火星で自撮りをしたいですか? 「天問1号」と同じ「自撮りアーティファクト」を持っていない限り

2021年5月15日、火星探査機「天問1号」が火星への着陸に成功し、我が国の恒星間探査の旅において重要な一歩を踏み出しました。瞬く間に、この旅行者は火星に到着して1年以上経ちました。

今年、「天問1号」は「自撮りマスター」と呼ばれることになる。国慶節、元旦、寅年など、大きなイベントがあるたびに「美しい写真」を撮影し、地球に送り、皆様への思いと祝福を伝えます。自撮りは簡単だと思わないでください。宇宙で良い自撮り写真を撮るのは非常に難しい作業です。

天問1号が撮影した火星の初画像

画像出典: CCTVニュース

今日は、「自撮りの達人」天問1号の自撮りの技巧であるオフアクシス3ミラー光学系を見て、高解像度の画像撮影の秘密を解き明かしましょう。

天問1号の高解像度カメラが撮影した火星の高解像度画像

画像出典: CCTVニュース

鮮明な写真を撮るには、地面のカバー範囲と解像度が重要です

初期のフィルムベースの帰還宇宙カメラから現在の CCD センサーカメラまで、人々は宇宙カメラの探究を止めたことはありません。その中で、CCD センサーカメラは、小型、高画質、強力な耐振動性、耐干渉性などの特徴により、徐々に航空宇宙カメラの主流になってきました。

スローンデジタルスカイサーベイ画像システムで使用されるCCDアレイ

画像出典: wikipedia

では、宇宙カメラで撮影した画像の解像度はどのように計算するのでしょうか?航空機にCCD宇宙カメラを搭載するだけで済みます。宇宙カメラの撮影角度が地面と平行であると仮定します。このとき、航空機と地上の距離をH、宇宙カメラ光学系の焦点距離をf、ピクセルの長さをd、焦点面のピクセル数をnとし、各ピクセルがカバーする地上の幅Wをカメラの地上ピクセル解像度とする。値が小さいほど解像度が高くなります。

リニアアレイCCDイメージセンサーの動作原理図

画像出典：参考文献[1]

このようにして、三角形の相似原理によって CCD 宇宙カメラの地上ピクセル解像度 (GSD) の式を得ることができます。

地表被覆の幅はイメージセンサーのピクセル数に比例し、W の式は次のようになります。

航空宇宙カメラの観測範囲と鮮明度を向上させたい場合は、カメラの地上カバレッジと解像度を向上させる必要があります。

上記から、軌道高度を下げ、カメラの光学レンズの焦点距離を長くし、イメージセンサーのピクセルサイズを小さくすることで、宇宙カメラの地上ピクセル解像度を向上させることができることがわかります。一方、宇宙カメラの地上カバー幅は、飛行高度、カメラの焦点距離、視野角、ピクセルサイズ、ピクセル数によって異なります。

衛星の高度が一定の場合、カメラの視野（簡単に言えば、カメラの視野）を広げることで、カメラの地上カバー範囲を拡大できます。また、カメラの光学系の角度解像度を上げることで、地上解像度を効果的に向上できます。

前者には長い焦点距離と広い視野を持つ望遠鏡システムが必要であり、後者には一定の相対口径を維持しながら焦点距離を長くすることが必要である。これにより、入射瞳径がそれに応じて大きくなり、角度分解能が向上し、地上分解能が向上します。

一般的に言えば、視野と解像度は矛盾するパラメータのペアです。つまり、光学システムの視野と解像度を同時に向上させることは不可能です (言い換えれば、同時に多くの物体を見る必要があり、各物体がはっきりと見える必要があります)。しかし、実際のアプリケーションでは「両方」を行う必要があります。この場合、オフアクシス 3 ミラーシステムが歴史の舞台に登場しました。

「オフアクシス3ミラー」はどのように機能しますか?

「オフアクシス 3 ミラー」とは何かを理解する前に、まず「同軸」とは何かを知る必要があります。

「同軸」は「オフアクシス」のベースであり、光学系が光軸を対称軸として使用することを意味し、光軸は光学系内の各ミラーの表面の曲率中心が共存する直線を指します。光学系では、各面は軸対称の回転面であり、対称軸は光軸と一致します。この光学系は同軸光学系と呼ばれます。

オフ軸光学系は、同軸光学系をベースとし、光学系の開口部をオフ軸にしたり、視野をオフ軸にしたり、ミラーを傾けて「オフ軸」の目的を達成したりします。

オフアクシスシステムの概略図

画像出典：参考文献[2]

光学システムで光線を制限するのは絞りであり、絞りはレンズの端、フレーム、または穴の開いた特別に設計されたスクリーンになります。

絞りの機能は、光線を制限することと、視野（撮像範囲）のサイズを制限することの 2 つの側面に分けられます。前者は絞りと呼ばれ、撮像ビームの立体角を制限し、入射する光の量を制御できます。子午面から、撮像ビーム内のエッジ光の最大傾斜角、すなわちビーム開口角を制限します。後者は視野絞りと呼ばれ、物体の撮像範囲のサイズを制限することができます。例えば、カメラ内のフィルムと重なるフィルム枠とレチクル枠が視野絞りです。

開口絞りと視野絞りの概略図。これは、対物レンズ、接眼レンズ、感光素子がすべて同じ直線上に配置されている典型的な同軸光学系です。

画像ソース: 自家製

上記の概念を明確にした後、オフアクシスシステムを、絞りオフアクシス、視野バイアス、および絞りオフアクシスと視野バイアスの組み合わせの 3 つのタイプに大まかに分類できます。

