レンズ１０１の焦点距離fによって変化する。
　次に、撮影時に撮像センサ中心を中心として撮像センサ１３をどれだけ回転すればよいかを求める。前述のように、デジタルカメラ１０から天体を見た場合、天体の軌道は円もしくは楕円軌道として見える。図７のように点Ｆの天体が楕円（円）軌道を描いて移動する場合、点Ｆを撮像センサ中心（撮像面１４の中心Ｃ）にとらえて、Ｆ→Ｆ'という移動に対し追尾するならば、撮像センサ中心ＣをΔｘ、Δｙ移動させればよい。しかし、点Ｆの周囲に例えばＪという天体があった場合、点Ｊは、Ｊ→Ｊ'へと移動する。この点Ｊに対しても追尾を行うためには、撮像センサ中心Ｃを中心として撮像センサ１３を回転させればよい。その回転角度は、点Ｆ'における楕円の接線Lの傾き角（点Ｆにおける楕円の接線と点Ｆ'における楕円の接線との成す角）αである。以下、カメラボディ１１（撮像センサ１３）の基準位置において、撮像センサ１３の長辺方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する短辺方向をＹ軸とする。
　図８のようなＸ-Ｙ座標系と楕円において、楕円上の点Ｋにおける楕円の接線Lの方程式は、
　x0 × x/a2 + y0 × y/b2 = 1
となる。図８において、点a、点bは、式(3)と(4)で示した楕円の長軸側の半径Xr、短軸側の半径Yrに相当する。
　この接線Lの式をYについての方程式(Y=)の形に変形すると、
　Y = -(b2 × x0)/(a2 × y0) × x - 1/(a2 × y0)
となる。この楕円の接線LとX軸の成す角度が、画像中心を回転中心とする画像の回転角αである。
　楕円の接線Lの傾きに直交する直線Qの傾きは、
　-(b2 × x0)/(a2 × y0)
となるため、求める回転角αは、
　α = arctan( -(b2 × x0)/(a2 × y0))  ・・・(12)
となる。
「緯度が90°以外の場合」
　以上は、撮影地点の緯度が90°（つまり北極星（天の極）が真上にある場合）の説明である。次に、撮影地点の緯度が90°以外の場合について、さらに図９及び図１０を参照して説明する。
　北半球における天体撮影の様子を表す図９において、各符号を以下の通り定義する。
P：天の極
Z：天頂
N：真北
S：対象天体（撮影目標点）（説明の便宜上、この対象天体（恒星）は撮影画面１４の中心であり、撮影レンズ１０１の光軸ＬＯの延長線上に位置するものとする。但し、撮影するにあたり光軸をどれかの天体に一致させる必要が無いことは言うまでも無い）
ε：撮影地点の緯度
A：撮影方位角（撮影レンズ１０１が狙う天体Ｓの方位、又は撮影レンズ１０１の光軸ＬＯと天球との交点の方位角）
h：撮影仰角（撮影レンズ１０が狙う天体Ｓの高度、又は撮影レンズ１０１の光軸ＬＯと天球との交点の高度）
H：対象天体Ｓの時角（通常、時角の単位は時間が使われるが、ここでは角度（1時間＝１５度）に換算して扱うこととする。）
δ：対象天体Ｓの赤緯
γ：天球面上において、天の極Ｐと対象天体Sとを最短で結ぶ曲線と、天頂Ｚと対象天体（恒星）Sとを最短で結ぶ曲線とがなす角。
　図９において、北極星Pと目標点Sの間の角度である∠POSが求められれば、図２における角度θを∠POSに置き換えることで天体の軌跡を求めることができる。
　∠POSは、球の半径を１とした場合の図１０の曲線PSの長さに等しい。よって、∠POSは球面三角の余弦定理を用いて、
　cos(∠POS) = cos(90 - ε) × cos(90 - h) + sin(90 - ε) × sin(90 - h)×cos(A)
　        = sin(ε) × sin(h) + cos(ε) × cos(h) × cos(A)
となるので、
　∠POS = arccos[sin(ε) × sin(h) + cos(ε) × cos(h) × cos(A)]　・・・(13)
となる。
　ここで、式(8)乃至(11)のθを∠POSで置き換えると、任意の緯度εにおける天体のＸ方向移動量ｘ、Ｙ方向移動量ｙを求めることができる。
　また、カメラ姿勢によって、移動方向の補正を行う必要がある。カメラを水平に構えたまま、撮影仰角hの方向に持ち上げて目標点Sへ向けた場合、水平と目標点Sの赤道がなす角はγとなる。なお、前述のように、カメラ姿勢は、デジタルカメラ１０の撮影レンズ光軸ＬＯ回りの回転角のことであり、撮像面１４の長手方向が水平の場合のカメラ姿勢を水平とする。
　球面三角の正接定理より、
