JP7367265B2 - メトロロジーシステムおよび主鏡保有装置 - Google Patents

Description

本開示は、構造物の変位量を測定するメトロロジーシステムおよび主鏡保有装置に関する。

望遠鏡装置の変位量を計測する従来のメトロロジーシステムでは、望遠鏡の左右のヨーク部の動きを検出し主鏡の指向方向を推定するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、従来の望遠鏡装置では、指向誤差を予想し、指向誤差の補正を行うものがある（例えば、特許文献２参照）。

一方、望遠鏡などの構造物の変位量を測定、物体と物体の直線方向の機械的変位量（一方の物体に対する他方の物体の相対的な移動距離）を測定するリニアエンコーダや、回転方向の機械的変位量（一方の物体に対する他方の物体の回転角度）を測定するロータリーエンコーダなどの距離センサが知られている（例えば、特許文献３参照）。これらは、一方の物体に設置されたスケールの目盛を他方の物体に設置されたリードヘッドで読み取ることによって、２つの物体間の機械的変位量を測定するものである。

特開２００５－７０４０８号公報 特開２００７－１２９４６３号公報 特開２０１３－２００２３５号公報

しかしながら、従来のメトロロジーシステムでは、望遠鏡のヨーク部の動きを検出する手法以外の主鏡の指向方向を推定する手法が開示されていないという課題がある。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、仰角軸の変位量を計測できるメトロロジーシステムおよび主鏡保有装置を得ることを目的とする。

本開示に係るメトロロジーシステムは、主鏡と、主鏡を支持する主鏡支持部とを有する主鏡部と、主鏡部を支持し、主鏡が向く方向である指向方向の仰角を変更する仰角軸の回りに回転可能な仰角軸構造体と、指向方向の方位角を変更する方位角軸の回りに回転可能であり、仰角軸の回りに回転可能に仰角軸構造体を支持する方位角架台と、方位角架台を方位角軸の回りに回転可能に支持する基礎部とを有する主鏡保有装置の構造に関する変位量を測定するメトロロジーシステムにおいて、仰角軸と方位角軸が交差する位置を通り、かつ仰角軸に沿って設けられ、方位角架台に固定された仰角軸基部と、仰角軸基部の方位角軸が通る位置に配置されて、仰角軸基部の傾斜角度を計測する傾斜計とを備えたものである。

本開示に係る主鏡保有装置は、回転放物面である放物面鏡であり、回転放物面の回転軸が、回転軸が向く方向である指向方向の仰角を変更する仰角軸に対してねじれの位置にある主鏡と、主鏡を支持する主鏡支持部とを有する主鏡部と、主鏡部を支持し、仰角軸の回りに回転可能な仰角軸構造体と、指向方向の方位角を変更する方位角軸の回りに回転可能であり、仰角軸の回りに回転可能に仰角軸構造体を支持する方位角架台と、方位角架台を方位角軸の回りに回転可能に支持する基礎部と、仰角軸と方位角軸が交差する位置を通り、かつ仰角軸に沿って設けられ、方位角架台に固定された仰角軸基部と、仰角軸基部の方位角軸が通る位置に配置されて、仰角軸基部の傾斜角度を計測する傾斜計とを備えたものである。

本開示によれば、仰角軸の変位量を計測できるメトロロジーシステムおよび主鏡保有装置を得ることができる。

実施の形態１に係る望遠鏡装置の右側面概略図である。 実施の形態１に係る望遠鏡装置の正面概略図である。 実施の形態１に係る望遠鏡装置の背面概略図である。 実施の形態１に係る望遠鏡装置の平面概略図である。 実施の形態１に係るメトロロジーシステムの斜視図（一部透視図）である。 実施の形態１に係るメトロロジーシステムの正面図（一部透視図）である。 実施の形態１に係るメトロロジーシステムの仰角軸基部を含む部分を拡大した正面図である。 実施の形態１に係るメトロロジーシステムの変位計測計を配置する部分を拡大した正面図である。 実施の形態１に係るメトロロジーシステムの仮想断面から架台基部が存在する側を見た平面図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係るメトロロジーシステムおよび望遠鏡装置について、図１から図６を用いて説明する。実施の形態１に係るメトロロジーシステムは、望遠鏡装置１の構造に関する変位量を測定するものである。望遠鏡装置１は、光あるいは電波を反射する主鏡を有する主鏡保有装置である。光学望遠鏡装置、電波望遠鏡装置、通信やレーダなどで使用されるアンテナ装置など、光あるいは電波を反射する主鏡を有する主鏡保有装置に、本開示に係るメトロロジ―システムは適用できる。また、本開示は、メトロロジ―システムを有する主鏡保有装置を対象とするものである。この明細書では、主鏡保有装置が望遠鏡装置である場合で説明する。

