先進光学衛星「だいち3号」（ALOS-3）搭載「広域・高分解能センサ」の概要と周辺技術
宇宙航空研究開発機構 JAXA
第一宇宙技術部門 先進光学衛星プロジェクトチーム

度會 英教
第10回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

本日の話題
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はじめに（第一宇宙技術部門の紹介）
地球観測衛星の撮像原理
高分解能地球観測センサ（カメラ）の設計思想
先進光学衛星「だいち3号」ALOS-3概要
ALOS-3搭載 広域・高分解能センサ
講演者プロフィール
周辺技術

名古屋大学U研（赤外）出身。中間赤外線による超コンパクトHII領域の観測で1998年に学位。赤外線天文衛星「あかり」の開発に従事（1997～2001）。宇宙科学研究所COE研究員、日本学術振興会特別研究員PDを経て、2001年に宇宙開発事業団（当時）に入社。2006年に打上げられた陸域観測技術衛星「だいち」（ALOS）搭載のパンクロマチック立体視センサ（PRISM）、高性能可視近赤外放射計2型（AVNIR-2）の開発を担当。
2016年より先進光学衛星「だいち3号」（ALOS-3）プロジェクトチーム。広域・高分解能センサの開発、データ利用推進業務に従事。
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はじめに宇宙航空研究開発機構の開発系組織• 宇宙輸送技術部門（133）• 第一宇宙技術部門（184）• 有人宇宙技術部門（142）• 研究開発部門（263）• 宇宙科学研究所（211）• 航空技術部門（189）• 宇宙探査イノベーションハブ（9）• 国際宇宙探査センター（24）地球観測衛星は「光学」と「レーダ」に大別される。
光学衛星は、低～高地上分解能撮像（パンクロ・マルチバンド）による陸域・海域の観測、分光による温室効果ガスの物理量測定、地球規模の気候変動のモニタなどを目的とする。観測波長は可視～熱赤外線まで。
必要とする技術は可視・赤外スペース天文学と共通するものも多い。
2２．地球観測衛星の撮像原理
衛星の軌道周回運動に合わせ、リニア検出器で地表面をスキャンするプッシュブルーム撮像方式が基本。地上処理で2次元画像化（ただし近年、2次元検出器を用いる観測方式もあり）。

太陽同期準回帰軌道
つねに太陽と軌道の位置関係が一緒

地球の日照域を北から南へ回る軌道

1ショットの露光時間が極めて短い（0.8m 地上分解能だとおよそ110µsec）。

1日あたり約15周。ALOS-3は35日毎に全く同じ地点の上空に戻る。

露光時間を稼ぐために、対地速度に合わせ、衛星進行方向（AT）に電荷を転送・加算できるTDI（Time Delay and Integration）
型CCD検出器を使用。

１周98分

高周波擾乱が画質に影響。

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３．高分解能地球観測センサ（カメラ）の設計思想
口径 D

PSF: 点像分布関数
AT, CT方向のMTF（変調伝達関数）を画質の評価指標とする

衛星軌道高度 h

焦点距離 f画素ピッチ dGSD(Ground Sample Distance)𝑑𝑑
𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺=𝑓𝑓ℎ

PSF径と画素ピッチの関係が地球観測センサ設計のキモの一つ

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３．高分解能地球観測センサ（カメラ）の設計思想
無収差レンズの理論的MTF

フーリエ変換MTF

PSF

1/Airy Diskの直径

レーリー限界 = 1/1.22λF

光学系を透過する空間周波数に対し、検出器のサンプリング周波数をどこにもってくるか。

カットオフ周波数

1𝐷𝐷
𝑓𝑓𝑐𝑐 ==𝜆𝜆𝐹𝐹𝜆𝜆𝑓𝑓

空間周波数(1/Fλ)5

３．高分解能地球観測センサ（カメラ）の設計思想

MTF

ナイキスト周波数より高い空間周波数を持つ対象物は、エリアシング（モアレ）を発生させる。
市販のデジタルカメラ等ではローパスフィルタなどで、高周波をカットするが衛星カメラでは行わない。

