Astro D810
최근의 SONY에서 만든 이미지센서들의 성능이 많이 발전하여 천체사진 및, 저조도 촬영 분야에서 충분히 그 가치를 발휘할 정도가 되었습니다.
이것은 SONY의 반도체 미세회로 기술 발전으로 픽셀당 수광효율 증가가 이루어졌고 빛을 디지털신호로 변환하는 ADC를 CMOS sensor 내에 위치시켜서 노이즈를 최소화하여 data를 처리하는 방식으로 CMOS를 설계하여 Data의 유효성이 크게 증가한것으로 이해하고 있습니다. 이 경우는 CMOS에서 메인보드로 digital 신호만 보내지는 것이므로 외부의 노이즈 영향으로부터 훨씬 자유롭게 된것입니다.
D810 카메라를 냉각개조하기 위하여 분해하여 살펴보니 사용자 환경을 세심한 부분까지 배려하여 잘 만들어진 제품이었습니다. 하지만 카메라의 내부에 냉각모듈을 끼워 넣어야 하는 개조작업을 시도하기에는 너무나 빈틈이 없이 조밀하게 짜여진 내부 구조를 갖고 있었습니다.
카메라 내부에 공간확보가 불가능하여 결국 CMOS를 카메라 몸체 밖으로 꺼내어 미러박스 전면에 위치하도록하고 이것을 히트싱크를 겸하는 밀폐된 방으로 둘러싸는 형태로 Astro 6D, Astro A7s 와 같은 개조방식을 채택하기로 방향을 결정하였습니다.
A. 이미지센서의 이동
이미지센서를 렌즈 마운트 방향으로 75mm 전진시키고 이미지센서에서 메인보드까지 연결케이블을 새로 제작하여 적용하였습니다. 노이즈에 강한 micro coaxial cable 로 디지털 신호용 케이블을 제작하고 Ground회로를 충실히 보강한 FPC 케이블을 제작한 결과 전원공급 및 Data out 회로 모두 개조전과 동일한 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있었습니다. 냉각기능를 가동하지 않은 상태에서 찍은 Dark Frame 테스트 이미지는 이미지센서가 카메라 내부에 있는 원래상태의 개조전 카메라 보다 더 좋은 이미지를 얻을 수 있었습니다. 이것은 아마 이미지 센서가 카메라의 M/B, 전원 회로등으로 부터 분리되고 알미늄 합금의 히트싱크가 노이즈 차폐기능을 한 결과로 생각됩니다.
CMOS를 카메라 바디 밖으로 위치이동하는 방식의 개조카메라는 단점과 장점을 함께 가지고 있습니다.
단점:
1.이미지센서가 렌즈방향으로 셔터의 전방으로 나가 있기 때문에 결과적으로 기계식셔터가 CMOS에 도달하는 빛의 양을 컨트롤 할 수 없게 되었습니다. 일반적인 디지털 카메라는 기계식셔터, 전자식 셔터 조합으로 노광량을 제어합니다. 즉 전자셔터개방-기계셔터개방-기계셔터닫힘-전자셔터닫힘 프로세스로 진행하며 이때 셔터시간은 기계식셔터의 개방에서 기계식셔터의 닫힘까지의 시간이며 기계식 셔터가 이미지센서의 전면에 위치하지 못하기 때문에 센서의 노광량은 전자식셔터의 개방에서 전자식 셔터의 닫힘까지의 시간이 됩니다. 따라서 설정된 셔터시간보다 실제의 노광량은 더 많게 됩니다. 이것은 노출시간이 길은 Bulb 셔터의 경우에는 문제가 되지 않지만 4초이하의 짧은 노출시간에서는 가로열 단위로 Data를 출력하는 CMOS의 특성으로 인하여 세로 방향으로 노광량 차이로 인한 그라데이션이 생기게 됩니다.
2.DSLR의 장점인 광학View finder를 사용할 수 없다는 것입니다. 오로지 Live view기능을 이용하여 구도를 결정하고 사진을 찍어야 합니다.
3.Body 본체로부터 Lens 쪽으로 전원공급및 통신이 안되기 때문에 카메라 렌즈를 사용한 촬영시 AF, 전자식 조리개 조절등의 기능의 사용이 제한 됩니다.
장점:
1.이미지센서와 렌즈 마운트링 사이에 셔터,미러박스가 없기 때문에 그 공간에 Drop-In filter 시스템 또는 필터휠을 장착할 수 있도록 하였습니다.