　tan(γ) = sin(90 - ε) × sin(A)/(cos(90 - ε) × sin(90 - h) - sin(90 - ε) × cos(90 - h) × cos(A))
　　      = cos(ε) × sin(A)/(sin(ε) × cos(h) - cos(ε) × sin(h) × cos(A))
となり、
　γ = arctan[cos(ε) × sin(A)/(sin(ε) × cos(h) - cos(ε) × sin(h) × cos(A))]  ・・・(14)
となる。
　よって、上記で求めたこのγを用いて、天体の移動量ｘ、ｙを撮像面上の座標（カメラ（撮像素子）の縦横座標）における横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙに変換するには、下記式(I)、(II)を使用する。
　Δｘ = x × cos(γ) + y × sin(γ)  ・・・(I)
　Δｙ = x × sin(γ) + y × cos(γ)  ・・・(II)
　また、図１１に示したように、デジタルカメラ１０のカメラ姿勢（撮像センサ１３）が撮影レンズ光軸ＬＯ回りに水平からξ傾いている（回転している）場合は、式(III)、(IV)によって撮像センサ１３の横方向、縦方向移動量Δｘ、Δｙを補正することができる。
　Δｘ = x × cos(γ + ξ) + y × sin(γ + ξ)  ・・・(III)
　Δｙ= x × sin(γ + ξ) + y × cos(γ + ξ)  ・・・(IV)
　以上の撮像センサ１３の回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙは、次のように算出される。
　天球の北極点Ｐの方向は、日時にかかわらず変化しないと見なすことができるので、撮影地点の緯度から演算によって算出できる。さらに天頂Ｚの方向も、緯度から算出できる。従って、先ず、目標とする天体が撮像面１４に投影されるように、デジタルカメラ１０の構図を決めて固定する。このデジタルカメラ１０の構図において、ＣＰＵ２１に、ＧＰＳユニット３１から撮影地点の緯度情報εを入力し、方位角センサ３３からデジタルカメラ１０の撮影方位角情報Aを入力し、重力センサ３５から撮影仰角情報h及び回転角情報（カメラ姿勢情報）ξを入力する。ＣＰＵ２１は、これらの入力情報から、図９、図１０に示したように、天頂の点Ｚ、天の極の点Ｐ、撮影画面中心の天体の点Ｓの位置を求める。
　以上の３点Ｚ、Ｐ、Ｓが求まれば、ＣＰＵ２１は、焦点距離検出装置１０５から入力した撮影レンズ１０１の焦点距離情報ｆ及び回転角情報（カメラ姿勢情報）ξから、撮像センサ１３の回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙを算出する。ＣＰＵ２１は、この算出した回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙに基づく移動軌跡に合わせて撮像センサ１３を平行移動制御及び回転移動制御しながら（このときデジタルカメラ１０の向きは固定である）露出を行うことで、天体の追尾撮影が可能となる。
　以上のように、撮像センサ１３を、光軸ＬＯに直交する平面上でＸＹ方向移動及び回転運動もできるように構成された撮像センサ駆動ユニット１５を備えたデジタルカメラ１０では、機構的には上記の天体追尾撮影を、カメラボディ１１は地上に固定のままで、撮像センサ１３だけを所定の方向に所定の軌跡で移動させることで実現できる。
　一方、撮像センサ駆動ユニット１５による撮像センサ１３の可動範囲には機械的リミットがある。この機械的リミットにより露出時間が制限される。各機械的リミットのうちＸ方向をLx、Ｙ方向をLy、回転の機械的リミットをLαとすると、それぞれのリミットに達するまでの時間Tlimitは式(12)、(III)、(IV)のαにLα、ΔｘにLx、ΔｙにLyを代入し、Ｔについて逆算することで算出できる。その時得られたΔｘ、Δｙ、αについての時間TlimitをそれぞれTlimit(Δｘ)、Tlimit(Δｙ)、Tlimit(α)とする。上記の３つの時間Tlimit(Δｘ)、Tlimit(Δｙ)、Tlimit(α)のうち最小値を機械的リミットにより制限された最長露出時間Tlimitとする。
