JP7241860B2 - 瞳ミラー、面分光器、望遠鏡、および瞳ミラーの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、天体観測用望遠鏡のイメージスライサ型面分光器などに使用される瞳ミラー、およびその製造方法に関する。

天体観測の代表的な観測手法に、撮像観測とスリット分光観測がある。撮像観測は天体のイメージを取得する方法で、空間２次元の情報を観測することができる。スリット分光観測は細長いスリットを通過した光を分光する方法で、空間１次元の情報と波長情報の２次元の情報を観測することができる。このように、従来の観測手法では２次元の情報しか得ることしかできなかった。

近年、天文学において面分光と呼ばれる観測手法が急速に発展している。面分光とは、視野内の空間２次元情報を保持したまま、その波長情報も同時に取得できる観測手法である。

面分光を実現するために用いられる光学機器は、面分光器と呼ばれる。イメージスライサは、面分光器の一種であり、望遠鏡焦点面上の天体像を複数の細長い分割像に分割して、分割像を１次元に配列し、分割像をまとめて分光する。高精度な面分光を実施するためには、面分光器を構成する光学部材は、精度よく加工され、配置されなければならない（非特許文献１、および特許文献１参照）。

桐野宙治、左近 樹，イメージスライサー型赤外面分光ユニットの開発とそれを支える超精密加工技術，精密工学会誌，Vol.83，No.4，2017，P309-312

特開２０１６－２１０５号公報

本開示の瞳ミラーは、分割された細長い複数の像を、１次元に配列して再結像させる瞳ミラーであって、それぞれが一つの球面または一つの放物面の一部である鏡面と、平面である裏面とを有する凹面鏡であり、互いに反射光の光軸の傾きが異なる複数の凹面鏡と、それぞれの前記凹面鏡の前記裏面に個別に連結した複数の連結部材と、前記連結部材を固定する固定部材とを備える。

本実施形態の面分光器の概略図である。 本実施形態の瞳ミラーの概略図である。 本実施形態の瞳ミラーの製造方法の概略図である。

本開示の瞳ミラー、面分光器、望遠鏡について、イメージスライサ型面分光器を用いた赤外望遠鏡を例として、図を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の面分光器の一例を示す概略図、図２は、本実施形態の瞳ミラーの一例を示す概略図である。面分光器（以下、単に分光器ともいう）１は、入射側マスク（ピンホールマスク）３と、入射画像を複数の細長い分割像に分割する、スライスミラー２と、分割像を１次元に配列して再結像させる瞳ミラー４と、出射側マスク（瞳マスク）５と、画像光路上に配された各種ミラー（不図示）とを備える、イメージスライサ型の面分光器１である。

イメージスライサ型の面分光器１は、焦点面上の天体像を複数の細長い分割像に分割し、分割像を１次元に配列し、配列した分割像をまとめて分光する。高精度な面分光を実施するためには、分光器１を構成する光学部材は、精度よく加工され、配置されなければならない。

本開示の瞳ミラー４は、複数の凹面鏡１１と、複数の凹面鏡１１に連結する連結部材１２と連結部材１２を固定するための固定部材１３とを備える。

凹面鏡１１は、鏡面１１ａと、鏡面１１ａと対向し、平面である裏面１１ｂとを有する。そして、鏡面１１aに、赤外光を反射するための反射部を有する。つまり、凹面鏡１１は、本体部と反射部とを有する。それぞれの凹面鏡１１の鏡面１１ａは、一つの球面または放物面の一部である。これにより、複数の凹面鏡１１を同時に高精度に加工可能である。凹面鏡１１は、反射光路上に配置された観測機器や光学部品が入射光路を妨げないように、入射光軸を鏡軸に対して適当な角度で傾斜させた、軸外し凹面鏡であるとよい。

連結部材１２は、複数の凹面鏡１１に個別に連結する。連結部材１２は、例えば、凹面鏡１１の数と同数である。

固定部材１３は、連結部材１２を各光学部品に取り付ける土台となるベースプレートに固定する。固定部材１３は、連結部材１２と当接する面と、ベースプレートに当接する面とを備える。固定部材１３は一体物であってもよいし、複数のブロック状の部品を組み立てて固定部材１３としてもよい。

凹面鏡１１、連結部材１２、固定部材１３、ベースプレートは、ボルトなどの締結部材を用いて、締結、固定される。

各凹面鏡１１の裏面１１ｂはほぼ同一平面上に配置されるが、連結部材１２によって個別に微調整可能である。例えば、締結部材の外径を締結用穴の内径よりも１～２ｍｍ程度程度小さくすることで、凹面鏡１１の鏡軸の向きを微調整する。凹面鏡１１と連結部材１２、連結部材１２と固定部材１３、固定部材１３とベースプレートがそれぞれ締結、固定されていれば、３つの締結面をそれぞれ微調整することで、３次元の微調整が可能である。
凹面鏡１１、連結部材１２、固定部材１３、およびベースプレートが、他の部材と当接する面（当接面）の平面度は１μｍ以下であるとよい。

