천문관측에 활용하기 위한 DSLR카메라의 측광 정밀도 및 표준화 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Various exploratory activities related to optical astronomy have become easier thanks to popularization of astronomical observation equipment and the establishment of many observatories. However, while it is possible to conduct astronomical observation in the educational arena including schools, analytic exploration for the observed celestial body is still a difficult problem compared to observation. Therefore, this study has its purpose in investigating photometry ability of DSLR (Digital Single Lens Reflex), which is widely used and easily manipulated as observing equipment to acquire astronomic image and examining whether it can be used for exploratory activities or research.

Astronomic observation for analysis mainly uses CCD (Charge Couple Device) cameras for observing celestial objects. For this device is significantly expensive, and it requires relatively a lot of preliminary knowledge on the observation equipment, it may be burdensome to use CCD cameras for astrophotographs because of cost and manipulation problems. By comparison, DSLR cameras are easy to handle without such difficulties, so they are widely used by amateur astronomers in obtaining celestial images. However, they are only used to simply gain good astronomic observation images and not used for data analysis.

Thus, if sufficient possibilities for celestial photometry can be found in DSLR cameras, it’s thought to be possible to conduct astronomic observation and observation data analysis activities through a slight cost and easy control in a variety of education circumstances.

The photometric possibility of DSLR cameras is identified through the following two data analyses after observing NGC 752 open cluster.
First, atmospheric extinction coefficient is determined through DSLR cameras. The stars which did not show difference of luminosity in observation images were selected, and the change of the level of brightness according to the effect of atmosphere was identified through tendency of the brightness (level) of the stars to change depending on the thickness of the atmosphere. The average standard deviation on trend line obtaining the atmospheric extinction coefficient was in the level from 0.01 to 0.03, proving that the change of the level may be measured significantly evenly through photometry. After deciding the atmospheric extinction coefficient, the level of the stars which eliminated the atmospheric effects was determined by using the mean atmospheric extinction coefficient.
Second, the observed level and standard conversion interaction formula of color index were obtained. Generally, there occurs a certain difference between the level of atmospheric extinction correction and the known level of stars because of complex characteristics of the used telescopes, filter and photometric equipment and conditions. Although it was the relationship of the levels in which such difference was not eliminated, it’s found that the level of the stars measured in photometry and the known level had great correlations by using DSLR cameras. For the standard deviation of photometric level on the level conversion formula, R was 0.213, G was 0.125, and B was 0.238, showing the level difference of 0.1~0.2 level, and for the bright stars within the level 2 among the photometric stars, the standard deviation values on the level difference from conversion formula revealed the differences of average 0.08 level in all of images in G and B wavelength areas. In the color index, however, the correlations were not that great, identifying that the correlations of the stars with little color index (with high temperature) were great but the ones of the stars with large color index (with low temperature) were not great.

It was confirmed that DSLR might function enough as a photometric device in this study. It is desirable that various astronomic observations will be carried out by using DSLR and some ways to use it for education fields or research purpose may be suggested.

국문 초록 (Abstract)

천체관측 장비의 보급과 천문관측시설의 증가로 인해 천체관측과 관련된 다양한 활동이 가능해 졌다. 이로 인해 학교나 교육 현장에서 천체를 직접 관측하는 것이 가능해 졌지만, 관측한 천체를 분석해보는 탐구활동을 수행하는 것은 관측활동에 비해 쉬운 일이 아니다. 따라서 본 연구에서는 현재 천체 이미지를 얻기 위한 관측 기기로 널리 사용되고 있는 DSLR(Digital Single Lens Reflex)카메라의 측광가능성을 확인해 보고 탐구활동에 사용 가능한지 여부를 알아보는데 그 목적이 있다고 하겠다.

분석을 위한 천체관측은 주로 천체관측용CCD(Charge Couple Device)카메라를 사용한다. 이 장비는 상당히 고가이고 장비를 사용하기 위해서는 관측기기에 대한 사전 지식이 일반 카메라에 비해 상대적으로 많이 필요하기 때문에 천체 사진을 얻기 위해 천체관측용CCD카메라를 사용하기에는 비용이나 조작의 문제로 인해 부담이 따르게 된다. 그에 비해 DSLR카메라는 이러한 어려움 없이 간단한 조작으로도 천체 사진을 찍을 수 있기 때문에 감상을 위한 천체 이미지를 얻기 위해 아마추어천문가들에게 널리 사용되고 있다. 하지만, 단순히 좋은 천체관측 이미지를 얻기 위해 사용할 뿐 관측한 이미지의 데이터를 분석하는 용도로는 사용하고 있지 않다.

따라서 DSLR카메라가 천체를 측광하는데 충분한 가능성이 확인 된다면 다양한 교육 환경에 적은 비용과 간편한 조작으로 천체관측 및 관측 데이터 분석 활동이 가능해질 것이라 생각한다.