検出器ピッチで決まるナイキスト周波数をここにもってくると・・・

カットオフ周波数6３．高分解能地球観測センサ（カメラ）の設計思想

Q値
Q=1 Q=2p𝜆𝜆𝐹𝐹
Q=𝑝𝑝λFとピクセルピッチの関係を示す指標。
ITT Geospatial Systems (Kodak →ITT→Exelis→Harris)のエンジニアであるFieteが提唱。
Q=2のとき、光学系のカットオフ周波数をナイキストサンプリングする。

“Image Quality and λFN/p for Remote SensingSystems”, Optical Engineering, 38 (7), July 1999

7４．先進光学衛星「だいち3号」(ALOS-3)概要

陸域観測技術衛星「だいち」（ALOS）
2006 – 2011
光学センサ・レーダセンサ搭載• 日本・世界の地図作成• 地域観測• 自然災害の監視• 資源探査

先進光学衛星「だいち3号」（ALOS-3）
FY2021（予定） 陸域観測技術衛星「だいち」(ALOS)の光学ミッションを継承する「だいち」シリーズの3号機。
初代「だいち」搭載光学センサの広視野（直下70km幅）を維持しつつ、約3倍の高分解能（直下GSD 2.5m→0.8m）を有する広域・高分解能センサを搭載。

「だいち2号」（ALOS-2）
2014 -

防災・発災時の緊急対応、地理空間情報の維持更新

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４．先進光学衛星「だいち3号」(ALOS-3)概要
項目

運用軌道諸元

軌道種別

太陽同期準回帰軌道

軌道高度

669 km （赤道上）降交点通過地方太陽時

10時30分

回帰日数35日（サブサイクル3日）

センサシステム

広域・高分解能センサ

地上分解能（GSD）

パンクロ：0.8m / マルチ ：3.2m

観測幅70 kmミッションデータ発生レート

約4Gbps (パンクロ1/4、マルチ1/3 画像圧縮時)

データ伝送

直接伝送(Ka帯：1.8 Gbps X帯：0.8 Gbps)
光データ中継 1.8Gbps

質量2,900 kg以下 （打上時）

衛星寸法

5 m×14 m×3.5 m （太陽電池パドル展開時）

観測時間

1周回あたり10分

設計寿命

打上げ後7年

＠直下観測時9５．広域・高分解能センサ
Primary
MirrorEffective aperture
on PM (>Φ54cm)
Tertiary
MirrorLight
Secondary
Mirror(Aperture Stop)
Quaternary
Mirror

Focal Plane
Assembly

図提供：三菱電機

3枚の非球面鏡により球面収差・コマ収差・非点収差を除去、かつ平坦な視野を実現できる軸外し3枚鏡光学系（TMA：Three Mirror Anastigmat）がベース。4次鏡にもわずかに曲率を持たせ、コンパクトな光学系とした。

広視野（>70km）と高分解能（< 0.8m）を同時に実現するカメラは世界的にも非常にユニーク
10５．広域・高分解能センサ
項目性能

観測波長帯

パンクロ 0.52～0.76 µm
マルチ
バンド1 0.40～0.45 µm (コースタル)
バンド2 0.45～0.50 µm (ブルー)バンド3 0.52～0.60 µm (グリーン)
バンド4 0.61～0.69 µm (レッド)バンド5 0.69～0.74 µm (レッドエッジ)
バンド6 0.76～0.89 µm (近赤外)

地上分解能(GSD）

パンクロ ：0.8m / マルチ ：3.2m ＠軌道高度669km 直下

観測幅

70 km

MTF（変調伝達関数）

パンクロ ：0.1 / マルチ ：0.2 ＠ナイキスト周波数

S/N（信号ノイ パンクロ ：200 / マルチ ：200ズ比）
＠規定輝度 N35°春秋分、アルベド30%
量子化ビット

11ビット

©三菱電機

フライトモデル©MELCO

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５．広域・高分解能センサ「だいち」（ALOS） 2.5m分解能画像

先進光学衛星「だいち3号」（ALOS-3）
0.8m分解能シミュレーション画像（直下）

パンクロバンド（白黒）画像とマルチバンド（カラー）画像を合成した高分解能カラー画像（パンシャープン画像）＊本シミュレーション画像は衛星・センサの開発仕様値をベースに作成