Drop-In filter Holder: 카메라에 망원경 또는 카메라 렌즈를 장착한 상태에서 간단하게 필터를 교체 할 수 있습니다. 이것은 Narrow band imaging 에 매우 유효한 개념입니다.
아울러 CCD카메라용으로 판매되고 있는 타사제품의 filter wheel도 22mm 두께 이하의 제품일 경우 장착가능합니다. ( 고객 주문형 어답터 제작 서비스 )
2.TEC냉각모듈과 히트싱크가 원형실린더 형태로서 카메라 바디와 렌즈 사이에 위치하여 기존 카메라의 user interface와 유사한 형태로서 기존의 DSLR사용자 경험의 연장선에 있기 때문에 보다 친근한 외형을 갖게 되었습니다.
3. DSLR카메라는 사진 촬영시 미러가 위로 올라가고 렌즈를 통과한 빛이 이미지센서에 도달하도록 되어있는데 이때 위로올려진 미러의 몸체가 광로를 일부 가리는 현상이 발생합니다. 물론 이 면적은 전체광량중에 작은 량이지만 이것은 화면의 밝기를 불균일하게 만드는 요인이 되기 때문에 천체사진 촬영시, 특히 모자익 사진을 만들경우 심각한 장애 요인으로 작용합니다.개조된 Astro D810은 이미지 센서 전면에 장애물이 없기 때문에 개조하지 않은 D810으로 촬영시 올려진 미러의 홀더가 이미지센서에 드리우는 비네팅을 완전히 없앤 이미지를 얻을 수 있습니다.
B. 강력한 냉각시스템
1.30% 더 넓어진 방열면적:Astro D810 는 실린더 형태의 밀폐된 방의 외부 표면을 표면적을 극대화시킨 히트싱크로 만들었으며 이 히트싱크는 Astro 60D, A7s 히트싱크의 720cm² 보다 약 30% 더 넓은 930cm²의 방열면적을 갖도록 디자인 하였습니다.
2.2 stage 펠티어 적용 :
지금까지의 CentralDS의 Cooled DSLR들은 주로 30x30mm 크기의 1stage 펠티어소자 (Qmax=36Watts, DTmax=71°C) 를 채택하여 사용해왔습니다. Astro D810 히트싱크의 넓어진 방열면적은 2 stage TEC 적용하기에 충분한 조건이 되어 지금까지 CDS-5D에 적용해왔던 40x40mm 크기의 고성능 2 stage 펠티어(Qmax=65Watts, DTmax=80°C)를 채용하여 기존의 Astro 6D, Astro A7s 대비 140% 의 냉각성능을 확보하였습니다.
3. Passive Cooling : 디지탈 카메라는 일정한 전력을 소비하는 전자제품으로서 촬영시 카메라의 내부에 위치한 이미지센서의 온도는 내부 전자부품 발열에 의해 대기온도보다 약 7도~10도 가량 상승하게 됩니다. 이것은 노이즈를 만들고 화질저하의 주요한 원인이 됩니다.
Astro D810은 더 넓어진 방열면적을 덕분에 Excooler를 장착하지 않은 Passive 쿨링상태에서도 CMOS온도를 안정적으로 대기온 -10도 ~ -12도의 냉각성능을 유지 할 수 있습니다. 이것은 실제 냉각개조하지 않은 일반의 D810 카메라로 촬영할 경우CMOS온도가 대기온도 + 7~10도 인것과 비교하면 이미지 센서의 온도를 개조전보다 약 -18도 낮게 하는 것이기 때문에 노이즈 없는 고품질의 촬영이 가능합니다. 그리고 Fan이 없기 때문에 냉각으로 인한 소음의 발생도 전혀 없으며 이때 전류 소모량은 약 1.5Amp 이므로 12V 12Ah Lead sealed Battery 사용시 약 8시간 연속으로 펠티어냉각장치구동이 가능합니다. 따라서 Astro D810의 Passive Cooling 시스템은 동영상, 타임랩스 촬영시 또는 여행시 좋은 대안이 될 것입니다.
