[© 최광민] EAA 천체관측 #3: 기본 장비들 (카메라)

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© 草人 최광민 2021-12-12

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제목

[© 최광민] EAA 천체관측 #3: 기본 장비들 (카메라)

순서

1. CMOS + OSC 카메라
2. 행성용 vs. 심우주용
3. 컬러 vs. 모노
4. 냉각
5. 총평

# CMOS OSC 카메라

EAA는 AP에 준하는 테크닉이기 때문에 사실 AP에서 사용하는 카메라는 당연히 EAA에서도 사용할 수 있다. 다만 관측대상의 시야에 맞춰 망원경/렌즈의 배율과 카메라센서의 크기를 잘 조합하는 것이 중요하다.

AP에서는 DSLR이 많이 사용되는데, EAA에서도 역시 사용가능하긴 하지만 스태킹 소프트웨어와의 호환성 때문에 그렇게까지 인기있지는 않다. 대개 EAA에서는 one shot camera (이하, OSC) 를 주로 사용한다. 나는 DSLR를 사용해 본 적은 없다.

카메라 센서계에 독보적으로 군림하는 소니를 비롯한 센서 제조사들이 2015년 경부터 새로운 CCD 센서 후속개발을 중단했고, 2020년까지는 모든 CCD 생산이 중단되었기 때문에, 현재 시장에서 유통되는 새로운 센서의 OSC들은 모두 CMOS 센서를 사용한다. CCD를 사용하는 고가의 카메라들은 여전히 판매되고 있지만, 여기서는 배제하겠다.

이 글에서는 CMOS 센서가 사용된 OSC 만을 설명하겠다.

# 행성용 vs. 심우주용

AP는 크게 행성/태양계 촬영과 심우주 촬영이라는 두 영역으로 나뉘는데,  EAA는 거의 대부분 심우주 관측에 대한 것이다. 보통 행성AP 경우는 EAA가 아니라 "럭키이미징 lucky imaging" 기법으로 비디오 촬영 후 후보정한다. 

사실 대개의 OSC 카메라는 두개의 목적으로 다 사용될 수는 있다. 하지만 대상의 특성상 요구되는 최적화된 카메라 사양이 조금 다르긴 하다.

행성촬영 (특별히 "럭키이미징")에 최적화된 카메라는 대상이 어두운 배경을 바탕으로 하는 디스크 하나이기 때문에 큰 센서가 필요없다. 보통 작은 크기의 센서에 적은 수의 픽셀, 그리고 높은 프레임 레이트 (USB3 권장) 를 제공하는 카메라가 최적화된 카메라다. 행성이란 대개 어두운 배경에 밝게 빛나는 원반이라 큰 센서 없이도 잡을 수 있고, 또 럭키이미징 기법은 초당 수백-수천 장의 비디오 프레임들 가운데 최상의 이미지만을 골라 스태킹하기 때문에 높은 프레임 레이트를 제공하는 카메라가 좋다.

반면, 심우주 대상은 큰 대상들이 많고 (성운, 성단, 은하) 훨씬 어둡기 때문에 럭키이미징 보다 훨씬 긴 수초-수분 단위 노출이 필요하기 때문에, 보다 큰 센서를 가지고 감도가 높으며 노이즈가 낮은 카메라가 좋다. 

# 냉각

장노출 AP에서 냉각은 꽤 중요하다. 하지만 10초 이하 단노출 EAA에서는 주변보다 섭씨 30-40도 낮게 냉각시켜주는 TEC 냉각이 특별히 필요없다. EAA에서는 소프트웨어 상에서 다크프레임 (dark frame)을 써서 앰프글로를 쉽게 해결할 수 있다. 그래서 아주 섭씨 30도를 웃도는 뜨거운 여름날 열대야에 EAA를 할 것이 아니라면 "비냉각" IMX294 카메라로도 대개 충분할 것 같다.  냉각을 위해 12V 전원을 따로 준비하는 것도 나름 귀찮은 일이다.