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５．広域・高分解能センサ
 サブメートル級の高分解能とALOSと同等の広視野を両立させるため、光学系を大型化（2006年打上げの「だいち」(ALOS)と比較して有効開口径比2倍、焦点距離比3倍）
 軸外し光学系としては世界最大級。国内メーカの技術を結集（三菱電機、キヤノン、オハラなど）
1次鏡(1000mm×700mm)

迷光防止構造逆バイポッド支持構造
2次鏡（Φ30cm）

焦点調整機構6本のアクチュエータにより6(5)DOFのアライメント調整可能

4次鏡

図提供：三菱電機

3次鏡

焦点面構成部

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５．広域・高分解能センサ●広域・高分解能センサの設計パラメータ
有効開口径 : 0.54 m
焦点距離 : 6.86m （F/# = 12.7）
視野角 : 6° 以上
中心波長 : 0.64μm
ピクセルピッチ: 8μm （ナイキスト周波数 : 62.5 mm-1)
瞬時視野角： 1.17e-6 rad (0.24 arcsec)
Q = λF/p =1.0
図提供：三菱電機

光学系
カットオフ周波数
地上分解能（Ground SampleDistance）

1𝐷𝐷
𝑓𝑓𝑐𝑐 ==𝜆𝜆𝐹𝐹
𝜆𝜆𝑓𝑓

0.54
=
= 123 𝑚𝑚𝑚𝑚−1
0.64𝐸𝐸−6×6.86

𝑑𝑑
8𝐸𝐸 − 6𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 = ℎ =× 669𝐸𝐸𝐸 = 0.78 𝑚𝑚
𝑓𝑓6.8614

６．周辺技術

硝材：クリアセラム
極超低膨張ガラスセラミックス
軽量化後の酸処理（マイクロクラック除去）

軽量化（構造）設計
軽量化加工
R加工
センサ光学設計
熱・構造設計電気設計
TDI型CCD検出器製造

研削・面形状測定・研磨研削研磨：クリスタル光学
コート（Ag）：河合光学
半導体露光装置用光学系や超大型FPD露光装置用光学系の技術。

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軽量化技術
軽量化加工後の１次鏡（エンジニアリングモデル）

表面

裏面

約100cm×70cm×厚１６cmのボリュームがありながら、質量は４５kg以下（80%程度の肉抜き）
写真提供：三菱電機
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ミラー母材の研削・研磨
Canon Super-Smooth Polisher (CSSP)

精密研削中の3次鏡©Canon Inc.

研磨中の1次鏡
写真提供 キヤノン

🄫🄫Canon17

面形状測定 A-Ruler
A-Ruler
The high-precision free-form measuringmachine developed by Canon Inc.
 a contact type measuring device
 Accuracy : < 10 nm rms
 Measuring area : 1000 x 500 mm

A-Rulerは接触型の面形状測定装置であり、測定時の重力印加は一方向のみ。０Gでの面形状予測は構造解析による。
→ 構造解析の誤差がそのまま最終面形状に誤差として残る。
接触型で宇宙用軽量化ミラーの面形状測定をすることは初めての経験。
→ 非接触測定（レーザ干渉計）もバックアップで導入（次ページ）
図提供：キヤノン
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CGHによる面形状測定（1次鏡・3次鏡）
A-Rulerによる面形状測定のバックアップとして、当初計画にはなかったCGHによる面形状測定設備をキヤノン宇都宮工場に構築。

レーザ干渉計とコンピュータ生成ホログラム(CGH)を用いた軸外し非球面鏡の面形状測定

ミラーの曲率半径が非常に大きい（～8m）ため、大気ゆらぎなどの擾乱除去が課題。簡易空調ブース、
Zygo DynaFiz干渉計を用いた。
写真提供：三菱電機／キヤノン

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CGHによる面形状測定（1次鏡・3次鏡）

YX
Z
Y軸に重力を印加したときに最も重力変形が小さくなるように構造設計。
Y±1Gで面形状を測定し、0Gでの面形状を算出（実測）。

自重変形を実測できるように重力方向に対し180°回転できるステージ

CGHと被検面とのアライメントに起因する誤差（低次の収差）が残存（今後の課題）。CGHは高周波面形状誤差成分、A-Rulerは低次と使い分けることにより、最終面形状を確定した。総合透過波面の計測結果より、面形状測定に問題がなかったことを確認。

