JP7241859B2 - スライスミラー、面分光器、望遠鏡およびスライスミラーの製造方法 - 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スライスミラー、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

本開示のスライスミラーは、入射画像を細長い複数の分割像に分割して反射する、スライスミラーであって、鏡軸の傾きが異なる細長い鏡面を有する複数の平面鏡と、それぞれ直交する、第１面と、第２面と、第３面と有する固定部材とを備え、前記平面鏡は、対向する二つの長辺と対向する二つの短辺とを有する裏面と、前記裏面に対して２軸方向に傾きを有する前記鏡面と、前記長辺と接続する二つの第１側面と、前記短辺と接続するニつの第２側面とを有し、前記平面鏡同士は前記第１側面同士で当接し、一つの前記平面鏡の前記第１側面が前記第１面と当接し、全ての前記平面鏡の前記第２側面は、前記第２面と当接し、全ての前記平面鏡の前記裏面は、前記第３面と当接している。

本実施形態の面分光器の概略図である。 本実施形態のスライスミラーの概略図である。

本開示のスライスミラー、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、本実施形態のスライス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。

本開示のスライスミラー２は、複数の平面鏡１１と、これら複数の平面鏡１１を固定するための固定部材１２とを備える。

平面鏡１１は、細長い鏡面１１ａと、鏡面１１ａと対向する裏面１１ｂとを有する。裏面１１ｂは、対向する二つの長辺と対向する二つの短辺とを有する。一つの平面鏡１１において、長辺同士は平行で、短辺のうち、少なくとも一つは、長辺と直交する。このような裏面１１ｂの形状は、例えば矩形状である。平面鏡１１は、鏡面１１ａと裏面１１ｂとを接続する側面を有する。側面は、裏面１１ｂの長辺に接続する二つの第１側面１１ｃと、裏面１１ｂの短辺に接続するニつの第２側面１１ｄとからなる。一つの平面鏡１１において、第１側面１１ｃ同士は平行で、第２側面１１ｄのうち、少なくとも一つは、第１側面１１ｃと直交する。平面鏡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の長辺と短辺の長さの中間程度が適当である。短辺、長辺、厚みの寸法は、例えば２．５ｍｍ×４０ｍｍ×１５ｍｍである。

固定部材１２は、それぞれ直交する、第１面１２ａと第２面１２ｂと第３面１２ｃとを有し、第１面１２ａと第２面１２ｂと第３面１２ｃとで平面鏡１１と当接する。固定部材１２は一体物であってもよいし、第１面１２ａと第２面１２ｂと第３面１２ｃとを構成する複数（例えば、３個）のブロック状の部品を組み立てて固定部材１２としてもよい。

複数の平面鏡１１が、第１側面１１ｃ同士が当接するように重ねられ、平面鏡１１のうちの一つの第１側面１１ｃが、固定部材１２の第１面１２ａと当接する。全ての平面鏡１１の第２側面１１ｄは、固定部材１２の第２面１２ｂと当接し、全ての平面鏡１１の裏面１１ｂは、固定部材１２の第３面１２ｃと当接している。裏面１１ｂ、第１側面１１ｃ、第２側面１１ｄ、第１面１２ａ、第２面１２ｂ、第３面１２ｃの平面度は１μｍ以下であるとよい。

鏡面１１ａで反射された分割像を１次元に配列するために、複数の平面鏡１１のそれぞれの鏡面１１ａは、裏面１１ｂに対して２軸方向に異なる傾きを有する。そのため、精度よく加工、配置することが難しい。本開示のスライスミラー２は、上記構成を備えているので、基準面となる平面（例えば裏面１１ｂ）を基準として、他の面を加工したり、配置したりできる。そのため、加工精度、配置精度が高まり、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。

平面鏡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。反射部は鏡面１１a側に配置される。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。スライスミラー２を構成する平面鏡１１の本体部と固定部材１２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以内（すなわち、－１．５×１０^－６／Ｋ以上１．５×１０^－６／Ｋ以下）の低熱膨張材料であることが望ましい。平面鏡１１の本体部と固定部材１２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、平面鏡１１の本体部と固定部材１２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。