図１から図４を参照して、実施の形態１に係る望遠鏡装置の構成を説明する。図示している望遠鏡装置は、その主鏡が仰角８８度の方向を向いている状態である。図１、図２、図３および図４のそれぞれは、望遠鏡装置１の右側面概略図、正面概略図、背面概略図および平面概略図である。望遠鏡装置１は、主鏡部２と、仰角軸構造体３と、方位角架台４と、基礎部５とを有する。主鏡部２は、主鏡６および主鏡６を支持する主鏡支持部７を有する。仰角軸構造体３は、主鏡部２を支持して、指向方向の仰角を変更する回転軸である仰角軸ＥＬ（ＥＬ軸、エレベーション軸とも呼ぶ）の回りに回転可能な部材である。望遠鏡装置１の指向方向は、主鏡６（厳密には、鏡面の回転放物面の回転軸ＲＴ）が向く方向である。方位角架台４は、仰角軸構造体３を仰角軸ＥＬの回りに回転可能に支持する。方位角架台４は、指向方向の方位角を変更する回転軸である方位角軸ＡＺ（ＡＺ軸、アジマス軸とも呼ぶ）の回りに回転可能な部材である。基礎部５は、方位角軸ＡＺの回りに回転可能に方位角架台４を支持する。基礎部５は、望遠鏡装置１が設置される構造物に固定される。望遠鏡装置１が設置される構造物は、地面に深い基礎を持つ構造である。主鏡部２および仰角軸構造体３は、方位角軸ＡＺを含み、かつ仰角軸ＥＬに垂直な平面である主鏡中心面に対して面対称な構造である。

図において、仰角軸ＥＬは一点鎖線で示す。方位角軸ＡＺは二点鎖線で示す。回転軸ＲＴは破線で示す。回転軸ＲＴは、副鏡と主鏡の間の線分として、図１と図４に表示する。

主鏡部２は、主鏡６、主鏡支持部７、副鏡８および副鏡支持部９を有する。主鏡６は、観測光を反射する。主鏡支持部７は、主鏡６の鏡面の反対側である背面に設けられて主鏡６を支持する。主鏡支持部７は、棒状の部材をトラス構造で組んだ構造物である。副鏡８は、主鏡６の焦点に配置される。副鏡８は、主鏡６が集光した観測光をさらに集光し、仰角軸構造体３が存在する方向に反射する。副鏡８が集光した観測光は、図示しない観測光学系に入り観測装置に伝送される。観測光学系の主鏡部２側の端は、回転軸ＲＴの近傍であり、かつ主鏡支持部７の背面に近い位置に配置される。副鏡支持部９は、副鏡８を支持する。副鏡支持部９は、トラス構造を有する３本の支持柱である。副鏡支持部９は、主鏡６外周側に存在する主鏡支持部７の周縁部に主鏡中心面に対して対称になるように設けられる。中央の支持柱の接続部の中心が、主鏡中心面の上に位置するように設けられる。

主鏡６は、鏡面が回転放物面である放物面鏡である。望遠鏡装置１は、いわゆるオフセット型の望遠鏡である。主鏡６が天頂方向を向く際には、回転放物面の回転軸ＲＴが方位角軸ＡＺと平行になり、回転軸ＲＴは方位角軸ＡＺとはずれた位置に存在する。回転軸ＲＴおよび方位角軸ＡＺは、主鏡中心面の上に存在する。仰角軸ＥＬは主鏡中心面に垂直であり、回転軸ＲＴと仰角軸ＥＬとはねじれの位置にある。回転軸ＲＴまたは仰角軸ＥＬのいずれかを平行移動させて同一平面上になるようにすると、回転軸ＲＴと仰角軸ＥＬは互いに直交する。主鏡６が天頂方向ではない方向を向く際には、回転軸ＲＴと方位角軸ＡＺは交差する。回転軸ＲＴと方位角軸ＡＺの交点の位置は、仰角軸ＥＬと方位角軸ＡＺの交点の位置とは常に離れた位置である。仰角軸ＥＬと方位角軸ＡＺの交点を、指向方向変更中心と呼ぶ。

オフセット型の望遠鏡では、主鏡６の鏡面は放物面鏡の一部を円形に切り出した形状である。円形の外形を有する主鏡６の鏡面は、外形の円の中心を通り回転軸ＲＴに平行な平面で切った際の断面形状は、切断面が主鏡中心面に直交する場合を除き、左右非対称である。つまり、オフセット型の望遠鏡では、鏡面が円形形状の中心に対して非対称である。これに対して、通常の主鏡は、放物面の回転軸ＲＴが中心を通るように鏡面を円形に切り出す。通常の主鏡は、円形形状の中心と回転軸ＲＴとが一致している。そのため、通常の主鏡は、軸対称な鏡面を有する。通常の主鏡では、回転軸ＲＴを含む断面での断面形状は、切断面がどこであっても左右対称になる。通常の主鏡を有する望遠鏡装置を、軸対称型の望遠鏡装置とよぶ。

主鏡支持部７および副鏡支持部９は、温度変化による変形量が小さくなるように、表面に断熱材を設けている。また、主鏡支持部７は、その周囲を冷却する構造を備えている。断熱材や冷却する構造は、望遠鏡装置が設置される地点の環境を考慮して決める。

オフセット型の望遠鏡装置では、主鏡６がどの方向を向いていても、回転軸ＲＴは、方位角軸ＡＺと仰角軸ＥＬの交点である指向方向変更中心から常に離れた位置にある。そのため、回転軸ＲＴの近傍に配置される観測光学系の主鏡部２側の端部は、指向方向変更中心から離れた位置に存在する。オフセット型の望遠鏡装置では、指向方向変更中心から主鏡６の背面までの空間を利用する上での自由度が高い。軸対称型の望遠鏡では、指向方向変更中心の付近に観測光学系の主鏡部２側の端部を配置する必要があるので、指向方向変更中心から主鏡６の背面までの空間を利用する上での自由度が低い。