図・写真提供：三菱電機／キヤノン

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鏡筒の組立て各ミラーはストレスリリーフ構造を有した逆バイポッド脚による静定支持。軌道上熱変動、排湿によるCFRP鏡筒の変形歪をミラーに伝えない。
ミラー間アライメントのためパイプの長さをターンバック
ル構造で微調整可能。
（1,2,4次鏡の並進・回転、1/3次鏡ペアに対する2/4次鏡の並進・回転）調整の際、構造に歪を与えないようジョイント・パイプ接合部には球面座を用いている。

鏡筒構造はCFRP製。表
面処理により吸湿を抑制。
パイプは黒色MLIで覆うか、黒色塗装を施す。

光学系ストラクチャーモデル（SM）

写真提供：三菱電機
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鏡筒の組立て

写真提供：三菱電機

写真提供：三菱電機

超大型三次元座標測定機（CMM）
MMZ-G306020

写真提供（左・上） ：クリスタル光学

クリスタル光学（京都工場）にて光学系の組立調整を実施。写真はストラクチャーモデル（SM）の測定時の様子。
プローブを光学系各部に付けられた基準球に接触させ、その空間座標を高精度に測定。
測定精度（メーカ公称値）： 3.2＋2.5×L(m)µm

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PFM組立て・プロトフライトテスト

クリスタル光学でのPFM最終アライメント調整

光学系全体の自重変形解析結果
図・写真提供：三菱電機

MELCO鎌倉工場での全系透過波面測定（ダブルパス測定）

０G波面の実測（Y±1G）と解析の比較
組立後の常温・常圧下では回折限界性能を達成

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検出器技術長尺のバンドパスフィルター

パンクロマチックバンド用検出器

マルチバンド用検出器 (6バンドを1チップ上に搭載)

8ch/CCD total 12 CCD 96 ch
1024pix/ch (8192pix/CCD)
Integration time (minimum) : 108.9 μsec
TDI 128段
8 μm ピッチ1ch/band/CCD total 12 CCD 72 ch
2048 pix/band/CCD
Integration time (minimum) : 435.6 μsec
TDI 32段
32 μm ピッチ

各チャンネルにはon-chip CDS (correlated double sampling) 回路を実装
写真提供：三菱電機 24

検出器技術1画素あたり4個の電極で蓄積された電荷を転送し、衛星進行方向の変調伝達関数MTFの劣化（画像のボケ）を防いでいる。
また写真では示されていないが、実機では各画素の上にマイクロレンズを形成し、集光力を高め感度向上を図っている（パンクロバンドのみ）。
写真提供：三菱電機
25焦点面の検出器配置
写真提供：三菱電機

PaMu

AT方向

CT方向～750mmの巨大焦点面 およそ ６°×１°（注）の有効視野検出器を設置するプレートには高熱伝導・低線膨張係数素材であるモリブデンを使用。難加工性の材質だが、三菱電機には豊富な加工実績がある。
（注）先進光学衛星の要求仕様（Pa, MuのMTF要求など）に対して。別用途としては要検討。
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サマリ

 先進光学衛星「だいち3号」（ALOS-3）搭載「広域・高分解能センサ」に用いられている国産技術を紹介した。
 軸外し3枚鏡光学系は開口に遮蔽がなく、良好な結像性能と広視野（~6°）を確保できる光学系であり、広域サーベイ型宇宙望遠鏡（可視～近赤外領域）などに応用可能。
 口径1m超クラス（製造可能な最大径はメーカに確認されたい）の宇宙用軽量化ミラーの製造は国産技術で可能。各ミラーは 回折限界性能に必要な面精度配分を（余裕で）達成。
 光学素子・鏡筒構造など光学系全体の製造技術、試験技術はほぼ確立しており、光学系全体の総合透過波面として回折限界性能を有す（有効視野は用途による）。

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ご清聴ありがとうございました