JP7604130B2

JP7604130B2 - ミラーおよび望遠鏡

Info

Publication number: JP7604130B2
Application number: JP2020131778A
Authority: JP
Inventors: 翔太一瀬; 政生吉田; 優二池田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2024-12-23
Anticipated expiration: 2040-08-03
Also published as: JP2022028405A

Description

本開示は、ミラーおよび該ミラーを用いた望遠鏡に関する。

地上、または宇宙空間で使用される天体望遠鏡等の光学機器は、観測対象の光を集光し、導くためのミラーを備えている。天体望遠鏡等に用いられるミラーは、より微弱な天体光を捉えるため、またより高解像度の天体画像を得るために大口径化が求められてきた。ミラーの大きさは例えば１ｍ以上であるが、このような一体的な大型ミラーは高価であり、開発期間も長くなる。ミラーは一般に脆性材料で製作されるため、製作工程におけるハンドリングミスなどによって破損が発生しやすく、そのリカバリーに多くのリソースを要するという問題もある。こうした欠点を避けるため、複数個の小型ミラーを理想的な光学面に沿うように配置し、あたかも一枚ミラーを形成するセグメントミラーと呼ばれる方式がある。地上大望遠鏡であるケック望遠鏡や次世代宇宙望遠鏡であるジェームズ・ウェッブ望遠鏡などにその技術が使われている。

ところがセグメントミラーにも課題がある。一般に用いられているセグメントミラーには個々のミラーのアライメントを可能にするために、隣り合う個々のミラー間には空隙が設けられている。ところが、そのような空隙は望遠鏡で得られる回折像（点像分布関数）を複雑するため解像度の劣化を招き、また空隙から発生する熱輻射によって赤外線像の感度を著しく低下させる。そこで、例えば、特許文献１には、低熱膨張セラミックスからなる複数の部材を接触固定させて、空隙をなくした分割ミラーが開示されている。この空隙をもたない分割ミラーによってセグメントミラーの欠点は解消されたものの、地上や宇宙空間で用いられる望遠鏡ミラーは、温度変化や振動などを受けるため、個々のミラーの熱応力や振動変位による各ミラーの接触、干渉による面形状変形や位置ずれ（アライメントエラー）が生じることがある。

特開２０２０－３４７５７号公報

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであり、温度変化や振動による変形や位置ずれの少ない分割ミラーを提供することを目的とする。

本開示のミラーは、反射部材が配置された表面と、裏面と、前記表面と前記裏面とを接続する側面とを備え、前記裏面に凹部と前記凹部を囲んで前記側面を構成するリブ部を備える複数の本体部材と、前記本体部材の前記裏面側に配置され、前記リブ部同士を固定する固定部材とを備えるミラーであって、隣接する前記本体部材の前記側面同士は、ギャップを介して近接している。

本開示のミラーは、温度変化や振動による変形が少ない。

一実施形態のミラーの表面の概略図である。一実施形態のミラーの裏面の概略図である。他の実施形態のミラーの概略図である。他の実施形態のミラーの概略図である。

＜ミラーおよび望遠鏡＞
本開示のミラーの実施形態について、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。

本実施形態のミラー１０は、図１および図２に示すように、表面１ａと、その裏面１ｂと、表面１ａと裏面１ｂとを接続する側面１ｃとを有する複数の本体部材１を備える。表面１ａに反射部材（不図示）が配置され、複数の本体部材１で一体のミラー１０を構成する。

裏面１ｂには凹部２と、凹部２を取り囲むリブ部３とを有し、リブ部３が側面１ｃを構成する。このような凹部２とリブ部３とを有することで、ミラー１０は必要な機械的強度を有しながら、軽量化することができ、人工衛星等に搭載する宇宙望遠鏡用ミラーなどに適したものとなる。

ミラー１０の隣接する本体部材１の側面１ｃ同士は、接触しておらず、ギャップ１４を介して近接している。本体部材１の裏面１ｂ側に板状の固定部材（板状部材）１１が配置され、リブ部３同士を連結固定する。

ミラー１０は、温度変化や振動など、比較的過酷な環境下で使用されることがある。例えば、宇宙で使用される望遠鏡用のミラー１０は、打ち上げの際、温度変化や振動を受ける。本体部材１同士が接触固定されていると、温度変化による膨張や振動によって本体部材１同士に過剰な応力が加わり、位置ずれ、変形を起こしやすい。しかし、宇宙空間に打ち上げた後の再調整は非常に困難である。そこで、本体部材１同士を非接触とし、ギャップ１４を設けることで、温度変化や振動を受ける環境においても、本体部材１同士の接触を避けることができ、接触による変形や位置ずれを低減することができる。