仰角軸構造体３は、２組の軸受部１０およびカウンタウエイト部１１を有する。軸受部１０およびカウンタウエイト部１１の組は、主鏡支持部７の背面に対称に設けられる。軸受部１０は、方位角架台４に設けられる仰角軸部材１２（図示せず）を回転可能に保持する。仰角軸部材１２と軸受部１０は、実際の物としての仰角軸ＥＬを構成する。カウンタウエイト部１１は、主鏡部２および仰角軸構造体３の重心が仰角軸ＥＬの近くに位置するような重さを有する。主鏡部２および仰角軸構造体３の重心は、主鏡中心面の上に存在する。カウンタウエイト部１１は、仰角軸ＥＬの方向から見ると中心角が約１３５度の扇型に近い形状である。カウンタウエイト部１１は、主鏡６の直径の約２５％の間隔を有して主鏡中心面に平行に配置される。

方位角架台４は、仰角軸部材１２、架台基部１３、仰角軸構造体支持部１４および作業用足場１５を有する。架台基部１３は、基礎部５に支持される。架台基部１３の上側には、仰角軸構造体３を回転および指定した角度を保持させるためのモータやギア機構などが設置される。なお、モータやギア機構などは図示を省略している。仰角軸構造体支持部１４は、架台基部１３の上側に設けられて、仰角軸構造体３を支持する部材である。仰角軸構造体支持部１４は、下側から円筒状、円錐台状、水平な向きの略円筒状の部分を有する。仰角軸構造体支持部１４が有する略円筒状の部分は、水平方向の両端近くは端に行くほど半径が小さくなる円錐台の形状である。略円筒状の部分の両側の側面に水平に仰角軸部材１２が設けられる。仰角軸部材１２は、仰角軸ＥＬを構成する部材である。仰角軸部材１２は円筒状の部材である。２個の仰角軸部材１２の中心軸は一致しており、仰角軸部材１２の中心軸が仰角軸ＥＬである。仰角軸部材１２は、軸受部１０の内部に挿入するように配置される。仰角軸部材１２は、望遠鏡装置１を外側から見る際には見えない。作業用足場１５は、架台基部１３に取り付けられた足場である。作業用足場１５の上に人が立ってメンテナンスなどの作業をする。

望遠鏡装置１では、仰角軸部材１２を方位角架台４に設け、軸受部１０を仰角軸構造体３に設ける。仰角軸部材１２を仰角軸構造体３に設け、軸受部１０を方位角架台４に設ける望遠鏡装置にも、本開示に係るメトロロジ―システムを適用できる。

基礎部５は、構造物に固定される。基礎部５の内部に、架台基部１３を回転可能に支持する軸受部や架台基部１３を回転させるモータなどが設けられる。軸受部は、架台基部１３と基礎部５の間に設けられる。軸受部は、架台基部１３が基礎部５に対して摩擦が小さく回転できるようにベアリングを有する。

望遠鏡装置１は、望遠鏡装置１の構造に関する変位量を計測するメトロロジ―システム３０を含めてもよいし、含まなくてもよい。なお、望遠鏡装置１は、指向方向の誤差を修正（補償）して走査することができる。指向方向の誤差を修正（補償）する方法は特許文献２などに開示された従来技術が適用できる。

図５から図９を参照して、実施の形態１に係るメトロロジ―システム３０の構造を説明する。メトロロジ―システム３０は、仰角軸構造体支持部１４の内部に設けられる。図５から図９では、紙面に垂直な方向での手前側の仰角軸構造体支持部１４が存在しないものとして書いている。図５および図６は、メトロロジーシステム３０の斜視図（一部透視図）および正面図（一部透視図）である。図５および図６は、架台基部１３に作業用足場１５を設置する前の状態を示している。図７は、メトロロジーシステム３０の仰角軸基部を含む部分を拡大した正面図である。図８は、メトロロジーシステム３０の変位計測計を配置する部分を拡大した正面図である。図９は、メトロロジーシステム３０の平面図である。図９では、分岐部３１Ｂの下側に存在する仮想断面から架台基部１３が存在する側を見た平面図である。

メトロロジ―システム３０の構造および動作を説明するために、以下のようなＸＹＺ座標系を定義する。鉛直方向のＺ軸を方位角軸ＡＺと一致させて定義する。Ｘ軸は水平面上に定義する。Ｙ軸は、水平面上でＸ軸に直交するように定義する。Ｙ軸は、仰角が０度である場合に主鏡６が向く方向に平行である。Ｙ軸の正の向きは、副鏡８が存在する側から存在しない側に向かう向きである。Ｘ軸の正の向きは、Ｙ軸の正の向きを時計回りに９０度回転させた向きである。

メトロロジ―システム３０は、仰角軸基部３１、傾斜計３２、方位角軸基部３３および変位計測計３４を有する。仰角軸基部３１および傾斜計３２により、主鏡部２、仰角軸構造体３および方位角架台４で発生する熱による変位や経年による変位などによる、仰角軸ＥＬの方向の変動を長期的にモニタする。変位計測計３４は、仰角軸基部３１が方位角軸基部３３に対して変位することを短期的にモニタする。短期的とは、熱による変位や経年による変位などと比較して短期という意味である。短期的は、瞬間的と言うこともできる。仰角軸基部３１、傾斜計３２、方位角軸基部３３および変位計測計３４は、方位角架台４の内部に収納されている。

