
コールドカメラ撮影は、デジタル一眼レフカメラや専用のCMOSまたはCCD天体カメラの電子センサーで長時間露光中に蓄積される電子ノイズを低減するために天体写真家が使用する技術です。冷却は通常、ペルチェ熱電冷却器によって行われます。カメラのセンサーを冷却することで、チップが熱くなることを心配せずに長時間撮影することができ、それによって熱ノイズ、撮影ノイズ、読み出しノイズを低減できます。[ 1 ]
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などを用いた近赤外線天体写真撮影では、熱雑音源を排除するためにカメラを極低温まで冷却します。赤外線撮影用の極低温カメラは、地球上でも様々な用途で使用されています。(極低温環境での動作を想定して設計されたカメラは、極低温カメラとも呼ばれます。)
従来のフィルムカメラでは、長時間露光時にフィルムの実効感度「ASA」が時間とともに低下する相反則効果(または相反則不整合)を低減するために冷却が必要です。この相反則は乳剤の各色ごとに異なるため、最終画像の色ずれにもつながります。化学乳剤フィルムの冷却は、通常、冷却天体写真専用のコールドカメラを使用することで実現されます。この場合の冷却は、通常、ドライアイスをプラテンに接触させ、そのプラテンをフィルムに接触させることで実現されます。[ 2 ]この技術は、著名な天体写真家ジャック・B・ニュートン によって普及し、さらに以前には、エヴェレッド・クライマーがジョン・マリアスと共著したメシエアルバムの画像を取得するために独自の設計を使用しました。
多くのアマチュアおよびプロの天文学者は、冷却式従来型フィルム天体写真撮影用のコールドカメラを独自に設計・製作しなければならなかった。1970年代前半から中頃までは市販のコールドカメラは存在しなかったためである。その障害の一つは、冷却されたフィルム乳剤がすぐに氷の層で覆われてしまうことである。
ビル・ウィリアムズは1970年代初頭、乳剤を厚さ約2インチ(5cm )のプラスチック(通常はアクリル)のプラグに接触させることでこの問題を解決した。プラスチックの持つ自然な断熱性により、空気中の湿気にさらされる前面が長時間露光中に凍結するほど冷えることはなかった。ウィリアムズはこのカメラをバーモント州スプリングフィールドで開催されたステラフェーン・コンベンションで披露し、セレストロン・インターナショナル社はすぐに彼の特許のライセンスを取得し、数年間商業生産を行った。
ウィリアムズ式コールドカメラは冷却乳剤上の結露問題を解決したものの、通常は35mmフィルムロールから切り取ったフィルム片を、暗闇の中で野外で扱い、プラスチック製のプラグと冷却プレートの間に正確に配置する必要があった。また、厚みのあるプラグ自体が光学収差を引き起こし、特に天体写真で使用される高速光学系では顕著だった。さらに、表面、特に乳剤と接触する部分の傷は、画像に直接影響を与えた(ただし、交換用プラグは購入可能だった)。
Guerra Instruments社の極低温カメラの最初の広告は、1974年にSky & Telescope誌に掲載されました。 [ 3 ] Guerra Instruments社は、マサチューセッツ州ラドローにある小規模企業で、ジョン・ゲラが両親の家の地下室で、アマチュア天文家のチャールズ「チャック」ミラーと共に創業しました(両親は通信業務や特許図面の提供も手伝いました)。Guerra Instruments社は1974年から1978年頃まで営業し、ゲラは1976年後半にポラロイド社の光学エンジニアリング部門(マサチューセッツ州ケンブリッジ)に入社しました。
ゲラの主な革新[ 4 ]は、フィルムを乾燥剤入りの密閉チャンバーに入れることで、厚いプラスチックプラグの必要性をなくしたことでした。現代の冷却式CMOSカメラやCCDカメラで着氷を防ぐために乾燥剤を使用することは今では一般的ですが、1974年当時は特許取得済みの革新でした。
ゲラの特許より:「ドライアイスまたは液体窒素で満たされたアルミニウム製冷却室が、カメラのヒンジ付き背面を閉じると金属製フィルムホルダーの背面に接触する極低温カメラ。冷却室は背面にボルトで固定されている。フィルムホルダーはカメラ本体内に配置され、フィルムの前面に小さな空間を形成する。この空間にはシリカゲル乾燥剤パックが収められており、このパックが空間内の湿気を吸収する。この空間は、前述のヒンジ付き背面を閉じると密閉される。これにより、フィルムおよびカメラの開口部を密閉するプレキシガラス窓の曇りを防止する。この空間の存在により、カメラ内にオフアクシスガイドシステムを組み込むことが可能になる。ガイドシステムは、跳ね上げミラー、レオスタット制御の照明付き十字線、および焦点調整用接眼レンズから構成される。十字線の照明は、空間内に収容された2つのペンライトセルによって駆動される赤色発光ダイオードによって提供される。」