分割された細長い複数の像を、１次元に配列して再結像させるために、複数の凹面鏡１１の鏡面１１ａは、互いに反射光の光軸の傾きが異なるので、瞳ミラー４を精度よく加工、配置することが難しかった。本開示の瞳ミラー４は、上記構成を備えているので、加工精度、配置精度が高く、高精度な測定が可能な面分光器１、および望遠鏡を提供することができる。

各凹面鏡１１の鏡面１１ａの鏡軸が裏面１１ｂに対し所望の角度を有するためには、各凹面鏡１１を、一つの球面または放物面のどの位置から作製するかを解析により決定する。

凹面鏡１１は、本体部と、入射光である赤外光を反射するための反射部とを有する。反射部１１ａは鏡面１１ａに配置される。本体部の鏡面１１ａ側の面も鏡面と呼ぶ。反射部の材質は、例えば、金である。反射部は本体部との界面に、密着力を向上するための中間層（例えば、クロム層）を設けてもよい。

面分光器１の観測対象は、波長が数μｍ～数１００μｍの赤外光である。赤外望遠鏡は、大気による赤外吸収の影響を低減するために、高地、または宇宙に設置される。また、熱による雑音を低減するため、極低温下（例えば１０Ｋ以下）で使用される。宇宙空間で使用される宇宙望遠鏡は、地上、および大気からの赤外放射の影響を受けないという利点があるが、重量、サイズ、機械的強度など、様々な制約がある。瞳ミラー４を構成する凹面鏡１１の本体部と連結部材１２と固定部材１３の材質は、使用温度から室温までの熱膨張率が±１．５×１０^－６／Ｋ以下の低熱膨張材料であることが望ましい。凹面鏡１１の本体部と連結部材１２と固定部材１３の材質が低熱膨張材料であれば、室温で加工、配置した各光学部材の形状および配置が、使用時の温度環境でも維持できるので、製造時と温度差がある使用環境や使用中に温度変化がある使用環境でも、分光器１は高い信頼性を有する。

また、比剛性や強度の観点から、凹面鏡１１の本体部と連結部材１２と固定部材１３の材質は、セラミックスが好ましい。セラミックスの低熱膨張材料の例として、コージェライトセラミックスが挙げられる。コージェライトセラミックスは、コージェライトを主成分とするセラミックスである。ここで、主成分とは、部材を構成する成分の合計１００質量％のうち、６０質量％以上を占める成分をいう。セラミックス部材を構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて求めればよい。各成分の含有量は、成分を同定した後、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ発光分光分析装置を用いて、成分を構成する元素の含有量を求め、同定された成分に換算すればよい。

凹面鏡１１の正面視の形状、つまり、鏡面１１ａの外形状は、例えば円形または、矩形である。鏡面１１ａの外形状が矩形であれば、後述のように、複数の凹面鏡１１を同時に保持しながら、それらの鏡面１１ａを加工しやすい。凹面鏡１１の厚み（鏡面１１ａと裏面１１ｂの間隔）に特に制限はないが、加工や取り扱いのし易さから裏面１１ｂの寸法よりも小さくてもよい。凹面鏡１１の寸法は、例えば２０ｍｍ×１８ｍｍ×２０ｍｍである。

凹面鏡１１、連結部材１２および固定部材１３の当接面同士はいずれも単一平面状であってもよいし、当接面のうち一方の面は、頂面または頂点が同一平面状である複数の凸部で当接してもよい。これにより、一方の当接面は、複数の凸部の頂面または頂点を平面加工すればよいので、当接面の全体を平面加工する場合と比べて、加工が容易で、加工精度も高くなる。

凹面鏡１１の裏面１１ｂは、連結部材１２の当接面と当接し、連結部材１２の他の当接面が、固定部材１３の当接面と当接する。裏面１１ｂと対向する連結部材１２の当接面は、複数の凸部を有していてもよい。複数の凸部の頂面または頂点は同一平面状にある。凸部は、一つの裏面１１ｂに対し、少なくとも２個形成するとよい。一つの裏面１１ｂに対し、３個の凸部を同一線上ではない同一平面上に形成すると、３点支持となって安定するのでよい。凸部の高さは、例えば、０．１ｍｍ～１．０ｍｍであるとよい。

連結部材１２および固定部材１３は締結用の穴を有していてもよい。その場合、凸部は、連結部材１２、固定部材１３に形成された締結用穴の周囲に環状に配されていると、凸部の頂面の外径に対して、平面加工すべき面積が比較的小さくなるので、平面出しがより容易に高精度になる。

凹面鏡１１と連結部材１２と固定部材１３とを締結するためのボルト及びワッシャの材質は、例えば、鉄－３６ｗｔ％ニッケル合金（商標名インバー）などの熱膨張係数の比較的小さい金属である。また、ボルトとの締結に使用するコイルインサートの材質は、例えば、ＳＵＳ３０４などの金属である。