仰角軸基部３１は、本体部３１Ａと、分岐部３１Ｂを有する。本体部３１Ａは、仰角軸ＥＬ記方位角軸ＡＺが交差する位置を通り、かつ仰角軸に沿って設けられる。分岐部３１Ｂは、本体部３１Ａの下方に延在する。仰角軸基部３１が有する本体部３１Ａの両端が仰角軸構造体支持部１４に固定される。本体部３１Ａを参照ポール部とも呼ぶ。本体部３１Ａは、フランジを有する３個の同じ半径の円筒が中心軸を一致させて接続された形状である。本体部３１Ａの中央の円筒には、分岐して下方に延在する分岐部３１Ｂが接続する。分岐部３１Ｂは、方位角軸ＡＺに沿って延在する。分岐部３１Ｂは、下端にフランジを有する円筒である。分岐部３１Ｂは、その中心軸が方位角軸ＡＺと一致するように設けられる。分岐部３１Ｂの下端は平板状に閉じられている。仰角軸基部３１は、温度変化により膨張または収縮する量を小さくするため、熱膨張対策として断熱材を貼っている。

傾斜計３２は、仰角軸基部３１の上側で方位角軸ＡＺが通る位置に設けられる。傾斜計３２は、仰角軸基部３１の仰角軸ＥＬに沿った部分である本体部３１Ａの傾斜角度を計測する。傾斜計３２は、重力の方向を検出し、傾斜計３２が設置されている方向との差分から傾斜角度を検出する。

傾斜計３２は、仰角軸基部３１の変位をＸ軸回りの回転、および、Ｙ軸回りの回転の角度（傾斜角）に変換して出力するものである。傾斜計３２は、仰角軸基部３１の変位量（θ_Ｘ，θ_Ｙ）を検出するものである。

傾斜計３２は、仰角軸基部３１に形成され、かつ方位角軸ＡＺ上に配置されている。仰角軸基部３１は、仰角軸ＥＬに沿って設けられている。そのため、主鏡６の指向方向のずれを検出することができる。熱による変位や経年による変位は、主にＺ軸（方位角軸ＡＺ）以外の軸に生じる変位であることから、仰角軸基部３１の変位量（θＸ，θＹ）を検出する傾斜計３２は、熱による変位や経年による変位を検出することができる。

傾斜計３２に自動反転計測機能を持ったものを使用すると、長期モニタ時の温度ドリフトを補正することができる。自動反転計測機能を有する傾斜計３２は、ターンテーブルを有しており、ターンテーブルの上に重力の方向を検出するセンサを設置している。一定時間ごとにターンテーブルを１８０度回転させて傾斜角度を計測することで、温度ドリフトの影響を傾斜角度から除去することができる。

仰角軸基部３１の本体部３１Ａ（参照ポール部）は、仰角軸ＥＬの中心軸を代表するように設置されている。つまり、円筒状の形状である本体部３１の中心軸が仰角軸ＥＬと一致するように、仰角軸基部３１は仰角軸構造体支持部１４に固定されている。そのため、傾斜計３２は、仰角軸ＥＬの変位量を計測することができる。円筒状の本体部３１の中心軸が仰角軸ＥＬとは離れている場合には、傾斜計３２が計測する傾斜角度が仰角軸ＥＬの傾斜角度とは異なる値を計測することになる。

また、傾斜計３２は、本体部３１Ａの上側の方位角軸ＡＺが通る位置に設置している。方位角軸ＡＺは、本体部３１Ａの水平方向の長さの中央の位置に存在する。そのため、傾斜計３２は、主鏡部２の荷重による仰角軸構造体３および方位角架台４（主には仰角軸構造体支持部１４）で発生する変位による仰角軸ＥＬでの変位量を計測できる。傾斜計３２は、仰角軸ＥＬでの変位量を計測する際に、仰角軸基部３１の本体部３１Ａがたわむ影響、あるいは局所的に変形する影響を排除できる。仰角軸基部３１の本体部３１Ａがたわむ場合には、本体部３１Ａの中央でない個所に傾斜計３２を設置すると、傾斜計３２が仰角軸ＥＬの変位量に加えて本体部３１Ａのたわみによる傾斜角度も計測する。たわみによる傾斜角度も含んだ変位を計測することは、傾斜計３２が仰角軸ＥＬの変位量を正確に計測できないことを意味する。

傾斜計３２を、仰角軸ＥＬの傾きを可能な限り正確に計測できる位置に配置する。そうすることで、望遠鏡装置１の指向方向のずれを最大限の補正効果を発揮して補正できることになる。

方位角軸基部３３は、下端が架台基部１３に固定される。方位角軸基部３３は、仰角軸構造体支持部１４とは分離して設けられる。方位角軸基部３３は、上側の上部円筒部３３Ａと、下側の骨組構造部３３Ｂとを有する。上部円筒部３３Ａを、メトロロジーポールとも呼ぶ。骨組構造部３３Ｂを、メトロロジータワーとも呼ぶ。方位角軸基部３３の上側は、分岐部３１Ｂに隣接する側である。方位角軸基部３３の下側は、架台基部１３が存在する側である。上部円筒部３３Ａは、両端にフランジを有する円筒である。上部円筒部３３Ａの上側のフランジは円形である。上部円筒部３３Ａの下側のフランジは、外形が正三角形である。正三角形の重心および上部円筒部３３Ａの円筒部分の中心軸は、方位角軸ＡＺと一致している。上部円筒部３３Ａの上端および下端は平板状に閉じられている。上部円筒部３３Ａは、温度変化により膨張または収縮する量を小さくするため、熱膨張対策として断熱材を貼っている。骨組構造部３３Ｂは、棒状部材を接続した骨組構造を有する部材である。

