JP2011008083A

JP2011008083A - 望遠鏡装置

Info

Publication number: JP2011008083A
Application number: JP2009152302A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Kato; 靖暁加藤; Noboru Kawaguchi; 昇川口; Junji Takagi; 淳治高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: JP5246063B2

Abstract

【課題】主反射鏡部を構成する主反射鏡支持構造、及び副反射鏡を支持する副反射鏡支持構造の熱変形による指向方向の誤差を算出し、指向方向を補正することができる望遠鏡装置を得ることを目的とする。
【解決手段】感度係数記憶部１９に主反射鏡支持構造と副反射鏡支持構造の温度変化に対する、主反射鏡の鏡面と副反射鏡の位置の熱変形による変位量を表す感度係数を記憶する。測定された温度データ群と感度係数記憶部１９に記憶された感度係数により、熱変形計算部２０において主反射鏡の鏡面と副反射鏡の位置の変位量を算出する。上記の変位量に基づきパラボラ推定計算部２１で変形後のパラボラ形状を推定して算出する。推定したパラボラ形状に基づき指向誤差計算部２２において指向誤差を算出し、ＡＺ／ＥＬ補正角計算部２３において駆動の補正角度を算出する。
【選択図】図３

Description

この発明は、自装置の指向方向のずれを補正し、天体等の観測源からの観測波を受信する望遠鏡装置に関するものである。

昨今の天文学の分野では、より遠方の天体からの観測波をより高精度・高分解能で受信する要求が高まってきている。このため、望遠鏡の反射鏡面性能や、望遠鏡の指向性能はより高い精度が必要とされ、また一方では、望遠鏡の大口径化が望まれ、望遠鏡装置全体の大型化・重量化が進んでいる。このように大型化する望遠鏡装置においては、例えば、日照によって、装置内の各部での熱入力条件が異なることにより、温度分布が生じ、複雑な熱変形が生じて指向方向に誤差が生じ、要求される高い指向性能を得ることが困難となる。指向誤差を良好とするための従来技術として、例えば、特開２００４―７４３７には、主反射鏡部に光ファイバーを布線し、この光ファイバーからの散乱光あるいは光ファイバーに設けた反射器からの反射光を検出して主反射光の歪みを測定し、この主反射光の歪みから鏡面補正データを算出し、この鏡面補正データに基づいて望遠鏡駆動部を駆動することによって、望遠鏡の指向方向を補正するものが公開されている。

特開２００４―７４３７号公報

特許文献１に開示された光ファイバーを利用して主反射鏡部の変形量を計測する方法では、検出系自体に生じる温度分布によっても計測誤差を発生するため、検出系に対する温度変化の影響を小さくする対策や、温度変化による検出系の誤差を補正するシステムが必要であるという問題点があった。また、光ファイバーの布線は、通常のケーブル布線と比較すると制約が多く、個々の望遠鏡の主反射鏡部の構造に合わせて、自由に布線して構成することが困難であるという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、主反射鏡部を構成する主反射鏡支持構造、及び副反射鏡を支持する副反射鏡支持構造の熱変形による指向方向の誤差を算出し、指向方向を補正することができる望遠鏡装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明に係る望遠鏡装置は、観測源からの観測波を反射する主反射鏡と、この主反射鏡を支持する主反射鏡支持機構と、上記主反射鏡からの反射波を反射する副反射鏡と、この副反射鏡を支持する副反射鏡支持機構と、上記主反射鏡支持機構及び上記副反射鏡支持機構に配置する複数の温度センサーと、この複数の温度センサーの配置位置における温度変化に対する上記主反射鏡の鏡面の変位及び上記副反射鏡の変位を表す感度係数を記憶する感度係数記憶部と、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記感度係数記憶部に記憶した上記感度係数とに基づいて、上記主反射鏡の鏡面の変位と上記副反射鏡の変位とを算出する熱変形計算部と、この熱変形計算部により算出した上記主反射鏡の鏡面の変位から変形後の上記主反射鏡のパラボラ形状を推定するパラボラ推定計算部と、このパラボラ推定計算部により推定したパラボラ形状と上記熱変形計算部により算出した上記副反射鏡の変位に基づいて指向誤差を算出する指向誤差算出部と、この指向誤差算出部により算出した指向誤差からＡＺ及びＥＬの補正角度を算出するＡＺ／ＥＬ補正角計算部とを備えたものである。

請求項２の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１の発明に係る望遠鏡装置において、上記パラボラ推定計算部は、上記主反射鏡の鏡面の変位とパラボラ形状との差のＲＭＳ値が最小となるように上記パラボラ形状を推定するものである。

この発明によれば、熱変形による副反射鏡の変位と主反射鏡のパラボラ形状の推定とを行い、指向方向の誤差を求めてこれをＡＺ／ＥＬの駆動角度に換算することにより、望遠鏡装置の指向方向の誤差を補正することができる。

