JP7223756B2 - 分光器、天体望遠鏡および分光器の製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、分光器、分光器を備えた天体望遠鏡、および分光器の製造方法に関する。
従来、回折格子を有する基材を備えた分光器が天体望遠鏡に使用されている。一般に、高感度かつ高精度な分光器を得るためには、直方体状の基材に形成する回折格子の面積を大きくすることが必要である。しかし、１体の基材の大きさには製造上の限界があるため、複数の基材を並べて配置することにより、基材の実質的な大型化を図ることが行われている（特許文献１、非特許文献１参照）。
複数の基材が並べて配置された分光器においては、各基材同士の姿勢、すなわち回折格子が形成された面同士のなす角度が所定の範囲になるように精密に制御することが必要である。非特許文献１では、基材が、位置および角度調整可能に、ホルダに保持されている。このような構成では、分光器の使用時に２体の基材の位置調整が必要となる。一方、一度確定した基材とホルダの位置関係が不変的になるように、ホルダに、基材が固定して取り付けられている構成とするには、各基材を精度よく固定する必要がある。
本開示の分光器は、第１の基材と、第２の基材と、ホルダと、固定部材とを備える。第１の基材は、回折格子を有する第１面と前記第１面の裏面である第２面とを有する。第２の基材は、回折格子を有する第３面と前記第３面の裏面である第４面とを有する。ホルダは、前記第４面と対向する第１の穴と第２の穴とを有する蓋を有し、前記第１の基材と前記第２の基材とを配列して固定する。固定部材は、前記第２の穴に配置され、前記第４面と前記蓋とを接続して前記第２の基材を前記ホルダとは非接触に固定する。
また、本開示の分光器の製造方法は、前記分光器の製造方法であって、以下の工程を備える。前記工程の１つは、前記第１の基材を、前記ホルダに固定する工程である。前記工程の１つは、前記第２の基材を、前記ホルダに配置する工程である。前記工程の１つは、姿勢調整機構の一部である姿勢調整部材を前記第１の穴に通して前記第４面に接続する工程である。前記工程の１つは、前記姿勢調整部材を用いて前記第２の基材の位置を前記第１の基材の位置に合わせて調整する工程である。前記工程の１つは、前記第２の穴に固定部材を配置する工程である。前記工程の１つは、前記第４面と前記蓋とを、前記固定部材を介して固定する工程である。前記工程の１つは、前記姿勢調整部材の、少なくとも一部を取り除く工程である。
本開示の分光器について、天体望遠鏡用の分光器を例として、図を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の分光器を備えた天体望遠鏡の一例を示す模式図である。
天体望遠鏡１０は、外部からの電磁波Ｗを制限して通過させるスリット２０と、スリット２０を通過した電磁波Ｗを平行にするレンズ３０と、平行にされた電磁波Ｗを反射するための金が表面に被覆されたミラー４０と、ホルダ３に幅方向にずらした状態で直列に並べて配置され、反射された電磁波Ｗを波長ごとに分光する回折格子（図１では不図示）を備えた基材（１、２）と、基材（１，２）を固定するホルダ３と、分光の光路に沿って順次配置されるレンズ群７０と、検出器（赤外線アレイ）８０と、を備えている。これらの部品は、窓部を備えた低温保持機構９０に収容され、温度変動が抑制されている。図１における分光器は、基材（１、２）およびホルダ３を備えている。
低温保持機構９０の外部から分光器に向かって入射した電磁波Ｗは、光路に沿って進行し、第１面１ａおよび第３面２ａで反射して、波長ごとに分光された反射波となり、この反射波は検出器８０で結像され、観測対象物の情報を解析することができる。