4. Active Cooling : 40mm 쿨링팬을 2개 장착한 착탈식의 디자인의 EXcooler를 히트싱크 하부에 간단히 장착할 수 있게 하여 최대 대기온 -25도의 강력한 냉각이 가능하게 하였습니다.
5착탈식 EXcooler: 저소음, 안정적인 고성능 쿨링팬의 대명사인 오스트리아 녹투아회사의 40mm 쿨링팬을 2개 사용하여 저소음, 무진동의 쿨링을 실현했으며 카메라의 히트싱크 바닥면에 나사를 이용하여 쉽게 탈부착이 가능하게 하였습니다.12V DC전원을 사용하여 Fan, 펠티어쿨러, Nikon 카메라 parts에 전원을 공급하는 power supply를 내장시켰습니다. 아울러 별도로 사용자가 냉각온도를 직접 결정 할 수 있는 DTC-3 온도컨트롤러를 연결할 수 있게 하였습니다.
C. 안정적인 이슬 방지 시스템
냉각 성능을 높일수록 이슬방지 시스템의 중요성은 더욱 커집니다.
Astro D810의 이슬 방지 시스템은 밀폐챔버의 체적, Cold 블럭의 표면적, Filter Window의 표면온도, 실링 설계등을 주요 요인으로 삼고 있습니다.
밀폐챔버의 체적은 작게하여 밀폐챔버내의 절대 수증기량을 줄이고, 1차적인 최저온 부품인 Cold 블럭의 표면적을 크게 디자인하여 결로 유도체가 되도록 만들어 이미지센서에 수증기 응결이 발생을 차단 합니다. 2차 결로 생성부위인 Filter Window는 히트싱크로부터 충분한 열을 공급받고, 냉각측으로부터 복사방식의 열교환을 차단하여 대기온보다 높은 표면온도를 유지하도록 하였습니다.
제품설계시 부품간 접합면은 오링을 적용하여 외기를 통한 수증기의 공급을 차단하였습니다.
위와 같은 주요 요인들의 최적화 설계를 통하여 별도의 화학적인 건조제 없이도 영구적인 이슬방지 성능을 확보하였습니다.
D. 온도컨트롤러
EXcooler에 별도의 단자를 설치하여 Astro D810의 Active cooling에서 CDS-5D에 적용하였던 DTC-3 온도컨트롤러를 연결할 수 있도록 하였습니다.
빠르고 정확하게 설정온도에 도달시키기 위해 PID제어 알고리즘의 온도컨트롤러를 채택하고 펠티어에 공급되는 전류를 직접 제어하는 DTC-3 컨트롤러는 최대 냉각온도 이내의 범위에서 사용자가 원하는 온도로 CMOS의 온도를 빠르고 정확하게 맞추고 유지시킬 수 있습니다.
이것을 이용하면 사용자가 특정 냉각온도별로 다크프레임을 미리 찍어 놓고 이것을 기준하여 촬영시 CMOS 온도를 설정하면 매번 다크프레임을 찍지 않아도 되므로 편리하고 이미지 프로세싱에서 고품질 결과물을 얻을 수 있도록 돕는 아주 효과적인 도구가 됩니다.
E.부품의 단순화, 표준화 설계
기존 범용 카메라를 냉각 개조할 경우 각각의 카메라들은 서로 다른 조건을 갖고 있기 때문에 표준화 개념을 적용하기 상당히 어렵습니다. 그러나 이미지센서를 Lens Mount 전면으로 위치 이동하는 개조 방식의 경우 이미지센서의 초점면 위치를 특정위치에 항상 위치하도록 결정하면 많은 부분을 표준화 시킬 수 있습니다.
기존 Astro 6D, A7의 마운트 설계를 대폭적으로 단순화하여 광축 조정 장치, Field Rotator, 3점지지 링 을 하나의 부품으로 일체화시켰습니다. 그 결과 넉넉한 Flange Back 거리 안에서 다양한 어답터를 연결할 수 있는 가능성을 확보하였습니다. M48, M54, M60, M72 등 다양한 규격의 사진용 경통에 쉽게 대응이 가능하게 하였습니다.
*Dark Frame 사진비교
냉각개조전과 냉각개조 후 비교이며 ISO 1600, 450초 노출사진입니다.
사진의 중앙부를 crop 한 상태로서 원본비교는 촬영한 RAW파일을 jpg 파일로 전환한 상태입니다.
아래 사진은 포토샵 프로그램에서 Level을 30을 255까지 끌어올린 상태의 비교사진으로서 냉각개조 전과 후의 이미지 품질 차이를 단적으로 확인할 수 있습니다.
1. Indoor temperature, ASA1600, 450sec, RAW, 600x600pixels center Crop (Original)
2. Indoor temperature, ASA1600, 450sec, RAW, 600x600pixels center Crop (Photoshop Level 255 -> 30)