# 컬러 vs. 모노

사실 컬러 센서는 기본적으로 모노센서인데, 거기에 적/녹/청 필터매트릭스를 각각의 픽셀에 배치한 것일 뿐이다. 베이어 매트릭스 (Bayer matrix)라고 한다. 

광공해가 심한 지역에서는 감도를 고려해서 모노센서 카메라를 사용하는 사람들도 있지만 (특히, AP), 내 경험상 색이 별로 없는 은하들은 그렇다해도, 성운의 경우는 확실히 컬러센서를 사용하는게 더 직관적이고 대상의 세부적인 형태나 질감을 느낄 수 있다. 단 모노센서보다 노출을 더 해야 한다. AP도 고려한다면 필터휠을 쓰는 모노센서 카메라로 가는 것도 고려해 보겠지만, EAA만 할 것이라면 컬러센서가 훨씬 나은 선택이라는게 내 생각. e-finder나 가이더 용으로 쓸 것이라면 모노센서가 더 나을 것이다.

# 센서 크기

센서크기는 화각 (Field of View, FOV)도 중요한 고려대상이다. 물론 센서 크기만 가지고 보는게 아니라, 카메라를 부착할 망원경/렌즈의 촛점거리와 함께 고려하게 된다.

일반적인 공식은

FOV (화각) = 57.3 L (센서대각선길이, mm) / F(초점길이, mm)

으로 계산하는 것이다.

원론적으로 EAA의 주요 관측대상은 상당히 큰 성운들이기 때문에 광시야 망원경과 큰 센서를 가진 카메라가 여러모로 유리하다. 현재로서 부담이 아주 크지않은 가격으로 가장 큰 광시야를 제공하는 것은 DSLR 카메라 센서다. 아주 큰 대상도 한 화면에 잡을 수 있기 때문이다.

내가 주로 쓰는 카메라의 IMX224 센서는 약 대각선 길이 6.5mm (1/3인치) 센서를 가진 4:3 비율의 화면을 제공한다. 아이피스로 따지면 6mm 아이피스에 해당한다. 상당히 좁은 화각이기 때문에 12인치 망원경을 사용할 경우 한 눈에 관측할 수 있는 대상 - 특히 성운 - 수에 제한이 있다. 이 경우 포컬리듀서를 사용하는 것이 좋다.

굳이 작은 센서의 장점을 말한다면, 값이 싸고 큰 센서보다 확대된 이미지를 제공한다는 것인데, 사실은 꼭 그런 것도 아니다. IMX224는 1.2 메가픽셀이고 720 p 비디오로 촬영된다면, IMX294는 11.3 메가픽셀이고 1080p 풀HD다. 따라서 IMX294를 줌 하거나 혹은 행성촬영 시엔 ROI를 설정해서 특정영역만 촬영할 수도 있다.

4/3인치 포맷의 IMX294 센서는 상당히 깊은 well depth와 큰 픽셀, 그리고 14bit ADC를 제공한다. 칼리브레이션이 약간 까다롭다는 불평이 좀 있다. 같은 센서지만 쿨러가 없는 버전도 판매 중이다.

ASI294MC, uncooled

IMX294 보다 최근에 나온 1인치 포맷의 정사각형 모양 센서를 가진 IMX533은 9메가픽셀인데, 이 센서의 특징은 앰프글로 (amp glow) 가 전혀 없다는 것이다. 화각의 경우 IMX224에 0.5x 포컬리듀서를 끼운 화각과 폭은 거의 같고 높이만 약간 더 높다. 그래서 화각은 (적어도 내 장비 상에선) 그다지 만족스럽지 않다.

#  SV405CC

최근 SVBONY에서 ZWO ASI294MC 보다 $200 저렴한 냉각형 IMX294 (4/3")카메라인 SV405CC를 6월에 내놓았고, Player One 에서는 냉각식 ZWO ASI533MC 보다 $300 싸게 비냉각식  IMX533 (1") 카메라인 Saturn-C SQR를 출시했다.

각각 일장일단이 있어서 상당히 오래 고민했다.