図２は、図1に示す分光器を構成する基材とホルダの斜視図である。図２に示すように、基材（１、２）は、形状がいずれも直方体状である第１の基材１と第２の基材２とからなる。第１の基材１および第２の基材２は、例えば、それぞれ長さが１９０ｍｍ～２１０ｍｍ、高さが５０ｍｍ～７０ｍｍ、幅が５０ｍｍ～７０ｍｍの直方体である。
第１の基材１は、回折格子が形成された第１面１ａとその裏面である第２面１ｂとを有し、第２の基材２は、回折格子が形成された第３面２ａとその裏面である第４面２ｂとを有する。そして、基材（１、２）は、第１面１ａおよび第３面２ａが露出するように、ホルダ３に収容され、幅方向にずらした状態で直列に並べて固定されている。第１の基材１と第２の基材２との相対的な位置を示す第１面１ａと第３面２ａのなす角度は、３次元（３つの異なる方向と、３つの異なる平面）上で、例えば、２秒以下での調整を要する。
ホルダ３は、第２面１ｂおよび第４面２ｂと対向する蓋３ａと、蓋３ａを支持する４枚の側板３ｂとを有し、第１面１ａおよび第３面２ａ側は開口して、第１の基材１および第２の基材２を収容する内部空間を備えている。
なお、図２では説明のために、側板３ｂの一部を非表示としている。
また、蓋３ａは、複数の板から構成されていてもよい。ホルダ３は、蓋３ａと４枚の側板３ｂとを別体で作って組み合わせてもよいし、一体で作製してもよい。また、ホルダ３には、第１面１ａと第３面２ａのそれぞれの外縁の一部を覆うように第１の基材１および第２の基材２を固定する留め具（不図示）が装着されていてもよい。
図２においては、直方体状の第１の基材１と直方体状の第２の基材２を示しているが、基材（１、２）の形状は、これに限定されるものではない。
蓋３ａと側板３ｂは、例えば、蓋３ａまたは側板３ｂにコイルインサート（不図示）が形成され、コイルインサートにボルト（不図示）を挿入、締結することにより固定されている。ボルトの材質は、例えば、鉄－３６ｗｔ％ニッケル合金（商標名は、インバー）、鉄－３２ｗｔ％ニッケル－４ｗｔ％コバルト合金（商標名は、スーパーインバー）などの低熱膨張金属である。
蓋３ａは、第４面２ｂと対向する第１の穴３ｄと第２の穴３ｅとを有しており、第２の基材２の位置を第１の基材１の位置に合わせて調整するための姿勢調整部材５が、第１の穴３ｄを通して配置され、固定部材６が、第２の穴３ｅに配置される。
なお、図２に示すように、第１の穴３ｄと第２の穴３ｅをそれぞれ複数有していてもよい。
第１の穴３ｄと第２の穴３ｅをそれぞれ複数有すると、第２の基材２の位置や角度の微調整が容易であり、微調整後のホルダ３への固定も微調整後の位置や角度がずれにくくなる。
また、姿勢調整部材５を通すための穴と固定部材６を配置するための穴は、側板３ｂにも形成されていてもよい。
姿勢調整部材５は、第２の基材２をホルダ３に固定する前に、第２の基材２の位置および角度の少なくともいずれかを第１の基材１の位置や角度に合わせて調整する機能を有する。姿勢調整部材５は第２の基材２を吊り上げる部材としても機能させることができる。先端側が接着剤によって第２の基材２に直接接着されて、先端と反対側が後述する板状部材にボルト等で締結されていてもよい。
固定部材６は、第２の基材２の第４面２ｂと蓋３ａとを接続して、第２の基材２をホルダ３とは非接触に固定する。固定部材６の形状は、例えば円筒状あるいは円柱状であって、ホルダ３と同じ材質であることが好ましい。
第１の基材１および第２の基材２は、平行な電磁波Ｗを入射させたときの双方の反射波のなす角度が、例えば、２秒以内、好ましくは１秒以内となるように、第１面１ａおよび第３面２ａの位置や角度が調整されている。
上記構成により、第２の基材２を、姿勢調整部材５を用いて精密に位置や角度を調整した後、固定部材６を用いて精度よく固定することができる。