平面鏡１１の正面視の形状は、二つの第１側面１１ｃと、ニつの第２側面１１ｄで規定される。第１側面１１ｃと第２側面１１ｄとがそれぞれ直交する場合、平面鏡１１の正面視の形状と、裏面１１ｂの形状は、ともに矩形状である。

平面鏡１１および固定部材１２が、他の平面鏡１１と当接する面（以下、当接面という）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、複数の第１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。

平面鏡１１同士は第１側面１１ｃ同士で当接し、第１側面１１ｃのうちの一つが、固定部材１２の第１面１２ａと当接する。平面鏡１１は、二つの第１側面１１ｃの一方の面に、頂面または頂点が同一平面上にある、複数の第１凸部を有していてもよい。第１凸部は、一つの第１側面１１ｃに３個形成すると、３点支持となって安定するのでよい。第１凸部の高さが、観測対象の赤外光の波長（数μｍ～数１００μｍ）よりも大きいと、赤外光が当接面（第１側面１１ｃ）同士の間に入り込んで雑音の原因となることがあるので、第１凸部の高さは、観測対象となる赤外光の波長の数倍程度よりも小さいことが好ましい。第１凸部の高さは、例えば１０μｍ以下であるとよい。

平面鏡１１の第２側面１１ｄは、固定部材１２の第２面１２ｂと当接し、平面鏡１１の裏面１１ｂは、固定部材１２の第３面１２ｃと当接する。固定部材１２は、第２面１２ｂに、平面鏡１１の第２側面１１ｄに当接する第２凸部、第３面１２ｃに平面鏡１１の裏面１１ｂと当接する第３凸部を有していてもよい。第２凸部は、一つの第２側面１１ｄに対し、少なくとも１個、第３凸部は、一つの裏面１１ｂに対し、少なくとも１個、それぞれ形成するとよい。特に、第２側面１１ｄと裏面１１ｂのうち、面積が小さい方の面に１個、面積が大きい方の面に２個の凸部を形成すると、３点支持となって安定するのでよい。第２凸部および第３凸部は平面鏡１１の鏡面１１ａよりも外側（画像よりも外側）に形成されるので、第２凸部および第３凸部の高さは、第１凸部ほど小さくする必要はなく、０．１ｍｍ～１．０ｍｍであるとよい。

複数の平面鏡１１が積層する方向に隣接する第２凸部同士および第３凸部同士は、ジグザグ状に配列していると、それぞれの凸部を加工しやすい。特に、固定部材１２を固定した後、個々の凸部の平面出しをするような場合、凸部がジグザグに配置されていれば、他の凸部と干渉することなく、所望の凸部を加工しやすい。

平面鏡１１と固定部材１２とは、ボルトなどの締結部材を用いて、締結、固定される。そのため、平面鏡１１および固定部材１２は締結用の穴を有している。第１凸部は、平面鏡１１の第１側面１１ｃ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。同様に、第２凸部は、固定部材１２の第２面１２ｂに形成された締結用穴の周囲に、第３凸部は、固定部材１２の第３面１２ｃに形成された締結用穴の周囲に、それぞれ環状にされているとよい。

平面鏡１１と固定部材１２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、本開示のスライスミラーの製造方法を説明する。スライスミラー２の製造方法は、平面鏡１１を作成するためのセラミック部材と固定部材１２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、平面鏡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、平面鏡１１の側面となる面を裏面１１ｂと直交するように加工する側面加工工程と、平面鏡１１の鏡面１１ａとなる面が裏面１１ｂに対して所望の傾きとなるように、鏡面１１ａとなる面を加工する鏡面加工工程と、加工された鏡面１１aとなる面に反射部を形成する反射部形成工程と、固定部材１２を加工して、直交する第１面１２ａ、第２面１２ｂ、第３面１２ｃを形成する固定部材加工工程と、締結部材を用いて平面鏡１１と固定部材１２とを締結、固定する、固定工程とを備える。