以下、本開示の瞳ミラーの製造方法を説明する。瞳ミラー４の製造方法は、凹面鏡１１を作成するためのセラミック部材と連結部材１２を作製するためのセラミック部材と材固定部材１３を作製するためのセラミック部材とを準備する準備工程と、凹面鏡１１の裏面１１ｂとなる面を加工して平面出しする、裏面加工工程と、凹面鏡１１の鏡面１１ａとなる面が、所定の曲面形状（球面状または放物面状）であって、鏡軸が裏面１１ｂに対して所望の傾きとなるように、鏡面１１ａを加工する鏡面加工工程と、凹面鏡１１を鏡面１１aに反射部を形成する反射部形成工程と、連結部材１２と固定部材１３を加工して、それぞれの当接面を形成する連結固定部材加工工程と、締結部材を用いて凹面鏡１１と連結部材１２と固定部材１３とを締結、固定する、固定工程とを備える。

図３に、鏡面加工工程の概略説明図を示す。鏡面加工工程において、複数の凹面鏡１１となる部材をダミー部材２０に同時に保持しながら、１つの凸状の球面形状または１つの凸状の放物面形状の研磨部材に複数の部材を同時に接触させることによって、凹面鏡１１となる複数の部材のそれぞれに鏡面１１ａとなる面を凹面加工する。図３では、合計８個の凹面鏡１１を同時に加工する例を示す。各凹面鏡１１の鏡面１１ａの鏡軸が裏面１１ｂに対し所望の角度を有するように、各凹面鏡１１のブロック内の位置が決定される。

セラミック部材の鏡面を加工した後に、凹面鏡１１となる複数の部材に切断してもよいし、セラミック部材を凹面鏡１１となる複数の部材に切断した後に、同時に鏡面を加工してもよい。

凹面鏡１１の裏面１１ｂ、連結部材１２と固定部材１３の当接面は、平面研削盤またはラッピング装置などを用いて、加工するとよい。

また当接面に凸部を有する場合は、凸部のパターンを形成するためのマスクを用いたブラスト加工やレーザ加工などで形成するとよい。

反射部は、例えば、スパッタ、蒸着などの方法で、クロムと金を積層して形成する。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

１ 分光器（イメージスライサ、面分光器）
２ スライスミラー
３ 入射側マスク
４ 瞳ミラー
５ 出射側マスク
１１ 凹面鏡
１１ａ 鏡面
１１ｂ 裏面
１２ 連結部材
１３ 固定部材

Claims (9)

1. 分割された細長い複数の像を、１次元に配列して再結像させる瞳ミラーであって、
   それぞれが一つの球面または一つの放物面の一部である鏡面と、平面である裏面とを有する凹面鏡であり、互いに反射光の光軸の傾きが異なる複数の凹面鏡と、
   それぞれの前記凹面鏡の前記裏面に個別に連結した複数の連結部材と、
   前記連結部材を固定する固定部材と、
   前記固定部材を固定するベースプレートと、を備え、
   前記連結部材は、前記裏面と対向する面に同一線上ではない同一平面上にある複数の凸部を有しており、該凸部で前記裏面と当接しており、
   前記固定部材は、前記連結部材と当接する面と、前記ベースプレートに当接する面とを備え、
   前記凹面鏡と前記連結部材、前記連結部材と前記固定部材、および、前記固定部材と前記ベースプレートとがそれぞれ締結部材によって３次元の微調整可能に締結、固定されている、瞳ミラー。
2. 前記凹面鏡は、本体部と前記本体部の前記鏡面側の面に配置された反射部とを具備しており、前記本体部が、熱膨張率が±１．５×１０－６以下の、低熱膨張材料からなる、請求項１に記載の瞳ミラー。
3. 前記低熱膨張材料はコージェライトセラミックスである、請求項２に記載の瞳ミラー。
4. 前記凹面鏡は、正面視で矩形状である、請求項１乃至３のいずれかに記載の瞳ミラー。
5. 前記第凸部の高さは、０．１～１．０ｍｍである、請求項１乃至４のいずれかに記載の瞳ミラー。
6. 前記連結部材は、前記凹面鏡とボルトで締結するための穴を有しており、前記第凸部は前記穴の周囲に環状に配されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の瞳ミラー。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の瞳ミラーを備えた面分光器。
8. 請求項７に記載の面分光器を備えた望遠鏡。
9. 請求項１乃至６のいずれかに記載の瞳ミラーの製造方法であって、
   複数の凹面鏡となる部材を同時に保持しながら、１つの凸状の球面形状または１つの凸状の放物面形状の研磨部材に複数の前記部材を同時に接触させることによって、複数の前記部材のそれぞれに前記鏡面となる面を凹面加工する工程を備える、瞳ミラーの製造方法。
   
   
   

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