우선, SVbony의 SC405CC.

https://www.svbony.com/sv405cc-cooled-color-osc-camera/#F9198F-F9127A

IMX294 센서가 나온지는 몇해 되긴 했지만, 아무래도 SV405CC에 사용된 IMX294가 상당히 시원한 화각을 제공한다는 점과 TEC 냉각을 쓴다는 점은 큰 장점이다. 하지만, 내가 본격적인 장노출 AP를 할 것이 아니라 EAA만 할 것이라면 사실 냉각은 큰 문제가 아니다.  이 센서가 amp glow 가 좀 있고 광공해에 좀 민감하다는 점은 단점이라 하겠다. 물론 시원한 화각은 여전히 큰 매력이다.

# Saturn-C SQR

한달 간 고심 끝에 Player One의 Saturn-C SQR로 가기로 결정했다.

https://player-one-astronomy.com/product/saturn-c-sqr-usb3-0-color-camera-imx533/

© Player One Astronomy

이 센서는 정사각형 1” 포맷이고 (각각 11.31mm) 픽셀 크기는 3.76um 이다. 즉, 9 메가픽셀. 이 센서의 강점은 장노출에도 amp glow가 전혀 없다는 점이다. 다시 말해 배경이 매우 어둡다는 뜻. 

또 Player One은 ASI533MC에 비해 몇가지 개선을 했다는 점이 크게 어필했다.

• 수동( Passive) 냉각
• 후발주자인 Player One의 Saturn-C SQR의 경우는 비록 비냉각식이긴 하지만, 사실은 힛싱크를 사용한 수동식 방열장치를 내장하고 있어서 테스트 결과로 볼 때 센서온도가 일정정도 이상 올라가진 않는 것으로 보인다. 따라서 EAA가 목표라면 Saturn-C 도 무방할 것으로 판단되었다.
• Full well
• 원래 이 센서의 full welldms 50 Ke-인데, Saturn-C 버전에서는 73 Ke-로 올렸다.
• Frame rate (RAW8 mode)
• 기존 ASI533MC가 20 FPS라면 모델에서는 43 FPS로 올렸다. 또 듀얼 샘플링 모드도 지원한다. 
• Tile plate
• 이 장치는 태양을 촬영할 때 생기는 뉴톤링 (Newton's Ring)을 제거하는데 유용하다. 
• Dead Pixel Suppression
• 이 기술은 비정상적인 픽셀이 감지될 경우 주변 픽셀의 값과 비교해 그 미디언값으로 대치시키는 기술이다. 이런 방식으로 노이즈를 줄일 수 있다.

Player One 웹싸이트로 주문을 넣은 지 4일 만에 중국에서 FedEx로 배달되었다.

아래는 언박싱.

© 최광민

© 최광민

© 최광민

© 최광민

IMX294에 비해 좁은 화각은 2'' 포컬리듀서로 만회해 보려고 한다. 아무래도 센서가 정사각형이다 보니 직사각형 센서보다 포컬리듀서를 보다 더 효과적으로 사용할 수 있을 듯 싶다.

SkySafari 5 상에서 망원경과 카메라의 조합에서 화각이 얼마나 나올지를 비교적 큰 대상을 골라 테스트 해봤다. 

가장 큰 화각부터 보면 (망원경/렌즈 촛점거리 + 구경 + 카메라 센서)

• CCTV 50mm + 34mm + IMX224
• Guider 163mm + 50mm + IMX533
• Guider 163mm + 50mm + IMX224
• SW12 1500mm + 305mm + IMX244 + 0.5x focal reducer
• SW12 1500mm + 305mm + IMX244 

© 최광민, 안드로메다 은하

© 최광민, 북아메리카 성운

© 최광민, 오리온 성운

결과로 보건데, 제일 좋은 조합은 (1) e-파인터로는 CCTV50mm/IMX224의 조합을, 광시야로는 Guider163mm/IMX533을, 그리고 작은 성운과 은하는 Skywatcher 12''/IMX533 조합을 binning을 적당히 사용해서 하면 될 것 같다. 1.5'' 0.5x 포컬리듀서를 vignetting 없이 사용할 수만 있다면 추가장비 구입없이 여기서 EAA 세팅은 다 마칠 듯. 

草人