赤みがかった月の土の写真は白黒ですか？宇宙カメラは日常のカメラとは大きく異なります。

6月25日、我が国の帰還機「嫦娥6号」は内モンゴル自治区四子王旗の指定地域に正確に着陸しました。月探査プロジェクトの嫦娥6号ミッションは完全な成功を収め、世界で初めて月の裏側からのサンプルの持ち帰りを達成した。興味深いことに、嫦娥6号は月の裏側でサンプルを採取した後、月の土壌に残された「鍾」の形をした跡を撮影した。この写真では月の土壌は赤みがかって見えるが、着陸機の着陸カメラで撮影された以前の画像は白黒だった。

すべて月の写真なのに、なぜ写真の色が違うのでしょうか？これは、サンプル写真の色補正が行われていなかったためであることが判明しました。では、宇宙船のカメラと人々が日常生活で使用するデジタルカメラや携帯電話のカメラの違いは何でしょうか。また、なぜ特別な色調整が必要なのでしょうか。

嫦娥6号が採取した月の土壌に残った痕跡

嫦娥6号着陸機の着陸カメラが撮影した画像

宇宙カメラは大きく異なります

携帯電話のカメラは特殊なデジタルカメラです。スマートフォンの普及により、人々は写真を撮ることに慣れてきました。どちらもカメラなので、宇宙で使われるカメラも、人々が日常生活で使うカメラも同じではないか、と考える読者も多いのではないでしょうか。

光学カメラの原理は確かに似ていますが、具体的な設計はまったく異なります。宇宙カメラは設置環境が異なるため、設計の焦点は一般的なデジタルカメラとはまったく異なります。

日常的に使われるカメラは、一般的に、撮影されるシーンが全体的にニュートラルグレーであると想定して、ホワイトバランスを自動的に調整し、写真の色を補正します。この方法は地上では目立った問題を引き起こすことはほとんどありませんが、宇宙では状況が異なります。宇宙と地上では光の強度、ターゲットの反射特性、材料構成が異なるため、自動ホワイトバランスはうまく機能しません。

衛星に搭載されたカメラは、ユニークな方法で画像を撮影する。

嫦娥6号のサンプル採取の写真は監視カメラで撮影された。これらの写真は、まずサンプリングロボットアームが正常に動作しているかどうかを確認するために使用されたため、色補正は実行されず、ひどく赤みがかった色になってしまいました。逆に、日常的に使用するデジタルカメラでこのような深刻な色かぶりの問題に遭遇することはまれです。

宇宙環境での色補正問題を解決するために、嫦娥6号は地上のカメラで色補正を行い、調整・校正された写真が撮影対象の実際の色に近くなるようにしました。しかし、より効果的な方法は、色補正係数を得るために色標準板を携帯し、撮影時に色標準板の色に基づいて補正を行い、対象の真の色を得ることです。そのため、宇宙カメラの色補正は常にカメラ設計の難しさと焦点となってきましたが、これは宇宙環境と地上環境の違いによる必然的な結果です。

さらに、暑さや寒さ、真空や放射線など宇宙の過酷な環境では、カメラの色の問題以外にも、温度制御システムなど他の面でも多大なコストがかかります。携帯電話を使って地上で写真を撮る場合、極寒の状況ではカメラや携帯電話全体が正常に使用できないことがあります。しかし、温度変化が激しい宇宙空間では、温度管理は考慮しなければならない最優先事項となります。

可視光宇宙カメラでは一般的に1度未満の温度制御精度が求められ、赤外線帯カメラでは超低温環境で動作する必要があります。サンシェードを使用するか、アクティブ冷却装置を設置するか、またはその両方を行う必要があります。