　このデジタルカメラ１０による天体撮影（天体追尾撮影）について、図１２及び図１３に示したフローチャートを参照して説明する。図１２に示すように、設定スイッチ３０により通常撮影モードが設定されて電源スイッチ２７がオンされた状態では（Ｓ１０１、Ｓ１０３：ＮＯ）、レリーズスイッチ２８をオンすることにより通常の撮影が行われる（Ｓ１０５：ＹＥＳ、Ｓ１０７：ＮＯ、Ｓ１１１）。電源スイッチ２７がオフされたときは撮影動作が終了する（Ｓ１０３：ＹＥＳ）。レリーズスイッチ２８がオンされないときは撮影が行われない（Ｓ１０５：ＮＯ）。この撮影動作は一般的なデジタルカメラ１０によるそれと同じである。
　一方、設定スイッチ３０により天体追尾撮影モードが設定されて電源スイッチ２７がオンされた状態では（Ｓ１０１、Ｓ１０３：ＮＯ）、対象天体（恒星）Ｓ（図９、図１０）を撮像センサ１３の撮像面１４にとらえてレリーズスイッチ２８をオンすることにより、本実施形態の天体追尾撮影が行われる（Ｓ１０５：ＹＥＳ、１０７：ＹＥＳ、Ｓ１０９）。このとき、任意の長秒時の露出時間Ｔが撮影者によってカメラに対して設定される。なお、デジタルカメラ１０にＡＦ装置及びＡＦ対応撮影レンズ１０１が備えられている場合は、天体追尾撮影モードが設定されたときは、焦点を無限遠合焦状態に固定（あるいは撮影者に無限遠合焦状態に設定することを促す動作を）することが好ましい。少なくとも、天体追尾撮影処理の前に無限遠合焦処理を実行することが好ましい。
　次に、本実施形態の天体追尾撮影（Ｓ１０９）について、図１３に示したフローチャートを参照してより詳細に説明する。
　天体追尾撮影処理に入った時点では、撮像センサ駆動ユニット１５の初期化が実行されており、撮像センサ１３は、撮像面１４の中心Ｃが光軸ＬＯに一致した状態で保持されている（Ｓ２０１）。
　この初期化状態でＣＰＵ２１は、ＧＰＳユニット３１から緯度情報εを入力し、方位角センサ３３から撮影方位角情報Aを入力し、重力センサ３５から撮影仰角情報h及び回転角情報（カメラ姿勢情報）ξを入力し、焦点距離検出装置１０５から焦点距離情報ｆを入力する（Ｓ２０３）。
　次いでＣＰＵ２１は、入力した緯度情報ε、撮影方位角情報A、撮影仰角情報h、回転角情報（カメラ姿勢情報）ξ、及び焦点距離情報ｆと、撮像センサ駆動ユニット１５による撮像センサ１３の可動範囲の機械的リミットとから、最長露出時間（露出限界時間）Tlimitを算出する（Ｓ２０５）。
　次いでＣＰＵ２１は、撮影者が設定した任意の露出時間Ｔが最長露出時間Tlimit以内か否かを判定する（Ｓ２０７）。ＣＰＵ２１は、露出時間Ｔが最長露出時間Tlimit以内である場合には、その露出時間Ｔを天体追尾撮影中の露出時間として設定する（Ｓ２０７：ＹＥＳ）。一方、ＣＰＵ２１は、露出時間Ｔが最長露出時間Tlimitを超えている場合には（Ｓ２０７：ＮＯ）、最長露出時間Tlimitを天体追尾撮影中の露出時間として設定する（Ｓ２０９）。そしてＣＰＵ２１は、設定した露出時間だけ、図示しないシャッタを開放して、撮像センサ１３による撮像を開始する（Ｓ２１１）。なお、絞りは、通常、開放状態で撮影されるが、撮影者により任意に設定可能である。
　ＣＰＵ２１は、ＧＰＳユニット３１から入力した撮影地点の緯度情報ε、方位角センサ３３から入力したデジタルカメラ１０の撮影方位角情報A、重力センサ３５から入力した撮影仰角情報h及び回転角情報（カメラ姿勢情報）ξから、天頂の点Ｚ、天の極の点Ｐ、撮影画面中心の天体の点Ｓの位置を求める（図９、図１０）。ＣＰＵ２１は、求めた３点Ｚ、Ｐ、Ｓと、焦点距離検出装置１０５から入力した撮影レンズ１０１の焦点距離情報ｆ及び回転角情報（カメラ姿勢情報）ξから、撮像センサ１３の回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙを算出する（Ｓ２１３）。
　そしてＣＰＵ２１は、設定した露出時間が経過するまで、算出した撮像センサ１３の回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙに基づく移動軌跡に合わせて撮像センサ１３を平行移動制御及び回転移動制御しながら露出を行う（Ｓ２１５、Ｓ２１７：ＮＯ）。これにより、デジタルカメラ１０を固定した状態で撮影するだけで各天体を見かけ上静止した状態で撮影することができる。この露出時間中に、ＣＰＵ２１は、撮像センサ１３の回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙを、設定した露出時間内における露出開始からの経過時間に応じて複数回に亘って算出及び更新する。ＣＰＵ２１の演算スピード、移動周期（頻度）、空きメモリー量によっては、露出開始時に既に全露出時間内の移動データを算出してメモリーしておき、露出開始からの経過時間に応じて、移動の都度、メモリーから移動データを読み出して撮像センサ１３を移動制御することも可能である。このようにすれば、露出時間中において、撮像センサ１３の回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙを算出及び更新する必要がなくなる。