この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の外観を表わす外観図である。この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の機能ブロックを表わすブロック図である。指向補正量演算部の機能ブロックを表わすブロック図である。主鏡部の有限要素モデルを表す模式図である。望遠鏡装置の座標系を表す模式図である。変形後の鏡面形状に近似するパラボラ形状を推定して算出する方法を説明する模式図である。変形に伴う指向誤差について説明する模式図である。

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置を図１乃至図７に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の外観を表わす外観図であり、図２はこの発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の機能ブロックを表わすブロック図である。図１において、１は観測源（観測天体）からの観測波を反射する主反射鏡であり、２は主反射鏡１からの反射波を反射する副反射鏡である。３は副反射鏡２を支持する副反射鏡支持構造であり、４は主反射鏡１を支持する主反射鏡支持構造である。５は主反射鏡支持構造４が取付けられたセンターハブであり、これらの主反射鏡１、副反射鏡２、副反射鏡支持構造３、主反射鏡支持構造４及びセンターハブ５から主鏡部６が構成される。７は主鏡部６を支える支持構造を有し、観測波を検出する検出装置を内部に設けたキャビンであり、８はキャビン７の左右に設けた仰角（ＥＬ）駆動軸である。９は左右の仰角駆動軸８を仰角軸まわりに回転可能に支持する２つの支持柱であり、１０は支持柱９を底部において支持する台座部である。この支持柱９と台座部１０によりＵ字状のヨーク部１１が構成される。支持柱９は鉛直に立設されてキャビン７とキャビン７に支持された主鏡部６を支持することから柱であるが、内部は空洞であってもよく、軽量かつ高剛性とするために外壁をパネルとし、内部に適宜なフレームやリブ、パネルを設けて補強したものである。仰角駆動軸８の中心軸は、支持柱９により水平に保たれており、この中心軸（仰角軸）まわりにキャビン７及び主鏡部６が回動することにより、主鏡部６の指向方向の仰角が変化する。１２はヨーク部１１を方位軸（ＡＺ軸）まわりに回転可能に支持する架台であり、１３は主反射鏡支持構造４及び副反射鏡支持構造３に設置された複数の温度センサーである。

図２において、１４は観測する天体の方向と指向補正量演算部１８からの入力に基づき、キャビン７に支持された主鏡部６を方位軸（ＡＺ軸）及び仰角軸（ＥＬ軸）まわりに駆動する駆動量を演算する駆動量演算部であり、１５は駆動量演算部１４から入力される駆動量により、望遠鏡装置のＡＺ／ＥＬモータ１６を駆動する駆動回路部である。ＡＺ／ＥＬモータ１６の回転角度は角度検出器１７により検出される。温度センサー１３で測定された温度から指向補正量演算部１８において補正角度が計算される。指向補正量演算部で計算された補正角度は、駆動量演算部１４へ入力される。

図３は指向補正量演算部１８の機能ブロックを表わすブロック図である。１９は主反射鏡支持構造４と副反射鏡支持構造３の温度変化に対する、主反射鏡１の鏡面と副反射鏡２の位置の並進・回転の変位量を表す感度係数を記憶する感度係数記憶部であり、２０は感度係数記憶部１９に記憶された感度係数と温度センサー１３で測定された主反射鏡支持構造４と副反射鏡支持構造３の温度データに基づき主反射鏡１の鏡面と副反射鏡２の位置の並進・回転の熱変形による変位量を計算する熱変形計算部である。２１は熱変形計算部２０で計算された主反射鏡１の鏡面の変位に基づき、変形後の主反射鏡１に近似する新たなパラボラの形状を計算するパラボラ推定計算部である。なお、ここで計算により求めるパラボラ形状は、変形後の主反射鏡１の鏡面とのずれ量がより小さい仮想的なパラボラ面が推定されることが好ましく、後述のように、ずれ量を二乗平均平方根で表し、これを最小化する仮想的なパラボラはベストフィットパラボラと呼ぶことがある。２２はパラボラ推定計算部２１で算出したパラボラ形状と、熱変形計算部２０で計算された副反射鏡２の位置の変位量から望遠鏡の指向誤差を計算する指向誤差計算部である。２３は指向誤差計算部２２で計算された望遠鏡の指向誤差から、望遠鏡の指向誤差を補正するためのＡＺ軸及びＥＬ軸の補正角度を計算するＡＺ／ＥＬ補正角計算部である。