変位計測計３４は、分岐部３１Ｂと上部円筒部３３Ａの間に設けられる。変位計測計３４は、分岐部３１Ｂの上部円筒部３３Ａに対する変位量を計測する。変位計測計３４は、特許文献３に開示されているような光学式のエンコーダが好適である。なお、機械式、磁気式、電磁誘導式など、他の方式のロータリーエンコーダおよびリニアエンコーダを使用できる。１次元の変位量を計測するのではなく、２次元あるいは３次元の変位量を計測する変位計測計を使用してもよい。

骨組構造部３３Ｂは、図９に示すように上から見ると正三角形の外形を有する。骨組構造部３３Ｂの三角形の３個の頂点は、仰角軸構造体支持部１４の断面の円のすぐ内側に配置される。骨組構造部３３Ｂの三角形の三辺は、Ｘ軸の正の向きに対して１５度、７５度、１３５度の角度を有するように配置される。図６に示すように、骨組構造部３３Ｂは、三角形の頂点の位置に鉛直に架台基部１３に固定された３本の棒材を有する。鉛直な３本の棒材は、それぞれ異なる高さの位置に水平に設けられた３本の棒材により連結される。水平な３本の棒材は、３組ある。骨組構造部３３Ｂは、鉛直な棒材と水平な棒材の接合箇所を斜めに結ぶ３本の棒材も有する。最も高い位置の水平な棒材から６本の棒材が斜めに延在して、上部円筒部３３Ａの下端の三角形の頂点を結ぶ。骨組構造部３３Ｂは、棒材が三角形を構成するように連結しているので、軽量でありながら頑丈にできる。上部円筒部３３Ａと骨組構造部３３Ｂとを組み合わせる構造により、方位角軸基部３３をすべて円筒構造にした場合よりも、方位角軸基部３３を軽量にできる。

図７から図９を参照して、変位計測計３４の配置および構造を説明する。図７の要部拡大図に示すように、分岐部３１Ｂと上側円筒部３３Ａの間に、Ｚ方向に平行に配置された変位計測計３４と、水平面に平行に配置された変位計測計３４とがある。変位計測計３４は、１次元の変位量を計測するリニアエンコーダである。リニアエンコーダは、一方の物体の他方の物体に対する変位量を計測する。リニアエンコーダが変位量を計測するために、一方の物体に目盛りを刻んだスケールを設け、他方の物体にスケールの目盛りを読むセンサを設ける。リニアエンコーダは、センサがスケールの目盛りを読むことで、一方の物体と他方の物体の間での変位量を計測する。

図８に示すように、変位計測計３４は、スケール部材３４Ａとセンサ部３４Ｂとを有する。スケール部材３４Ａは、目盛りを刻んだ棒状の部材であるスケールを有する。センサ部３４Ｂは、棒状の部材が挿入されるリング部材と、棒状の部材の目盛りを読むセンサとを有する。図において、センサは棒状の部材の下側に丸を書いて表現している。棒状の部材がリング部材に挿入されることで、棒状の部材が決められた方向にだけ移動することになる。メトロロジーシステム３０では、スケール部材３４Ａを分岐部３１Ｂに取り付け、センサ部３４Ｂを上部円筒部３３Ａに取り付けている。スケール部材３４Ａを上部円筒部３３Ａに取り付け、センサ部３４Ｂを分岐部３１Ｂに取り付けてもよい。変位計測計３４ごとに、スケール部材３４Ａを取り付ける部材と、センサ部３４Ｂを取り付ける部材とが異なるようにしてもよい。

図８および図９に示すように、メトロロジーシステム３０は、棒状の部材が水平（Ｚ軸に垂直）に配置された４個の変位計測計３４と、棒状の部材が鉛直（Ｚ軸に平行）になるように配置された８個の変位計測計３４とを有する。棒状の部材が水平になるように配置された変位計測計３４を、水平配置の変位計測計３４と呼ぶ。棒状の部材が鉛直になるように配置された変位計測計３４を、鉛直配置の変位計測計３４と呼ぶ。４個の水平配置の変位計測計３４は、上部円筒部３３Ａの上面にＸ軸方向に２個、Ｙ軸方向に２個、配置されている。８個の鉛直配置の変位計測計３４は、上部円筒部３３Ａの上端のフランジの８箇所に設けられたリブの側面にセンサ部３４Ｂが取り付けられる。８箇所のリブは、水平面内において４５度間隔で設けられる。対向する２個のリブを結ぶ直線には、Ｘ軸またはＹ軸に平行なものも含まれる。

変位計測計３４が計測する変位量から、分岐部３１Ｂの上部円筒部３３Ａに対する、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸における変位量を計算する。分岐部３１Ｂの上部円筒部３３Ａに対する変位量は、分岐部３１Ｂの重心Ｇ_０の並進運動による変位量（δ_Ｘ, δ_Ｙ, δ_Ｚ）と、重心Ｇ_０の回りの回転運動による変位量（θ_Ｘ, θ_Ｙ, θ_Ｚ）とを考慮する。各変位計測計３４_ｊに関して、変位量を計測する方向ベクトルと、重心Ｇ_０に対する位置ベクトルを考慮して、各変位計測計３４_ｊが計測する変位量Δ_ｊから並進運動による変位量（δ_Ｘ, δ_Ｙ, δ_Ｚ）と、重心Ｇ_０の回りの回転運動による変位量（θ_Ｘ, θ_Ｙ, θ_Ｚ）とを計算する。なお、望遠鏡装置１の指向方向の変動に大きな影響を与えるのは、回転運動による変位量（θ_Ｘ, θ_Ｙ, θ_Ｚ）である。変位計測計３４は、分岐部３１Ｂを含む仰角軸基部３１の回転変位量（θ_Ｘ，θ_Ｙ，θ_Ｚ）を検出するものである。

