一番星へ行こう! 日本の金星探査機の挑戦 その8 ～プラネットC搭載2ミクロン帯カメラIR2の開発～/佐藤 他

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一番星へ行こう!
日本の金星探査機の挑戦 その8～ PLANET-C搭載2ミクロン帯カメラ IR2の開発～
佐藤 毅彦 ，上野 宗孝 ，上水 和典 ，木股 雅章 ，中村 良介 ，
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笠羽 康正 ，石黒 正晃 ，中村 正人
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23（要旨）IR2カメラは金星中下層大気からの熱放射を捉え，雲頂よりも下の高度における大気運動を詳細に観測することを主目的とした赤外線カメラである．良好な赤外線性能を得るため，検出素子と光学系を低温に冷却する必要があり，そのため多くの難問を解決しながら開発を進めてきた．

1. IR2カメラとは2ミクロン帯赤外線で見られる金星夜面の光芒が「下2. IR2開発最大の難関：冷却光学系の保持機構層大気からの熱放射が洩れ出しているもの」と判明し

IR1では，光学系はレンズを鏡胴に収めたアッセ

たのは，1980年代のことであった[1]．そうした「窓」ンブリとしてニコンから供給された．しかしIR2で波長は地上望遠鏡から，1990年に金星をフライバイしは，熱放射ノイズを抑えるため，光学系も195K以下

たGalileo木星探査機から[2]，そして2006年から金星軌に冷却される必要がある（金星周回軌道での観測時に道上のVenusExpress[3]により活用され，金星の中下は，162K±10K程度の範囲を保つ）．そのため研磨を層大気の物理化学状態を調べる有効な手段となってき完了したレンズ単体としてニコンから供給を受け，そた．

れを冷却保持する機構はSHIが開発・製作した．

PLANET-Cにおいてこの役割は，2ミクロン帯カメ

まず冷却方法を紹介すると，SHI製の一段スターリ

ラIR2が担う[4]．表1にIR2カメラの諸元，図1に全体ングサイクル冷凍機を用いている．このコールドチッ像を示す．金星夜面を撮像し中下層大気からの熱放射プから熱パスを介し，PtSi検出素子を66K以下というを捉える「窓」波長が3種類，昼面（太陽反射光）撮像

低温に冷やすわけである．冷凍機が奪った熱は，衛星により雲頂高度の変化を捉えるCO2吸収帯波長が1種の放熱面の一角を占めるIR2専用のコールドプレート類，そして金星到着までのクルージング期間に黄道光（アルミとベリリウムの合金AlBeMet製）から宇宙空を観測する波長が1種類という構成になっている．検間へと捨てられる．検出器を取り囲む冷室壁面も66K

出素子は三菱電機，光学系はニコン，遮光フードは馬以下，窓（2.5ミクロンより長波長の赤外線をカット）

越が製作し，全体の製作は住友重機械工業（以下ではは83K以下となる．その前面に位置するフィルターホSHI）が主担当している．IR2は先に紹介したIR1[5]と双子の兄弟のようなもので，合わせてLEONという愛称を与えた．漢字で書くと「冷温」であり，冷凍技術を駆使して対象の熱赤外線を観測するシステムであることを示している．
1. 宇宙航空研究開発機構
2. 立命館大学
3. 産業技術総合研究所
4. 東北大学
5. 国立天文台
satoh@stp.isas.jaxa.jp

図1： IR2カメラの全体像

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日本惑星科学会誌 Vol.18, No.2, 2009

図2： 焦点調整の結果得られた尖鋭なスポット像

IR2カメラの諸元
表1：IR2カメラの諸元

検出素子
検出原理
読み出し方式
全画素数
有効画素数
画素サイズ
動作温度
メーカー

PtSiショットキー
CSD-CCD
1040×1040
1024×1024
17ミクロン
65〜70K
三菱電機

光学系
タイプ
焦点距離
F数
動作温度
メーカー

トリプレット84.2 mm
4162K±10K
ニコン

冷凍機
冷却方式
冷却能力
消費電力
メーカー

遮光フード
形式
妨害光回避角メーカー

観測波長
1段スターリング 中心波長サイクル
1.65mm1W ＠ 65K
1.735mm
50W
住友重機械
2.02mm（Barr製フィルター）透過幅 ターゲット
黄道光
0.3mm
0.04mm 金星夜面「窓」
ダイナミクス、雲分
布
0.03mm