次に、感度係数群と温度データ群とに基づき指向補正量演算部１８においてＡＺ軸及びＥＬ軸の補正角度を計算する原理について説明する。図４は主鏡部６の有限要素モデルを表す模式図である。指向補正量演算部１８では、主鏡部６は１つの代表点（Ｐ１）で表された副反射鏡２と、複数の代表点（Ｐ２〜Ｐｎ）で表された主反射鏡１としてモデル化しており、それぞれの代表点は並進３自由度（ｘ、ｙ、ｚ）と回転３自由度（θ、φ、ψ）を持つ点と定義される。また、このモデルへの入力は主反射鏡支持構造４と副反射鏡支持構造３に設置された温度センサーＴｃ１〜Ｔｃｎまでが設定されている。なお、代表点の個数ｎと温度センサーの個数ｎとは、同じであっても良いし、異なっていても良い。感度係数記憶部１９は各代表点の自由度に対して、各温度センサーが＋１℃の温度変化を検出したときに生じる変位を表した感度係数を記憶している。この感度係数は、前もって有限要素モデル数値計算による感度解析から設定するものである。熱変形計算部２０では、各代表点での熱変形による変位を、各温度データに対してそれぞれの感度係数を掛けた値の和として算出する。感度係数行列をＡとして、Ｘ方向への各代表点の変位を求める式は式（１）のように表される。なお、望遠鏡装置の座標系に関しては図５に示す通りである。

パラボラ推定計算部２１では、熱変形計算部２０によって算出された主反射鏡１の鏡面の代表点の変位に基づき、変形後の鏡面形状に近似する新たなパラボラ形状を算出する。パラボラ形状の式は式（２）に示す通りであり、変形後のパラボラ形状は式（３）のように表される。

ここで、ｘ、ｙ、ｚは各座標軸変数、ｆは焦点距離であり、Δｘ、Δｙ、Δｚは各座標軸でのずれを、Δｆは焦点距離のずれを表わしている。図６は変形後の鏡面形状に近似するパラボラ形状を推定して算出する方法を説明する模式図であり、図６に示すように、推定する近似パラボラ形状と実際の鏡面形状との差であるΔｈ１〜ΔｈｎのＲＭＳ値（二乗平均平方根）を最小とする（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を最小二乗法によって求める。なお、ここでの計算手法は、最小二乗法によるほか、種々の数学的手法を用いることができる。

指向誤差計算部２２では、パラボラ推定計算部２１で求めた変形後のパラボラ形状と、副反射鏡２の位置の変位量とから指向誤差を算出する。図７は変形に伴う指向誤差について説明する模式図である。指向誤差は、図７（ａ）に示す変形後の推定パラボラ形状の傾きによる誤差θｍと、図７（ｂ）に示す変形後の推定パラボラ形状と変形後の副反射鏡２との相対位置による誤差θｓとの加算により求められる。ＡＺ／ＥＬ補正角計算部２３では、この指向誤差をＡＺ軸とＥＬ軸の駆動角に換算し、補正角度として出力する。

以上のように、熱変形による副反射鏡２の変位と、主反射鏡１のパラボラ形状の推定を行い、指向方向の誤差を求め、これをＡＺ／ＥＬの駆動角度に換算して補正駆動することにより、望遠鏡装置の指向方向の誤差を補正することができる。

１主反射鏡
２副反射鏡
３副反射鏡支持機構
４主反射鏡支持機構
６主鏡部
１３温度センサー
１９感度係数記憶部
２０熱変形計算部
２１パラボラ推定計算部
２２指向誤差計算部
２３ＡＺ／ＥＬ補正角計算部

Claims

観測源からの観測波を反射する主反射鏡と、この主反射鏡を支持する主反射鏡支持機構と、上記主反射鏡からの反射波を反射する副反射鏡と、この副反射鏡を支持する副反射鏡支持機構と、上記主反射鏡支持機構及び上記副反射鏡支持機構に配置する複数の温度センサーと、この複数の温度センサーの配置位置における温度変化に対する上記主反射鏡の鏡面の変位及び上記副反射鏡の変位を表す感度係数を記憶する感度係数記憶部と、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記感度係数記憶部に記憶した上記感度係数とに基づいて、上記主反射鏡の鏡面の変位と上記副反射鏡の変位とを算出する熱変形計算部と、この熱変形計算部により算出した上記主反射鏡の鏡面の変位から変形後の上記主反射鏡のパラボラ形状を推定するパラボラ推定計算部と、このパラボラ推定計算部により推定したパラボラ形状と上記熱変形計算部により算出した上記副反射鏡の変位に基づいて指向誤差を算出する指向誤差算出部と、この指向誤差算出部により算出した指向誤差からＡＺ及びＥＬの補正角度を算出するＡＺ／ＥＬ補正角計算部とを備えた望遠鏡装置。
上記パラボラ推定計算部は、上記主反射鏡の鏡面の変位とパラボラ形状との差のＲＭＳ値が最小となるように上記パラボラ形状を推定することを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡装置。