水平配置の変位計測計３４が計測する変位量Δ_ｊは、主にＺ軸回りの回転運動による変位量（０, ０, θ_Ｚ）と、ＸＹ平面での並進運動による変位量（δ_Ｘ, δ_Ｙ, ０）とで発生するものである。垂直配置の変位計測計３４が計測する変位量Δ_ｊは、主にＸ軸回りおよびＹ軸回りの回転運動による変位量（θ_Ｘ, θ_Ｙ, ０）と、Ｚ軸方向での並進運動による変位量（０, ０, δ_Ｚ）とで発生するものである。変位計測計３４が設置されている方向により、変位計測計３４がＸ軸回りとＹ軸回りの回転運動による変位量のどちらを主に計測するかが変化する。

変位計測計３４は、分岐部３１Ｂを含む仰角軸基部３１の、上部円筒部３３Ａを含む方位角軸基部３３に対する変位量を検出する。方位角軸基部３３は、架台基部１３に強固に固定され、架台基部１３および基礎部５は構造物に強固に固定されている。そのため、変位計測計３４は、主鏡部２、仰角軸構造体３および方位角架台４が、風（風圧）などにより一時的に変形して発生する仰角軸ＥＬの変位量を計測できる。変位計測計３４は、風（風圧）などによる一時的な仰角軸基部３１の回転変位量（θＸ，θＹ，θＺ）を検出できる。変位計測計３４は、分岐部３１Ｂの方位角軸基部３３の側に設置されており、仰角軸基部３１は仰角軸ＥＬに沿って設けられているので、仰角軸基部３１の回転変位量（θＸ，θＹ，θＺ）から望遠鏡装置１の指向方向のずれを検出できる。

方位角架台４および基礎部５は、強固に望遠鏡装置１が設置される個所の地面に固定されている。また、方位角架台４が有する架台基部１３に、方位角軸基部３３が強固に固定されている。方位角軸基部３３は、仰角軸構造体支持部１４とは分離して架台基部１３に固定されている。そのため、方位角軸基部３３は地面に対する位置が固定されている。また、仰角軸構造体支持部１４は、その内部に方位角軸基部３３を収納するが、仰角軸構造体支持部１４と方位角軸基部３３は接続していない。そのため、方位角軸基部３３は、仰角軸構造体支持部１４の変位あるいは変形することの影響を受けない。一方、仰角軸基部３１は、仰角軸構造体支持部１４に固定されている。変位計測計３４は、方位角軸基部３３と仰角軸基部３１の間に設置されている。そのため、変位計測計３４は、仰角軸構造体支持部１４の地面に対する変位量を計測できる。

仰角軸基部３１、傾斜計３２、方位角軸基部３３および変位計測計３４は、方位角架台４の内部に収納されている。つまり、方位角架台４は、仰角軸基部３１、傾斜計３２、方位角軸基部３３および変位計測計３４のカバー（覆い）である。そのため、傾斜計３２および変位計測計３４の測定精度を高く維持できる。仰角軸基部３１および方位角軸基部３３に直接に風などによる外乱が加えられることが無い。そのため、仰角軸ＥＬで発生する変位量がそのまま、仰角軸基部３１に発生する変位量になる。また、傾斜計３２および変位計測計３４は、温度変動が少ない環境に配置される。そのため、傾斜計３２および変位計測計３４が計測する変位量に、温度変化などに起因する誤差が少なくなる。

傾斜計３２は、熱による変位や経年による変位などの長期的なモニタを行うものであるため、変位計測計３４よりもサンプリング周期の遅いものが使用できる。一方、変位計測計３４は、風（風圧）による変位などの短期的なモニタを行うものである。そのため、変位計測計３４のサンプリング周期は、傾斜計３２のサンプリング周期よりも短い。

実施の形態１に係るメトロロジーシステムおよび望遠鏡装置は、仰角軸基部３１の変位量を測定して主鏡６の指向方向のずれを検出することができる。変位計測計３４が計測する短期的に変動する変位に応じて、例えば特許文献２で開示された方法を使用することで、短期的に変動する変位がある場合でも、望遠鏡の指向方向を意図する方向に向けることができる。また、傾斜計３２が計測する長期的な変動に応じて、指向方向の指令値と実際に主鏡が向く方向との誤差を把握して、経年変化などで指向方向に誤差を有する望遠鏡でも指令された指向方向に主鏡を向けることができる。

傾斜計３２は、方位角軸ＡＺと仰角軸ＥＬの交点である指向方向変更中心と主鏡６の背面までの間において、方位角軸ＡＺ上に配置すればよい。オフセット型である望遠鏡装置１では、仰角軸基部３１と主鏡６の背面までに十分な空間があり、傾斜計３２を配置しやすい。軸対称型の望遠鏡装置においても、仰角軸基部と主鏡の背面までの空間に傾斜計を配置する。