DSLR카메라의 측광 가능성은 NGC752 산개성단을 관측한 후 다음과 같이 크게 두 가지의 데이터 분석을 통해 확인하였다.
첫째, DSLR카메라를 통해 대기소광계수를 결정 하였다. 관측 이미지에서 광도가 변하지 않는 별을 선택해 그 별의 밝기(등급)가 대기의 두께에 따라 변하는 경향성을 통해 대기의 효과에 따른 밝기(등급)의 변화를 확인하였다. 대기소광계수를 얻은 추세선에 대한 등급변화의 표준편차 평균값이 0.01~0.03등급 정도로 등급의 변화를 상당히 균일하게 측광할 수 있다는 것을 확인하였다. 대기소광계수를 결정한 후 대기소광계수의 평균값을 이용하여 대기의 효과를 제거한 별의 등급을 결정하였다.
둘째, 관측한 등급 및 색지수의 표준변환관계식을 얻었다. 보통 대기소광보정 등급과 알려진 별의 등급 사이에는 사용한 망원경, 필터, 측광기기 등의 복합적 특성과 그날의 대기상태에 의해 일정한 차이가 발생하는데, 이러한 차이를 제거하지 않은 등급의 관계임에도 DSLR카메라를 사용하여 측광한 별의 등급과 알려진 등급과 높은 상관관계를 갖는 것을 확인하였다. 등급 변환식에 대한 측광 등급의 표준편차의 경우 R이 0.213, G가 0.125, B가 0.238 등급으로 0.1~0.2등급의 차이를 보였고, 측광한 별 중 2등급 이내의 밝은 별의 경우 변환식과의 등급 차이에 대한 표준편차 값이 G와 B파장영역의 이미지 모두에서 평균 0.08등급의 차이를 보였다. 하지만 색지수의 경우 상관관계가 높게 나타나지 않았다. 색지수가 작은(온도가 높은)별은 상관관계가 크게 나타났지만 색지수가 큰(온도가 낮은)별의 경우 상관관계가 높게 나타나지 않았는데, 이는 DSLR카메라의 CMOS센서의 반응 특성과 관련이 있을 것으로 짐작된다.

이번 연구를 통해 DSLR도 측광기로서의 충분한 기능을 할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 앞으로 DSLR을 활용해 다양한 천체를 관측해 보고 교육 현장이나 연구용으로 사용할 수 있는 방향을 제시할 수 있었으면 하는 바람이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구의 목적 3
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 교육과정에 제시된 망원경 단원 4
• 가. 지구과학Ⅰ의 천체망원경 단원 4
• 나. 지구과학Ⅱ의 천체망원경 단원 5
• 2. 등급계와 색지수 6
• 가. UBV 등급계 6
• 나. 색지수 8
• 3. DSLR과 CCD 10
• 가. DSLR카메라와 천체관측용CCD 10
• 나. CCD형 센서와 CMOS형 센서 11
• 다. DSLR의 RGB 13
• Ⅲ. 관측 및 자료처리 15
• 1. 관측대상 선정 15
• 2. 관측 장비 및 관련 프로그램 16
• 가. 관측 장비 16
• 나. 관련 프로그램 17
• 3. 천체 관측 과정 19
• 가. 관측 장비 준비 19
• 나. 천체 관측 20
• 4. 관측 결과 22
• 가. 관측 기간 및 내용 22
• 나. 관측 및 분석 대상 특징 23
• 5. 관측 이미지 처리 24
• 가. 디지털 카메라 RAW이미지 파일 24
• 나. RAW이미지 파일의 RGB 변환 24
• 다. 전처리 및 측광 26
• Ⅳ. 결과 분석 30
• 1. 대기 투과량 30
• 가. 천정거리(secZ) 결정 30
• 나. 천정거리와 투과 대기량 31
• 2. 대기소광에 따른 기기등급 변화 34
• 가. 기기등급 측광 34
• 나. 투과 대기량에 따른 기기등급 35
• 3. 대기소광 계수 결정 38
• 가. 투과 대기량에 따른 기기등급 그래프 38
• 나. DSLR, CCD 관측 결과에 대한 대기소광 계수 42
• 다. 대기 투과량에 따른 등급변화 표준편차 45
• 4. 등급 표준계 변환 47
• 가. 소광보정 등급과 표준 등급 47
• 나. 소광보정 등급과 표준등급과의 관계 50
• 다. 변환식의 표준편차 57
• 5. 색지수 표준계 변환 59
• 가. 표준성과 DSLR관측 색지수 60
• 나. 표준성과 DSLR관측 색지수 관계 그래프 62
• Ⅴ. 결론 및 제언 59
• 1. 결 론 59
• 가. 소형 망원경과 DSLR을 활용한 관측 59
• 나. 대기소광 계수의 결정 59
• 다. 표준등급 변환식의 산출 60
• 2. 제 언 62