また、ホルダ３の外表面のうち、第１面１ａおよび第３面２ａを平面視したときに、第１面ａおよび第３面２ａを取り囲んでいる側板３ｂの外表面は、アクリル樹脂を主成分とする黒色皮膜を有していてもよい。なお、ホルダ３の外表面は、この第１面１ａおよび第３面２ａを取り囲んでいる部位以外も黒色被膜を有していてもよい。
また、ホルダ３の内表面は、第１面１ａおよび第３面２ａから深さ方向に少なくとも１ｍｍまでアクリル樹脂を主成分とする黒色皮膜を有していてもよい。
アクリル樹脂を主成分とする黒色の皮膜は、紫外線領域から近赤外線領域までの反射率が低いので、回折格子で一部散乱してノイズとなる電磁波Ｗの吸収効率が高くなり、解析の精度を高くすることができる。特に、セラミックスの表面が明色を呈する場合には、その効果が高い。
皮膜に含まれるアクリル樹脂は、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて同定すればよい。
また、黒色皮膜は、アクリル樹脂以外に、マグネシウム、アルミニウムおよび珪素を含んでいてもよく、そのこれらの元素の含有量の合計が１質量％以下であるとよい。
第１の基材１と第２の基材２は、４０℃～４００℃における平均線膨張率がいずれも±２×１０-6／Ｋ以内のガラスであるとよい。
ホルダ３および固定部材６は、使用温度（例えば室温）での４０℃～４００℃における平均線膨張率が±２×１０-6／Ｋ以内のセラミックスである。このようなセラミックスの例として、コージェライト、リチウムアルミノシリケート、リン酸ジルコニウムカリウムまたはムライトを主成分とするセラミックスが挙げられる。
基材（１、２）、ホルダ３および固定部材６が、このような低熱膨張材料で作製されていれば、温度変化に曝されても形状の変化が小さいため、低熱膨張材料からなる部材は高い信頼性を有する。
コージェライトが主成分であるセラミックスは、ＣａがＣａＯ換算で０．４質量％以上０．６質量％以下、ＡｌがＡｌ2Ｏ3換算で２．３質量％以上３．５質量％以下ならびにＭｎおよびＣｒがＭｎＣｒ2Ｏ4換算で０．６質量％以上０．７質量％以下含んでいてもよい。このセラミックスは、平均線膨張率を±２０×１０-9／Ｋ以下にすることができる。
リチウムアルミノシリケートが主成分であるセラミックスは、炭化珪素を２０質量％以下含んでいてもよい。
また、ガラスの例として、チタニウムケイ酸を主成分とするガラスが挙げられる。
ここで、ホルダ３および固定部材６がセラミックスからなる場合、ＪＩＳ Ｒ １６１８：２００２に準拠して、平均線膨張率を求めればよい。
基材（１、２）がガラスからなる場合、ＪＩＳ Ｒ ３２５１：１９９５に準拠して、平均線膨張率を求めればよい。
なお、ホルダ３および固定部材６の平均線膨張率が±１×１０-6／Ｋ以下である場合には、光ヘテロダイン法１光路干渉計を用いて測定すればよい。
ここで、セラミックスにおける主成分とは、着目するセラミックス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。セラミックスを構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて同定すればよい。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。
以下に本開示の分光器の製造方法を、図３、図４を用いて説明する。
まず、回折格子が形成された第１面１ａと第１面１ａの裏面である第２面１ｂとを有する第１の基材１と、回折格子が形成された第３面２ａと第３面２ａの裏面である第４面２ｂとを有する第２の基材２を準備する。