　ＣＰＵ２１は、設定した露出時間が経過したら（Ｓ２１７：ＹＥＳ）、図示しないシャッタを閉じて露出を終了する（Ｓ２１９）。ＣＰＵ２１は、撮像センサ１３から撮影画像データを読み出して（Ｓ２２１）、ホワイトバランス調整や所定フォーマットへの変更等の画像処理を施す（Ｓ２２３）。最後にＣＰＵ２１は、画像処理後の撮影画像データをＬＣＤモニタ２３に表示するとともに、所定フォーマットの画像ファイルとしてメモリーカード２５に保存する（Ｓ２２５）。
　以上の通り本実施形態の天体自動追尾撮影方法及びカメラによれば、撮影地点の緯度情報ε、撮影方位角情報A、撮影仰角情報h、撮影装置の姿勢情報ξ、及び撮影光学系１０１の焦点距離情報fを入力し、入力した全情報（ε、A、h、ξ、f）を用いて、天体像を撮像センサ１３の所定の撮像領域に対して固定するためのデジタルカメラ（撮影装置）１０に対する天体像の相対移動量（回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙ）を算出し、算出した相対移動量（回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙ）に基づき、所定の撮像領域と天体像の少なくとも一方を移動させて撮影している。これにより、天体の運動に応じて撮像センサ１３上の天体像が移動しないように、つまり、日周運動に同期して撮像センサ１３を移動するので、デジタルカメラ１０を固定した状態で、長時間露出しても天体が流れない天体自動追尾撮影が可能になる。
　なお、デジタルカメラ（撮影装置）１０の姿勢を変えることなく撮像センサ１３の移動量を算出した直後に露出を行うような場合には、撮像センサ１３の回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙを算出する処理（Ｓ２１３）を露出開始前（Ｓ２１１の前）に実行して最長露出時間Tlimit分の駆動データを予め算出してもよい。そしてこの駆動データをカメラ内蔵メモリーに記憶しておき、露出中にこのカメラ内蔵メモリーからデータを順次読み出して撮像センサ駆動ユニット１５を介して撮像センサ１３を移動制御する構成でもよい。
　以上の実施形態では、ＣＰＵ２１による撮像センサ駆動ユニット１５の駆動制御により、撮像センサ１３を物理的に平行移動及び回転させている。しかし、撮像センサ１３の所定の撮像領域を、撮像センサ１３の全撮像領域（撮像面１４の全領域）の一部を電子的にトリミングしたトリミング領域とし、算出した相対移動量（回転角α、横方向移動量Δｘ、縦方向移動量Δｙ）に基づいてこのトリミング領域を、撮影光学系１０１の光軸ＬＯに対して直交する方向に平行移動及びこの光軸ＬＯと平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する構成も可能である。この態様にあっては、図１においてＣＰＵ２１が、所定の駆動周期で撮像センサ１３にトリミング指示信号を送ることにより、撮像センサ１３のトリミング領域を撮影光学系１０１の光軸ＬＯに対して直交する方向に平行移動及びこの光軸ＬＯと平行な軸回りに回転移動させながら撮影することができる。
　以上のデジタルカメラ１０は、撮像センサ１３を光軸と直交する方向及び光軸と平行な軸回りに回転させる撮像センサ駆動ユニット１５を備えたが、この撮像センサ駆動ユニット１５を省略して、撮影レンズ１０１内に撮像センサ１３上の被写***置を移動させる像ブレ補正レンズ（防振レンズ）１０２を搭載した像ブレ補正装置と、撮像センサを回転させる撮像センサ回転機構とを組み合わせても、またはトリミング領域を回転移動させる形態と組み合わせても、本発明のデジタルカメラは構成することができる。図１４はその実施形態を示しており、ＣＰＵ２１が撮影レンズ１０１のレンズＣＰＵ１０３に防振駆動指示信号を送ることにより、レンズＣＰＵ１０３が防振駆動ユニット１０４を介して像ブレ補正レンズ１０２を光軸直交方向に駆動制御する。一方、ＣＰＵ２１が、所定の駆動周期で撮像センサ１３に回転指示信号を送ることにより、撮像センサを光軸ＬＯと平行な軸回りに回転移動させる。あるいは、ＣＰＵ２１が、所定の駆動周期で撮像センサ１３にトリミング指示信号を送ることにより、撮像センサ１３のトリミング領域を撮影光学系１０１の光軸ＬＯと平行な軸回りに回転移動させる。