本開示の望遠鏡（不図示）は、ミラー１０を備える。

ミラー１０の直径は、例えば３００ｍｍ以上であり、１ｍ以上であってもよい。ミラー１０が複数の本体部材１で構成されていることで、ミラー１０の大型化が可能である。また、本体部材１に破損が生じた際、その破損が生じた本体部材１のみを取り外して交換することができる。

本実施形態では、ミラー１０の外形状が円形である例を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、多角形状であってもよい。ミラー１０は平面鏡であっても曲率を有する曲面鏡、さらには自由曲面であってもよい。

ギャップ１４の間隔は、ミラー１０の外形寸法（円形であれば直径、多角形等であれば最大幅）の１／８００以下であることが好ましい。ミラー１０で反射した光はレンズなどの光学系を経由して撮像素子などの受光素子に到達する。撮像素子の画素数が８００×８００個であれば、撮像される画像の解像度は画像寸法の１／８００である。一般に、望遠鏡に付随の受光素子の解像度は１／８００以下なので、ギャップ１４の間隔がミラー１０の外形寸法の１／８００以下であれば、ギャップ１４のない一体のミラーとして認識される。さらに高解像度の受光素子と組み合わせて使用するときは、ギャップ１４の間隔をさらに小さくするとよい。例えば、解像度が１／１０００（画素数が１Ｍ）の受光素子であれば、ギャップの１４の間隔をミラー１０の外形寸法の１／１０００、解像度が１／２０
００（画素数が４Ｍ）の受光素子であれば、ギャップの１４の間隔をミラー１０の外形寸法の１／２０００とすればよい。ギャップ１４の間隔は、反射面の面内で均一であると製造が容易である。ギャップ１４の間隔は画像の解像度（ミラー１０の径／素子の解像度）より小さければ、観測対象の光の波長より大きくてもよい。

なお、後述のように、ギャップ１４の間隔は、ミラー１０の直径の１／１００００以上、さらに好ましくは１／５０００以上が好ましい。

側面１ｃを形成するリブ部３は、隣接する他の本体部材１と近接する第１部分（径部分）３ａと、ミラー１０の外形を形成する第２部分（外形部分）３ｂとを有している。さらに、図１のように、入・出射する光の光路を形成する第３部分（内形部分）３ｃを有していてもよい。

図１、図２では、リブ部３が、同心円弧状の第２部分３ｂと第３部分３ｃと、それぞれの円弧の半径の差に相当する長さを持つ直線状の２つの第１部分３ａで構成された例を示しているが、これに限定されるものではなく、第２部分３ｂと第３部分３ｃとは直線状（例えば、円の弦状）であってもよい。複数の多角形状の本体部材１をハニカム状に配置してミラー１０を構成してもよい。第１部分３ａがミラー１０の径方向の直線状であれば、同形状、例えば、等分割した扇形の第１部分３ａの集合体で円形を構成することができるので、外形が円形のミラー１０の作製が容易である。また、組み立て、温度変化等で生じる応力を等方的に分散することができる。

図１、図２では、本体部材１が６個である例を示しているが、これに限定されるものではなく、本体部材１の個数は２個以上であればよい。図３では、さらに大型のミラー１０を想定した、内周側に６個、外周側に６個の１２個の本体部材１からなるミラー１０の例を示す。この場合、内周側の本体部材１Ａと外周側の本体部材１Ｂとの間にもギャップ１４が設けられる。すなわち、内周側の本体部材１Ａのリブ部３は第１部分３ａと第３部分３ｃとからなり、外周側の本体部材１Ｂのリブ部３は第１部分３ａと第２部分３ｂとからなる。後述するように、ギャップ１４は各本体部材１の間に金属板等を配置して組み立てることで形成できる。図３に示すミラー１０は、内周側の本体部材１Ａ間のギャップ１４と外周側の本体部材１Ｂ間のギャップ１４とが同一直線状に配置されているので組み立てが容易であり、容易にギャップ１４の空間精度を達成することができる。また、内周側の本体部材１Ａと外周側の本体部材１Ｂとを組み立てた状態で、第１部分３ａを研磨することもでき、ギャップ１４の精度を向上しやすい。内周側の本体部材１Ａと外周側の本体部材１Ｂとの間のギャップ１４も、直線状であれば組み立てが容易で精度が向上しやすい。