次に、４枚の側板３ｂを準備し、図４（ａ）のように組み立てて枠状体とする。なお、この枠状体の外表面の少なくとも一部（例えば、枠状体に第１の基材１および第２の基材２を挿入したときに、第１面１ａおよび第３面２ａを取り囲むように位置する外表面）に、有機溶剤で希釈されたアクリル樹脂を主成分とする黒色塗料を塗布、乾燥させることにより、枠状体の外表面を黒色塗料で被覆してもよい。
同様に、枠状体の内表面を、第１面１ａおよび第３面２ａから深さ方向に少なくとも１ｍｍまで、有機溶剤で希釈されたアクリル樹脂を主成分とする黒色塗料を塗布、乾燥させることにより、枠状体の上記範囲の内表面を黒色塗料で被覆してもよい。
いずれの場合も、黒色塗料と有機溶剤との混合比率は、質量比で１：１、また、乾燥温度は６０℃以上８０℃以下、乾燥時間は１５分以上２５分以下とすればよい。
次に、図４（ａ）に示すように、第１の基材１を、第２面１ｂが蓋３ａ側となるようにホルダ３の内部空間に載置するとともに蓋３ａを枠状体に接続する。枠状体と蓋３ａとの接続は、蓋３ａまたは側板３ｂに予め形成されたコイルインサートにボルト（不図示）を挿入、締結することによって行なうことができる。そして、図４（ｂ）に示すように、固定部材６を介してホルダ３に接着剤（例えば、３Ｍ ｓｃｏｔｃｈ ｗｅｌｄ社製エポキシ接着剤、ＳＷ９３２３）を用いて第１の基材１を固定する。
第１の基材１を固定する固定部材６は、例えば、第２の基材２を固定する固定部材６と同じ形状、同じ材質である。
次に、枠状体の開口部から、第２の基材２を、第４面２ｂが蓋３ａ側となるよう挿入し、第１面１ａと第３面２ａが並んで露出するように第２の基材２を枠状体内に配置するとともに蓋３ａを枠状体に接続する。この蓋３ａと枠状体との接続は、第１の基材１に対向する蓋３ａの場合と同様の方法で接続できる。
以上によって、図３に示すような、枠状体と蓋３ａとが接続されたホルダ３が完成する。
図３は、姿勢調整部材５を備える姿勢調整機構４と図２に示す分光器とを示す斜視図である。
次に、図３に示すように、姿勢調整部材５を、第１の穴３ｄに通して第４面２ｂに取り付ける。なお、図３においても、図２と同様に側板３ｂの一部を非表示としている。姿勢調整部材５と第１の穴３ｄとの間には姿勢を調整するためのクリアランスを設けている。姿勢調整部材５は、複数の第１の穴３ｄ毎に挿入される柱状部材である。姿勢調整機構４は、姿勢調整部材５と、姿勢調整部材５に締結される板状部材７と、回転させることによって板状部材７の姿勢を調整する可動部材８とを有し、ホルダ３に固定済みの第１の基材１に対して第２の基材２の位置および角度を３次元的に調整する。図３に示す姿勢調整機構４は、第１の方向（重力方向）における第２の基材２の位置と角度を調整することができる可動部材８の一例である３個のマイクロメータヘッド８ａと、第１の方向に垂直な方向の位置と角度を調整することができる２個のマイクロメータヘッド８ｂとを備える。マイクロメータヘッド８ａ、８ｂは、例えば、シグマ光機社製差動マイクロメータヘッド（ＳＨＳＰ－１９）などを用いるとよい。姿勢調整部材５は、先端側が接着剤によって第２の基材２に直接接着されて、先端と反対側が板状部材７にボルト等で締結されていてもよい。
次に、姿勢調整部材５を用いて、平行な電磁波Ｗを入射させたときの第１の基材１と第２の基材２の反射波のなす角度が、例えば、１秒以内あるいは０．１秒以内となるように調整する。なお、第１面１ａおよび第３面２ａに、例えば、Ｈｅ－Ｎｅレーザ―光を入射させ、マイクロメータヘッドの微動ネジを回しながら双方の反射波の干渉縞を光干渉計で確認し、干渉縞が揃ったところを第２の基材２の固定位置とする。
次に、第２の基材の第４面２ｂと第２の穴３ｅとの間に固定部材６を配置して、第４面２ｂと固定部材６、固定部材６と第２の穴３ｅを形成する内周面との間に接着剤（例えば、３Ｍ ｓｃｏｔｃｈ ｗｅｌｄ社製エポキシ接着剤、ＳＷ９３２３）を介して、第２の基材２をホルダ３に固定する（図４ｃ）。