　また、本実施形態の説明ではカメラとしてデジタルカメラを示したが、レンズ交換式の一眼レフデジタルカメラ、レンズシャッタ式コンパクトデジタルカメラに限らず、撮像手段（撮像素子）を光軸と直交する面内において光軸と直交する任意の方向に移動、回転が駆動可能な撮影装置一般に適用できる。
　本発明による天体自動追尾撮影方法及びカメラは、日周運動によって撮影装置に対して相対運動する天体の撮影に用いて好適である。
１０　デジタルカメラ（撮影装置）
１１　カメラボディ
１３　撮像センサ（撮像素子）
１４　撮像面
１５　撮像センサ駆動ユニット（移動手段）
１７　絞り駆動制御機構
２１　ＣＰＵ（演算手段）
２３　ＬＣＤモニタ
２５　メモリーカード
２８　レリーズスイッチ
２９　天体撮影スイッチ
３０　設定スイッチ
３１　ＧＰＳユニット（緯度情報入力手段）
３３　方位角センサ（撮影方位角情報入力手段）
３５　重力（水準）センサ（撮影仰角情報入力手段、カメラ姿勢情報入力手段）
１０１　撮影レンズ（撮影光学系）
１０２　像ブレ補正レンズ（防振レンズ）
１０３　レンズＣＰＵ
１０４　防振駆動ユニット
ＧＳＸ　Ｘ方向ジャイロセンサ
ＧＳＹ　Ｙ方向ジャイロセンサ
ＧＳＲ　回転検出ジャイロセンサ

Claims (14)

  1. 　日周運動によって、撮影装置に対して相対運動する天体を撮影するために、前記撮影装置の撮影光学系によって撮像面に形成された天体像が、撮影中、撮像素子の所定の撮像領域に対して固定されるように、前記所定の撮像領域と天体像の少なくとも一方を撮影装置に対して相対移動させて撮影する天体自動追尾撮影方法であって、
    　撮影地点の緯度情報、撮影方位角情報、撮影仰角情報、撮影装置の姿勢情報、及び撮影光学系の焦点距離情報を入力する段階と、
    　前記入力した全情報を用いて、天体像を撮像素子の前記所定の撮像領域に対して固定するための前記撮影装置に対する相対移動量を算出する段階と、
    　算出した相対移動量に基づき、前記所定の撮像領域と天体像の少なくとも一方を移動させて撮影する段階と、
    を有することを特徴とする天体自動追尾撮影方法。
  2. 　請求の範囲第１項記載の天体自動追尾撮影方法において、前記算出した相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する天体自動追尾撮影方法。
  3. 　請求の範囲第１項記載の天体自動追尾撮影方法において、前記所定の撮像領域は、撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしたトリミング領域であり、前記算出した相対移動量に基づいて、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する天体自動追尾撮影方法。
  4. 　請求の範囲第１項記載の天体自動追尾撮影方法において、前記所定の撮像領域は、撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしたトリミング領域であり、前記算出した相対移動量に基づいて、前記撮影光学系の一部を偏心させることで天体像を撮影装置に対して移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する天体自動追尾撮影方法。
  5. 　請求の範囲第１項記載の天体自動追尾撮影方法において、前記所定の撮像領域は、撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしたトリミング領域であり、前記算出した相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動させながら撮影して、天体を点として撮影する天体自動追尾撮影方法。
  6. 　請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１項記載の天体自動追尾撮影方法において、前記相対移動量は、前記入力した全情報と、天球上において天頂と天の極と撮影画面中心位置の天体を結ぶ球面三角形から算出される天体自動追尾撮影方法。
  7. 　請求の範囲第６項記載の天体自動追尾撮影方法において、前記入力した緯度をε、方位角をA、仰角をh、撮影装置の姿勢情報として撮影光学系の光軸回りの水平からの回転角をξ、撮影光学系の焦点距離をfとしたとき、水平と天球の赤道がなす角γを下記式(14)により算出する段階と、