グレース・ゲラとクリスティーナ・ゲラが手縫いした追加の乾燥剤パックは、現場へ簡単に持ち運べ、次の撮影のためにチャンバーから「取り出す」ことができた。一体型のダークスライドを備えた標準的なシートフィルムホルダーを使用することで、複数のホルダーに自宅で暗所でフィルムを装填し、現場へ持ち運ぶことができ、新しい乳剤の装填が容易になった。カットした35mmフィルムをこれらのホルダーに装填しやすくするための専用アダプターも用意されていた。
ほとんどのカメラはドライアイスで動作していたが、デュワー瓶で現場から供給される液体窒素も使用可能だった。この冷却方式では、乾燥窒素の排気ガスをフィルム室に送り込むことで、湿気からの保護を強化していた。
ほとんどのカメラは2.25インチ×3.25インチのフォーマットで、ノーズピースの外径は1.25インチだったが、2.0インチ以上のノーズピースを備えたものや、さらに大きなものも製造された。また、4インチ×5インチの大型フォーマットカメラも少数生産された。
一体型のオフアクシス・フリップミラーガイドシステム、赤色LED可変照明レチクル、フォーカス接眼レンズに加え、ゲラ極低温カメラには、すりガラススクリーンとフーコーナイフエッジ式フォーカサーを備えたフォーカスフィルムホルダーが付属していました。また、カメラはそれぞれ、スザンヌ・ゴーデット(後のゲラ)がデザインし手縫いした、黒と白のノーガハイド製で、豪華な赤いフェルトの裏地が付いた特製のジッパー付きケースに収められて出荷されました。
合計で60台以上のカメラが手作業で製造され、イギリス、西ドイツ、日本、メキシコ、カナダ、そしてアメリカ全土など、世界中の顧客に販売された。最初の1台はニューヨーク州のアルフレッド州立大学が購入した。カリフォルニア州のソノマ大学は、現在もゲラ極低温カメラを設備リストに登録している。
1992年頃から、ジャック・ニュートンは手作りのコールドカメラを製作し始めた。このカメラは、ウィリアムズ・コールドカメラと同様に、厚い光学プラグを使用していた。しかし、大きな改良点として、彼のカメラはフィルムを切断する必要がなく、35mmロールフィルムのカートリッジを使用できた。製作開始は、ウィリアムズ・カメラがセレストロン・インターナショナルから入手できなくなった後のことだった。
以下の説明は、ジャック・ニュートンと同等のアマチュア天体写真家であるジョニー・ホーンが執筆したスカイ&テレスコープ誌のテストレポートからの抜粋です。「プラスチック製のカメラ本体には、フィルムの裏面に接触する金属製の「冷却」プレートが付いています。標準的な35mmフィルムカセットを2つカメラにセットした後、正しい方向にのみ回転するノブでフィルムを巻き上げます。フィルムは完全に使い切っていなくても簡単に交換できるため、夜間に使用するさまざまな乳剤をカセットに事前に装填しておくことができます。フィルムホルダーの背面には、ドライアイスを冷却プレートに押し付けるためのねじ込み式のキャップとバネ仕掛けのプランジャーを備えたドライアイスチャンバーが取り付けられています。チャンバーには約大さじ3杯の粒状ドライアイスが入り、気温が華氏約60度の夜には約40分間持続しました。氷が完全に昇華した後も、フィルムは数分間かなり冷たいままです。」[ 5 ]
天体写真撮影に用いられる従来の化学乳剤フィルムは、冷却の有無にかかわらず、ほぼ姿を消した。1990年代に乳剤のガスによる過感作が発見されたことで、フィルムの冷却はほぼ不要になった。フィルムの「過感作」ははるかに容易に行えるようになり、従来のカメラでも、冷却カメラと同等かそれ以上の結果が得られた。
決定的な打撃を与えたのは、大型CCDおよびCMOSデジタルイメージャーの登場でした。これらの装置は、冷却装置がなくても、コールドカメラと乳剤フィルムで得られる最高レベルの画像と同等の画像を得ることができます。読み出しノイズやその他の電子ノイズ源を制御するための冷却装置を使用すれば、たとえ手頃なアマチュア用望遠鏡であっても、プロの天文台レベルの画像が得られます。
冷却はペルチェ素子を用いた電子制御で行われ、結露や着氷の一部は結露除去ヒーターで制御されるものの、多くの装置は依然として内部のシリカゲル乾燥剤パックに頼って水分を除去している……まるで昔のゲラ極低温カメラのように。
。