方位角軸基部３３が有する上部円筒部３３Ａおよび仰角軸基部３１を円筒の形状にしているので、温度変化により膨張または収縮する際に、膨張または収縮の変形に方向依存性が無い。そのため、上部円筒部３３Ａおよび仰角軸基部３１が局所的に変形することが無く、傾斜計３２および変位計測系３４が仰角軸ＥＬの変位量を精度よく計測できる。

傾斜計３２の替わりに変位計測計３４を使用して、熱による変位や経年による変位などを長期的にモニタすることは可能である。そのためには、以下が必要である。(a)方位角軸基部３３を望遠鏡装置１とは分離した基礎に固定する。(b)インバ―合金など低熱膨張率を有する材料で仰角軸基部３１および方位角軸基部３３を製造する。傾斜計３２は重力方向を計測するので、どこに設置しても、設置した部材の傾斜角を計測できる。そのため、変位計測計３４で熱による変位や経年による変位などを長期的にモニタするために必要な上記の対策が不要である。

メトロロジ―システムは、変位計測計３４を備えず、傾斜計３２だけを備えるものでもよい。変位計測計３４を備えないメトロロジ―システムでは、仰角軸基部は、分岐部３１Ｂを有さない。仰角軸基部は、仰角軸ＥＬ記方位角軸ＡＺが交差する位置を通り、かつ仰角軸に沿って設けられる。傾斜計３２だけを備えるメトロロジーシステムは、仰角軸ＥＬの長期的な変位を計測して、経年変化などによる望遠鏡装置の指向方向の誤差を補正することができる。変位計測計３４を備えるかどうかによらず、傾斜計３２を備えるメトロロジーシステムは、仰角軸ＥＬに沿った位置に仰角軸基部を配置できる望遠鏡装置に適用できる。

複数の１次元の変位量を計測する変位計測計３４の替わりに、２次元あるいは３次元の変位量を計測できる変位計測計を使用してもよい。２次元あるいは３次元の変位量を計測できる変位計測計を使用することで、変位計測系の数を減らすことができる。２次元あるいは３次元の変位量を計測できる変位計測計は、計測する変位量を考慮して適切に配置する。

この明細書では、本開示に係るメトロロジ―システムを望遠鏡装置に適用する場合で説明した。本開示に係るメトロロジ―システムは、望遠鏡装置だけでなく、主鏡と、主鏡を支持する主鏡支持部とを有する主鏡部と、主鏡部を支持し、主鏡が向く方向である指向方向の仰角を変更する仰角軸の回りに回転可能な仰角軸構造体と、指向方向の方位角を変更する方位角軸の回りに回転可能であり、仰角軸の回りに回転可能に仰角軸構造体を支持する方位角架台と、方位角架台を方位角軸の回りに回転可能に支持する基礎部とを有する主鏡保有装置に適用できる。本開示に係るメトロロジ―システムは、主鏡保有装置の構造、特には仰角軸に関する変位量を測定できる。主鏡保有装置としては、アンテナ装置などにも適用できる。

実施の形態の変形や一部の構成要素を省略すること、変形や省略の自由な 組み合わせが可能である。

１ 望遠鏡装置（主鏡保有装置）、
２ 主鏡部、
３ 仰角軸構造体、
４ 方位角架台、
５ 基礎部、
６ 主鏡、
７ 主鏡支持部、
８ 副鏡、
９ 副鏡支持部、
１０ 軸受部、
１１ カウンタウエイト、
１２ 仰角軸部材、
１３ 架台基部、
１４ 仰角軸構造体支持部、
１５ 作業用足場、

３０ メトロロジ―システム、
３１ 仰角軸基部、
３１Ａ 本体部（参照ポール部）、
３１Ｂ 分岐部、
３２ 傾斜計、
３３ 方位角軸基部、
３３Ａ 上部円筒部（メトロロジーポール）、
３３Ｂ 骨組構造部（メトロロジータワー）
３４ 変位計測計
３４Ａ スケール部材、
３４Ｂ センサ部。

Claims (20)