    　所定時間tにおける矩形の撮像素子の長辺方向及び短辺方向に対する天体像の相対移動量Δｘ、Δｙを下記式(III)、(IV)により算出する段階と、を含む天体自動追尾撮影方法。
    　γ = arctan[cos(ε) × sin(A)/(sin(ε) × cos(h) - cos(ε) × sin(h) × cos(A))] ・・・(14)
    　Δｘ = x × cos(γ + ξ) + y × sin(γ + ξ)  ・・・(III)
    　Δｙ = x × sin(γ + ξ) + y × cos(γ + ξ)  ・・・(IV)
    但し、
    　Δｘ  = f × sinθ × sinφ　　　　　・・・（10）
    　Δｙ = f × sinθ × cosθ(1 - cosφ) ・・・（11）
    　θ：天の極方向と撮影光学系光軸との成す角、
    　φ：所定時間tにおける地球の自転角。
  8. 　請求の範囲第１項記載の天体自動追尾撮影方法を実行するために、前記相対移動量を算出する演算手段を有する天体自動追尾撮影カメラ。
  9. 　請求の範囲第８項記載の天体自動追尾撮影カメラにおいて、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する天体自動追尾撮影カメラ。
  10. 　請求の範囲第８項記載の天体自動追尾撮影カメラにおいて、前記撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしてトリミング領域とし、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動及び該光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する天体自動追尾撮影カメラ。
  11. 　請求の範囲第８項記載の天体自動追尾撮影カメラにおいて、前記撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしてトリミング領域とし、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記撮影光学系の一部を偏心させることで天体像を撮影装置に対して移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する天体自動追尾撮影カメラ。
  12. 　請求の範囲第８項記載の天体自動追尾撮影カメラにおいて、前記撮像素子の全撮像領域の一部を電子的にトリミングしてトリミング領域とし、前記演算手段により算出された前記相対移動量に基づいて、前記撮像素子を撮影光学系の光軸に対して直交する方向に平行移動させると共に、前記トリミング領域を、撮影光学系の光軸と平行な軸回りに回転移動する移動手段を有する天体自動追尾撮影カメラ。
  13. 　請求の範囲第８項ないし第１２項のいずれか１項記載の天体自動追尾撮影カメラにおいて、前記演算手段は、前記入力した全情報と、天球上において天頂と天の極と撮影画面中心位置の天体を結ぶ球面三角形から前記相対移動量を算出する天体自動追尾撮影カメラ。
  14. 　請求の範囲第１３項記載の天体自動追尾撮影カメラにおいて、前記演算手段は、前記入力した緯度をε、方位角をA、仰角をh、撮影装置の姿勢情報として撮影光学系の光軸回りの水平からの回転角をξ、撮影光学系の焦点距離をfとしたとき、水平と天球の赤道がなす角γを下記式(14)により算出し、
    　所定時間tにおける矩形の撮像素子の長辺方向及び短辺方向に対する天体像の相対移動量Δｘ、Δｙを下記式(III)、(IV)により算出する天体自動追尾撮影カメラ。
    　γ = arctan[cos(ε) × sin(A)/(sin(ε) × cos(h) - cos(ε) × sin(h) × cos(A))] ・・・(14)
    　Δｘ = x × cos(γ + ξ) + y × sin(γ + ξ)  ・・・(III)
    　Δｙ = x × sin(γ + ξ) + y × cos(γ + ξ)  ・・・(IV)
    但し、
    　Δｘ = f × sinθ × sinφ　　　　　・・・（10）
    　Δｙ  = f × sinθ × cosθ(1 - cosφ) ・・・（11）
    　θ：天の極方向と撮影光学系光軸との成す角、
    　φ：所定時間tにおける地球の自転角。
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