まず、軸外の絞りを見てみましょう。下の図に示すように、入射光は絞りによって制限されます。入射光は光軸と平行のままですが、開口部によって制限され、光軸から外れた部分のみがシステムに入ることができます。これによりシステム構造はコンパクトになりますが、視野が広い場合には画像品質が低下します。

絞りオフセット

画像出典：参考文献[3]

次は視野バイアスです。このとき、入射光は下図に示すように光軸と平行にシステムに入ることはありません。 CCD はセンサーであり、イメージフィールドとして考えることができます。撮像光と光軸の間には角度があり、光軸から外れているため、「オフアクシス」と呼ばれ、広い視野と大きな相対開口の要件に適しています。

視野バイアス

画像出典：参考文献[4]

二次反射鏡が一次反射鏡の開口部を遮る同軸システムの場合とは異なり、オフアクシスシステムでは、同軸光学システムに存在する中心遮蔽の問題を排除できます。それだけでなく、オフアクシスシステムは視野も広げ、ある程度まで高解像度と広いカバーエリアを同時に実現することができますが、この2つは両立が難しい指標です。より優れた性能を持つ非対称光学系です。

「オフアクシス」について話した後は、「3つのアンチ」について話しましょう。

「3枚のミラー」とは、光学系内の3枚のミラーを指します。このタイプのミラーは、曲率半径、厚さ、円錐係数、材質などの多くの要因の影響を受けるため、設計の自由度が高まり、収差を調整する能力が向上します。

オフアクシス3ミラー光学系

画像出典：参考文献[5]

反射板を追加する理由は、一方では、反射光学系は軽量の点で屈折光学系より大幅に優れており、色収差がないためです。視野口径を大きくすることで視野を広げ、カメラの観察範囲を広げることができます。

一方、空間距離が遠すぎる場合、観測の解像度を向上させたい場合には、焦点距離を非常に高くする必要があります。反射鏡の使用により光路を折り曲げ、構造をコンパクトにし、より焦点距離の長い光学系の使用が可能になり、入射瞳径が大きくなり、地上解像度が向上します。

人気のオフアクシス3ミラーカメラ

1975年には、すでに諸外国で遮蔽物のない3面鏡方式、すなわちオフアクシス3面鏡方式が提案されていました。この光学システムの固有の特性により、相対開口が低く、遮るものがなく、視野が広く、高解像度のシステムに適用できます。現在までに、遮るもののない反射システムが多数開発されてきました。

20 世紀末までに、オフアクシス 3 ミラーシステムは海外で広く使用されていましたが、中国ではオフアクシス反射光学系の研究はほとんど行われておらず、体系的な反射光学理論も存在しませんでした。オフアクシス光学系の収差理論、設計方法、構造特性、およびさまざまな構造パラメータ間の関係はすべて、継続的に調査する必要があります。

探査の過程で、研究者たちは多くの困難にも遭遇しました。たとえば、オフアクシス望遠鏡の数学的表現は非常に複雑であり、設計プロセスが非常に複雑になります。高性能設計には精密なオフ軸非球面ミラーの使用が必要であり、そのような非球面ミラーの製造技術はまだ未確立である。システム内の光学要素は自由度が高く、設計よりも検出と組み立てが困難になります。組み立て精度は非常に高く、宇宙空間での熱安定性の制御を考慮する必要があります。

このような状況下で、科学技術における国家の自立という目標を達成するために、長春光学精密機械物理研究所は挑戦に立ち向かい、オフアクシス3ミラー光学系の高度な製造技術に取り組み始めました。

長春光学精密機械物理研究所は、10年間の努力と努力を経て、オフアクシス3ミラー光学システムにおいて数々の画期的な成果を達成し、我が国の宇宙光学リモートセンサーの飛躍的発展に向けた強固な基礎を築きました。

天問1号の高解像度カメラが北東アジア博覧会で展示された

画像出典：中国吉林ネットワーク

天問1号の目となる高解像度カメラが、目標物から265キロメートルの距離で0.5メートルの解像度の光学撮影を実現できるのは、まさに軸外し3面鏡光学系のおかげである。また、天問1号から送られてきた写真を通して、アキダリア平原、クリセ平原、メリディアニ平原、スキアパレッリ・クレーター、そして最も長い峡谷であるマリネリス峡谷など、火星の象徴的な地形をはっきりと見ることができる。

天問1号が撮影した火星の地形

画像出典: CCTVニュース

キャプション: ① Acidalia Planitia; ② クリセ平原③ メリディアニ平原④ スキアパレッリクレーター⑤ マリネリス渓谷。

科学技術を探求する科学者たちの世代を超えた研究は止まることはありません。彼らと天問1号の「目」が私たちを宇宙の風景にもっと連れて行ってくれることを期待しています。

参考文献:

[1] 張明宇。 TDI CCDカメラ画像取得・処理システムの研究[D]中国科学院大学院（長春光学・精密機械・物理研究所）、2011年。

[2] 張学民、宋興、侯暁華、李華。焦点調整可能なオフ軸3ミラー光学系の調整[J]。光学と精密工学、2017、25(06):1458-1463。

[3] 趙良オフ軸3反射光学系の設計[J]。光電子技術応用、2014、29(04):1-4+29。

[4] Li Xinghua、Zhang Dong、Gao Lingyu、他。オフ軸3ミラー光学系の結像品質を改善する方法：CN107505694A[P]。 2017年。

[5] Zhang Xuejun、Wang Xiaokun、Xue Donglin、他。オフ軸3ミラー非球面光学系の共通参照検出および処理方法：CN106225712A[P]。

制作：中国科学普及協会

制作者: メイ (中国科学院大学長春光学精密機械物理研究所)