1. 主鏡と、前記主鏡を支持する主鏡支持部とを有する主鏡部と、
   前記主鏡部を支持し、前記主鏡が向く方向である指向方向の仰角を変更する仰角軸の回りに回転可能な仰角軸構造体と、
   前記指向方向の方位角を変更する方位角軸の回りに回転可能であり、前記仰角軸の回りに回転可能に前記仰角軸構造体を支持する方位角架台と、
   前記方位角架台を前記方位角軸の回りに回転可能に支持する基礎部とを有する主鏡保有装置の構造に関する変位量を測定するメトロロジーシステムにおいて、
   前記仰角軸と前記方位角軸が交差する位置を通り、かつ前記仰角軸に沿って設けられ、前記方位角架台に固定された仰角軸基部と、
   前記仰角軸基部の前記方位角軸が通る位置に配置されて、前記仰角軸基部の傾斜角度を計測する傾斜計とを備えたメトロロジーシステム。
2. 前記仰角軸基部の前記仰角軸に沿う部分は円筒状の形状であり、
   前記仰角軸基部の円筒の中心軸は前記仰角軸と一致している、請求項１に記載のメトロロジーシステム。
3. 前記方位角架台は、前記基礎部に支持される架台基部と、前記架台基部の上側に設けられて前記仰角軸構造体を支持し、前記仰角軸基部が固定された仰角軸構造体支持部とを有し、
   前記仰角軸基部は、前記仰角軸に沿う本体部と、前記本体部の下方に延在する分岐部とを有し、
   前記仰角軸構造体支持部とは分離して設けられ、下端が前記架台基部に固定された方位角軸基部と、
   前記分岐部と前記方位角軸基部との間に設けられて、前記分岐部の前記方位角軸基部に対する変位量を計測する変位計測計とを備えた、請求項１または請求項２に記載のメトロロジーシステム。
4. 前記本体部および前記分岐部は円筒状であり、
   前記方位角軸基部は、前記分岐部に隣接する側に円筒状の上部円筒部を有し、
   前記本体部の円筒の中心軸は前記仰角軸と一致しており、
   前記分岐部の円筒の中心軸は前記方位角軸と一致しており、
   前記上部円筒部の中心軸は前記方位角軸と一致している、請求項３に記載のメトロロジーシステム。
5. 前記仰角軸基部、前記方位角軸基部、前記傾斜計および前記変位計測計は、前記方位角架台の内部に収納される、請求項３または請求項４に記載のメトロロジーシステム。
6. 前記変位計測計は、前記方位角軸に平行なＺ軸、前記Ｚ軸と直交するＸ軸、前記Ｘ軸および前記Ｚ軸と直交するＹ軸における前記分岐部の変位量を計測するものである、請求項３から請求項５の何れか１項に記載のメトロロジーシステム。
7. 前記変位計測計のサンプリング周期は、前記傾斜計のサンプリング周期よりも短い、請求項３から請求項６の何れか１項に記載のメトロロジーシステム。
8. 前記方位角軸基部は、前記架台基部が存在する側に棒状部材を接続した骨組構造部を有する、請求項３から請求項７の何れか１項に記載のメトロロジーシステム。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のメトロロジーシステムと、
   前記主鏡部と、前記仰角軸構造体と、前記方位角架台と、前記基礎部とを備えた主鏡保有装置。
10. 前記主鏡部は、前記主鏡の焦点に配置された副鏡と、前記副鏡を支持する副鏡支持部とをさらに有する、請求項９に記載の主鏡保有装置。
11. 前記主鏡は回転放物面である放物面鏡であり、前記回転放物面の回転軸と前記仰角軸とはねじれの位置にある、請求項１０に記載の主鏡保有装置。
12. 回転放物面である放物面鏡であり、前記回転放物面の回転軸が指向方向の仰角を変更する仰角軸に対してねじれの位置にある主鏡と、前記主鏡を支持する主鏡支持部とを有する主鏡部と、
    前記主鏡部を支持し、前記仰角軸の回りに回転可能な仰角軸構造体と、
    前記指向方向の方位角を変更する方位角軸の回りに回転可能であり、前記仰角軸の回りに回転可能に前記仰角軸構造体を支持する方位角架台と、
    前記方位角架台を前記方位角軸の回りに回転可能に支持する基礎部と、
    前記仰角軸と前記方位角軸が交差する位置を通り、かつ前記仰角軸に沿って設けられ、前記方位角架台に固定された仰角軸基部と、
    前記仰角軸基部の前記方位角軸が通る位置に配置されて、前記仰角軸基部の傾斜角度を計測する傾斜計とを備えた主鏡保有装置。
13. 前記仰角軸基部の前記仰角軸に沿う部分は円筒状の形状であり、
    前記仰角軸基部の円筒の中心軸は前記仰角軸と一致している、請求項１２に記載の主鏡保有装置。
14. 前記方位角架台は、前記基礎部に支持される架台基部と、前記架台基部の上側に設けられて前記仰角軸構造体を支持し、前記仰角軸基部が固定された仰角軸構造体支持部とを有し、
    前記仰角軸基部は、前記仰角軸に沿う本体部と、前記本体部の下方に延在する分岐部とを有し、
    前記仰角軸構造体支持部とは分離して設けられ、下端が前記架台基部に固定された方位角軸基部と、
    前記分岐部と前記方位角軸基部との間に設けられて、前記分岐部の前記方位角軸基部に対する変位量を計測する変位計測計とを備えた、請求項１２または請求項１３に記載の主鏡保有装置。
15. 前記本体部および前記分岐部は円筒状であり、
    前記方位角軸基部は、前記分岐部に隣接する側に円筒状の上部円筒部を有し、
    前記本体部の円筒の中心軸は前記仰角軸と一致しており、
    前記分岐部の円筒の中心軸は前記方位角軸と一致しており、
    前記上部円筒部の中心軸は前記方位角軸と一致している、請求項１４に記載の主鏡保有装置。
16. 前記仰角軸基部、前記方位角軸基部、前記傾斜計および前記変位計測計は、前記方位角架台の内部に収納される、請求項１４または請求項１５に記載の主鏡保有装置。
17. 前記変位計測計は、前記方位角軸に平行なＺ軸、前記Ｚ軸と直交するＸ軸、前記Ｘ軸および前記Ｚ軸と直交するＹ軸における前記分岐部の変位量を計測するものである、請求項１４から請求項１６の何れか１項に記載の主鏡保有装置。
18. 前記変位計測計のサンプリング周期は、前記傾斜計のサンプリング周期よりも短い、請求項１４から請求項１７の何れか１項に記載の主鏡保有装置。
19. 前記方位角軸基部は、前記架台基部が存在する側に棒状部材を接続した骨組構造部を有する、請求項１４から請求項１８の何れか１項に記載の主鏡保有装置。
20. 前記主鏡部は、前記主鏡の焦点に配置された副鏡と、前記副鏡を支持する副鏡支持部とをさらに有する、請求項１４から請求項１９の何れか１項に記載の主鏡保有装置。

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