最後に、第２の基材２から、姿勢調整部材５を取り外すことで、図２に示す分光器が得られる。姿勢調整部材５の取り外しにより、第１の基材１に対する第２の基材２の角度は若干低下するものの、２秒以内にすることができる。
姿勢調整部材５は、第２の基材２の調整、固定後は取り外されるが、姿勢調整部材５の柱状部をそのまま残してもよい。
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 第１の基材
１ａ 第１面
１ｂ 第２面
２ 第２の基材
２ａ 第３面
２ｂ 第４面
３ ホルダ
３ａ 蓋
３ｂ 側板
３ｄ 第１の穴
３ｅ 第２の穴
４ 姿勢調整機構
５ 姿勢調整部材
６ 固定部材
７ 板状部材
８ 可動部材（マイクロメータヘッド）
１０ 天体望遠鏡
１００ 分光器
１ａ 第１面
１ｂ 第２面
２ 第２の基材
２ａ 第３面
２ｂ 第４面
３ ホルダ
３ａ 蓋
３ｂ 側板
３ｄ 第１の穴
３ｅ 第２の穴
４ 姿勢調整機構
５ 姿勢調整部材
６ 固定部材
７ 板状部材
８ 可動部材（マイクロメータヘッド）
１０ 天体望遠鏡
１００ 分光器
Claims (7)
- 回折格子が形成された第１面と前記第１面の裏面である第２面とを有する第１の基材と、
回折格子が形成された第３面と前記第３面の裏面である第４面とを有する第２の基材と、
前記第４面と対向する第１の穴と第２の穴とを有する蓋を有し、前記第１の基材と前記第２の基材とを配列して固定するホルダと、
前記第２の穴に配置され、前記第４面と前記蓋とを接続して固定する固定部材とを備える分光器の製造方法であって、
前記第１の基材を、前記ホルダに固定する工程と、
前記第２の基材を、前記ホルダに配置する工程と、
姿勢調整機構の一部である姿勢調整部材を前記第１の穴に通して前記第４面に接続する工程と、
前記姿勢調整機構を用いて前記第２の基材の位置を前記第１の基材の位置に合わせて調整する工程と、
前記第２の穴に固定部材を配置する工程と、
前記第４面と前記蓋とを、前記固定部材を介して固定する工程と、
前記姿勢調整部材の、少なくとも一部を取り除く工程と
を備える、分光器の製造方法。 - 前記第１の基材と前記第２の基材は４０℃～４００℃における平均線膨張率がいずれも±２×１０-6／Ｋ以内であるガラスで形成し、前記ホルダおよび前記固定部材は、４０℃～４００℃における平均線膨張率がいずれも±２×１０-6／Ｋ以内であるセラミックスで形成する、請求項１に記載の分光器の製造方法。
- 前記第１面および前記第３面を平面視したときに、前記第１面および前記第３面を取り囲む前記ホルダの外表面を、アクリル樹脂を主成分とする黒色塗料で被覆する工程を備える、請求項１または２に記載の分光器の製造方法。
- 前記ホルダの内表面を、前記第１面および前記第３面から深さ方向に少なくとも１ｍｍまで、アクリル樹脂を主成分とする黒色塗料で被覆する工程を備える、請求項１から３のいずれかに記載の分光器の製造方法。
- 前記第１の穴と前記第２の穴がそれぞれ複数形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の分光器の製造方法。
- 前記固定部材と前記第４面、前記固定部材と前記蓋をそれぞれ接着剤により固定する、請求項１から５のいずれかに記載の分光器の製造方法。
- 請求項１から６のいずれかに記載の分光器の製造方法を用いた、天体望遠鏡の製造方法。
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-
2019
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