独自の画像化手法

色補正は、宇宙カメラと地上カメラの違いを示す一般的な例です。宇宙カメラは、環境や用途が異なるため、他にもさまざまな違いがあり、撮影方法もまったく異なります。

一般によく使用されるデジタルカメラでは、感光素子としてエリアアレイ CCD または CMOS が使用されています。写真を撮ると「カチッ」という音とともに写真が出てきます。しかし、宇宙船に搭載されたカメラの場合はそう簡単ではありません。搭載されているカメラは通常、軌道上での撮影を実現するためにリニアアレイ CCD を使用します。リニアアレイリモートセンシング CCD を使用して画像を撮影する場合、ターゲットは CCD リニアアレイの方向に対して垂直であり、相対的に移動している必要があります。これは、携帯電話で写真を撮るときに人が比較的静止している必要があるという要件と正反対です。

では、なぜ相対運動が起こるのでしょうか?デジタルカメラのエリアアレイ CCD は 2 次元の写真を直接取得できますが、リニアアレイ CCD カメラはライン情報を取得し、ラインごとに連続的にスキャンして写真を生成します。動かない場合は、写真ではなく線しかスキャンできません。

リニアアレイ CCD カメラは画像を直接形成することはできませんが、低価格で高解像度であるという独自の利点もあります。その一方で、精度が高く、視野が広いという特徴もあります。リニアアレイ CCD スキャンも人々の日常生活で非常に一般的であり、スキャナーでは通常リニアアレイ CCD が使用されます。リモートセンシング衛星は地上に対して高速で移動し、プッシュブルームカメラは衛星とともに飛行するため、前後にスキャンすることなく軌道上で画像を撮影できます。

リニアアレイ CCD カメラは、高解像度の地球リモートセンシングの主なセンサーです。たとえば、フランスの SPOT5 衛星と Pleiades 衛星はどちらもリニアアレイプッシュブルームカメラを使用しています。

もちろん、リニアアレイ CCD が宇宙カメラのすべてではありません。マイクロエレクトロニクス技術の進歩により、もともと高価だったエリアアレイ CCD も安価になりました。また、感光素子としてCMOSを使用したカメラも増えてきています。米国のGOESに代表される気象衛星は、地上画像撮影にアレイCCDカメラを使い始めています。

より軽量な新コンセプトの宇宙カメラ

現在、さまざまな衛星や探査機が使用する宇宙カメラと、地​​上で人々が使用するデジタルカメラとの間には大きな違いがあります。将来的には、新しい概念の宇宙カメラと、人々が使用するデジタルカメラや携帯電話のカメラ、あるいは「大砲」の技術原理はさらに異なるものになるでしょう。

解像度限界の公式によれば、従来の光学カメラの解像度指数はレンズの絞りに直接関係しています。ロケットの搭載能力とフェアリングの容積には制限があります。大型偵察衛星を宇宙に打ち上げるとなると、大きな制約を受けることになる。そのため、研究者たちは、既存の宇宙カメラの外観を完全に変えることを目指して、宇宙カメラの新しいコンセプト技術を開発しています。

現在、米国防高等研究計画局は、屈折画像ではなく回折画像を使用するフィルムベースの光学インスタントイメージャー（MOIRE）技術の開発のために軍事産業企業に資金を提供しています。この技術では、家庭用のラップフィルム程度の厚さの、折り畳み可能な薄くて軽い回折フィルムを使用します。将来の宇宙船に先進のMOIRE技術が採用されれば、口径20メートルのカメラを搭載した偵察衛星の重量は約5トンまで軽量化できる。

さらに、米国防高等研究計画局は、ロッキード・マーティンにセグメント化平面画像検出電気光学偵察システム（SPIDER）の開発資金も提供しています。このカメラは、光学レンズの積層技術から革新的な小型光学レンズアレイへと進化しました。従来の屈折望遠鏡や反射望遠鏡とは異なり、干渉法を使用して画像を形成します。これは、光学分野におけるフェーズドアレイ技術としても理解できます。 SPIDER テクノロジーにより、宇宙カメラのサイズと重量を大幅に削減できます。同じ画像品質を持つ従来の光学カメラと比較すると、SPIDER テクノロジーを適用した後のカメラの体積は、元のもののわずか数十分の 1 になります。