はじめに
宇宙機の「目」となるのが光学・赤外線センサだ。地球観測衛星のカメラ、宇宙望遠鏡の検出器、スタートラッカーの撮像素子——いずれも極めて微弱な光を高精度に検出する技術の結晶だ。
イメージセンサ
CCD vs CMOS
宇宙用イメージセンサはCCD（Charge-Coupled Device）とCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）の2種類が使用される。
| パラメータ | CCD | CMOS |
|---|---|---|
| 感度 | 非常に高い | 高い（改善中） |
| ノイズ | 低い | やや高い（改善中） |
| 消費電力 | 高い | 低い |
| 読出し速度 | 遅い | 速い |
| 放射線耐性 | 中程度 | 優れている |
| コスト | 高い | 低い |
従来は高感度が求められる天文・科学ミッションにCCD、地球観測にはCMOSという使い分けがされてきたが、CMOS技術の急速な進歩により、天文用途でもCMOSへの移行が進んでいる。ESAのEuclidミッションは大型CMOSセンサを天文観測に初めて本格採用した。
TDI（Time Delay Integration）
地球観測衛星のプッシュブルームスキャナではTDI方式が使用される。衛星の移動に合わせて複数行のセンサで同じ地点を繰り返し撮影し、信号を積分することでSN比を大幅に向上させる。
赤外線検出器
波長帯域
赤外線センサは波長帯域により分類される。
| 帯域 | 波長 | 検出対象 | 応用 |
|---|---|---|---|
| 近赤外（NIR） | 0.7〜1.4μm | 植生、水分 | 農業モニタリング |
| 短波長赤外（SWIR） | 1.4〜3μm | 鉱物、ガス | 資源探査 |
| 中波長赤外（MWIR） | 3〜8μm | 高温物体 | 山火事検出、ミサイル警戒 |
| 長波長赤外（LWIR/TIR） | 8〜14μm | 地表温度 | 気象、ヒートアイランド |
冷却型検出器
MWIR/LWIR検出器は熱雑音を低減するため極低温に冷却する必要がある。宇宙では受動冷却（ラジエータ）や能動冷却（スターリング冷凍機、パルス管冷凍機）が使用される。JWSTのMIRI（中間赤外線観測装置）は約6Kまで冷却されている。
望遠鏡光学系
反射式と屈折式
宇宙望遠鏡は反射式が主流だ。JWSTのような大口径望遠鏡は軽量なベリリウムミラーを使用する。地球観測衛星のカメラは反射式と屈折式を組み合わせたカタディオプトリック式が多い。
分解能と回折限界
光学系の角度分解能は口径Dと波長λで決まる（θ ≈ 1.22λ/D）。地球観測衛星が30cmの分解能を達成するには、高度500kmからの場合、口径約30cm以上の光学系が必要だ。
ハイパースペクトルセンサ
多数の波長で観測
ハイパースペクトルセンサは数十〜数百の連続した波長帯で同時に撮影する。植生の種類識別、鉱物の同定、水質分析など、マルチスペクトルでは困難な詳細なスペクトル分析が可能だ。
エッジAIによるオンボードのハイパースペクトルデータ処理が重要な研究テーマとなっている。
技術的なポイント
基礎知識
- CCD: 電荷結合素子。高感度・低ノイズだが消費電力が高い
- CMOS: 相補型金属酸化膜半導体。低電力・高速読出し・耐放射線性に優れる
- TDI: 時間遅延積分。衛星移動と同期した信号積分でSN比を向上
- 回折限界: 光学系の理論的な最高分解能。口径と波長で決まる
応用例
- JWST: 口径6.5mの金めっきベリリウムミラー。NIRCam/MIRIで赤外線宇宙を観測
- WorldView Legion: 商用光学衛星。30cm分解能のCMOSイメージセンサ
- Euclid: ESAの宇宙望遠鏡。大型CMOSセンサで暗黒エネルギーを調査
まとめ
光学・赤外線センサは宇宙機の観測能力の根幹を成す技術だ。CCDからCMOSへの移行、赤外線検出器の高感度化、ハイパースペクトルセンサの普及が地球観測と天文観測の能力を押し上げている。エッジAIとセンサの統合が進むことで、宇宙機は「見る」だけでなく「理解する」存在へと進化している。
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