ここで、少なくとも鏡面加工工程と、反射部形成工程においては、セラミック部材をダミー部材（ヤトイともいう）に固定した状態で、加工、および膜形成を実施する。ダミー部材は、セラミック部材と同じ材質、または加工特性が似た材質であるとよい。さらに、締結部材等を用いて、セラミック部材を加圧状態で固定可能であるとよい。特に高精度な加工が求められる鏡面１１ａは、使用時と同様な応力下で形成することで、高精度なスライスミラー２を得ることができる。ダミー部材による固定と加工、膜形成は、個々の平面鏡１１を個別に実施してもよいし、複数の平面鏡１１をまとめて固定して、加工、成膜を行ってもよい。

セラミック部材の鏡面、平面鏡１１の裏面１１ｂ、第１側面１１ｃ、第２側面１１ｄ、固定部材１２の第１面１２ａ、第２面１２ｂ、第３面１２ｃ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。

平面鏡１１と固定部材１２は、当接面に凸部（第１凸部、第２凸部、第３凸部）を有していてもよい、凸部は、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、セラミック部材の鏡面に、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 平面鏡
１１ａ 鏡面
１１ｂ 裏面
１１ｃ 第１側面
１１ｄ 第２側面
１２ 固定部材
１２ａ 第１面
１２ｂ 第２面
１２ｃ 第３面

Claims (11)

1. 入射画像を細長い複数の分割像に分割して反射する、スライスミラーであって、
   鏡軸の傾きが異なる細長い鏡面を有する複数の平面鏡と、
   それぞれ直交する、第１面と、第２面と、第３面と有する固定部材とを備え、
   前記複数の平面鏡のそれぞれは、対向する二つの長辺と対向する二つの短辺とを有する裏面と、前記裏面に対して２軸方向に傾きを有する前記鏡面と、前記長辺と接続する二つの第１側面と、前記短辺と接続する二つの第２側面とを有し、
   前記平面鏡同士は前記第１側面同士で当接して重なっており、一つの前記平面鏡の前記第１側面が前記第１面と当接し、全ての前記平面鏡の前記第２側面は、前記第２面と当接し、全ての前記平面鏡の前記裏面は、前記第３面と当接しており、
   前記平面鏡は、前記二つの第１側面の一方に、頂の面または点が同一平面上にある複数の第１凸部を有し、該第１凸部の高さは１０μｍ以下であり、
   前記平面鏡は前記固定部材とボルトで締結するための穴を有し、前記第１凸部は前記穴の周囲に環状に配されているスライスミラー。
2. 前記平面鏡は、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備え、前記本体部が、熱膨張率が±１．５×１０^-6／Ｋ以内の、低熱膨張材料からなる、請求項１に記載のスライスミラー。
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に記載のスライスミラー。
4. 前記平面鏡の正面視形状が矩形状である、請求項１乃至３のいずれかに記載のスライスミラー。
5. 前記平面鏡は、前記第２面の前記平面鏡のそれぞれに対向する部位に第２凸部を有し 、前記第３面の前記平面鏡のそれぞれに対向する部位に第３凸部を有する 、請求項１乃至４のいずれかに記載のスライスミラー。
6. 前記第２凸部および前記第３凸部の高さは、０．１～１．０ｍｍである、請求項５に記載のスライスミラー。
7. 複数の前記平面鏡の積層方向において、隣接する前記第２凸部同士および隣接する前記第３凸部同士は、それぞれジグザグ状に配列している、請求項５または６に記載のスライスミラー。
8. 前記平面鏡は前記固定部材とボルトで締結するための穴を有し、前記第２凸部および前記第３凸部の少なくとも一方は前記穴の周囲に環状に配されている、請求項５乃至７のいずれかに記載のスライスミラー。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のスライスミラーを備えた面分光器。
10. 請求項９に記載の面分光器を備えた望遠鏡。
11. 請求項１乃至８のいずれかに記載のスライスミラーの製造方法であって、
    前記鏡面となる面が前記裏面に対して所望の傾きとなるように前記平面鏡をダミー部材に固定した状態で前記平面鏡を研磨加工する鏡面加工工程と、
    前記平面鏡を前記ダミー部材に固定した状態で前記鏡面となる面に反射部を形成する反射部形成工程とを備えるスライスミラーの製造方法。

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