2.26mm0.06mm

2.32mm0.04mmナイフエッジベーンをもつ箱型26°
馬越

金星昼面
CO2吸収を用いた
雲頂高度測定金星夜面「窓」
ダイナミクス、雲分
布
金星夜面「窓」
2.26mmとの差分によるCO分布

イールと光学系へは，熱流入を最適化したチタン製ス採用した．これにより，打ち上げ時の振動に耐えつつペーサを介して結合され，光学系は172K以下という低温に冷却されても光学系を破壊しない，さらに所定必要十分な低温に保たれる．の低温になったときレンズの光軸が最適アライメント

機械冷凍は打ち上げ時にはオフであるため，光学系を得るという，難題を解決することができたのである

も常温に置かれている．宇宙空間で電力を得られるよ（言葉にすると簡単そうであるが，特に光軸アライメうになってはじめて，目的の低温へと冷却されるわけ

ント確保のため非常に苦労をした部分である）．

で，このときにレンズと金枠の熱収縮差から発生する応力でのレンズ破壊は防がなければならない．そのためにはレンズを「緩く保持」すればよいのだが，それ3. IR2開発近況：光学調整試験と，期待のパフォーマンスー

では打ち上げ時の振動に耐えられない恐れがある．柔図2にIR2焦点調整試験において得られた「ベストフ軟性のある接着剤（ウラレンなど）を充填する方法は，ォーカスのスポット像」を示す．ご覧頂いて分かるよ

極低温での長期にわたる柔軟性確保とアウトガスによ

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うに，苦労の甲斐あって，点光源からの光（放物面鏡る光学系や検出素子の汚染が心配である．

で平行光線にコリメート）がほぼ完全に1画素に落ちてそこでIR2では，適度なバネ性をもたせた金枠を作り，それでレンズを径方向と光軸方向に抑える方式をいる．ここまでシャープになると，スポット像の広がり（半値全幅）すら測定できないほどである．

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VenusExpress 搭載の VIRTIS は，GalileoのNIMSに比べればはるかに鮮明な画像を届け，その複雑で変化の激しい様相を見せてくれた[3]．しかし，VIRTISの画像はおよそ256ピクセル四方に過ぎず，スリットスキャン式の分光撮像装置であることから図2ほどの像のシャープさもない．つまり，IR2がもたらしてくれる金星画像はVIRTISの16倍の画素数そして分解能は1画素単位という，まったく別次元の凄さをもつものと期待されるのである．それだけの情報量をもつ金星データ，想像しただけで身震いするほどであるし，他のカメラとともに，PLANET-Cにより金星大気力学の理解が劇的に進むことは間違いない．その喜びを目指して，IR2開発チームは今も労苦を惜しむことなく，開発・試験を続けている（図2のスポット像は4月26日に，海外から戻った筆者がその足でSHI新居浜工場へ飛び，取得した試験画像である）．

謝辞
R2カメラの製作に携わってこられた住友重機械工業，ニコン，三菱電機，馬越の皆さま方に感謝いたします．岡山大学のはしもとじょーじさんには，金星大気科学について多大なご助言を頂きました。

参考文献[1] Allen, D. and Crawford, J., 1984, Nature 307, 222.
[2] Carlson, R. W. et al., 1991, Science 235, 1541.
[3] Piccioni, G. et al., 2007, Nature 450, 637.
[4] Nakamura, M. et al., 2007, Planetary and Space
Science 55, 1831.
[5] 岩上直幹ほか，遊星人 17, 244.

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