本体部材１のようなブロック状の部材の各面を研磨すると、各面の接続部にだれ（ロールオフ）が生じる。だれは特に角で大きくなる。複数のギャップ１４の交点に隣接する本体部材１の数が多いと、交点にだれの大きい角が集まるため、ギャップ１４の幅は設計値よりも大きくなりやすい。そのため、ギャップ１４の交点に隣接する本体部材１の数は少ない方が好ましく、特に３以下であるとよい。図４に、内周側の本体部材１Ａと外周側の本体部材１Ｂとを有するミラー１０において、交点に隣接する本体部材１の数を３以下とした例を示す。

本体部材１は、第１リブ部３ａの裏面側に非貫通穴８を有する。非貫通穴８は、裏面１ｂに開口して表面１ａに向かう方向に形成され、内部にねじ溝が形成される。板状部材１１は、本体部材１の非貫通穴８に対応する貫通穴１２を有しており、非貫通穴８と貫通穴１２とが連通するように、本体部材１に接している。そして、貫通穴１２および非貫通穴８に挿入された締結部材１３により、隣り合う本体部材１同士を締結固定する。締結部材１３とは、例えば、ボルト等のことである。本体部材１（第１部分３ａ）の裏面１ｂと固
定部材１１とを、ミラー１０の厚み方向（表面１ａから裏面１ｂに向かう方向）に締結固定することで、熱膨張や振動による本体部材１同士の機械的干渉が生じにくくなる。締結部材１３の材質は、本体部材１と熱膨張係数の差が小さいことが好ましく、例えばミラー部材に低膨張ガラス、低膨張ガラスセラミックス、低膨張セラミックスを用いている場合はＦｅ－Ｎｉ合金などの熱膨張係数の比較的小さい金属が好適である。締結部材１３の個数は、板状部材１１と本体部材１とが安定して固定される個数であれば何個でも構わない。

本体部材１および板状部材１１がセラミックスからなっていると、機械的強度が高く、かつ、耐熱性が高いミラー１０となる。セラミックスは、例えば、コージェライト質セラミックス、酸化アルミニウム質セラミックス、酸化ジルコニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックスまたはムライト質セラミックス等である。

特に、本体部材１および板状部材１１が、使用環境の温度範囲で熱膨張係数が±１０×１０^－６／Ｋ以下、好ましくは±１×１０^－６／Ｋ以下の低熱膨張セラミックスであれば、温度変化による変形が少なく、本体部材１同士が接触しにくいので、温度変化が大きい環境下での信頼性が高くなる。低熱膨張セラミックスは、コージェライト質セラミックスが好適である。コージェライト質セラミックスは、低比重で熱膨張係数が小さいので、ミラー１０の軽量化が図れる。コージェライト質セラミックスの熱膨張係数は、例えば０．０２×１０^－６／Ｋ（＠２２℃）である。

コージェライト質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）を８０質量％以上含有するものである。本体部材１の材質は、以下の方法により確認することができる。ＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置（ＸＲＤ）により、２θ＝８～１００°（２θは、回折角度である。）の範囲でＸ線回折測定を行ない、リートベルト解析プログラムＲＩＥＴＡＮを用いて求めたコージェライトの含有量が８０質量％以上であればコージェライト質セラミックスである。

ギャップ１４の間隔は、ミラー１０の直径の１／１００００以上、さらに好ましくは１／５０００以上であれば、温度変化や振動を受けても本体部材１同士の接触が低減でき、ミラー１０の変形を低減することができる。

ミラー１０において、本体部材１の表面１ａの算術平均粗さＲａ、および二乗平均平方根粗さＲｑは、反射率と解像度を維持するためには観測対象の光の波長に対して十分小さくする必要がある。観測対象の光が可視光や赤外光である場合、表面１ａの算術平均粗さＲａは０．２μｍより小さいとよい。また、これにより、表面１ａからのパーティクルの発生が低減される。例えば、表面１ａの算術平均粗さＲａは２０ｎｍ以下、二乗平均平方根粗さＲｑは１０ｎｍ以下である。

リブ部３で構成される側面１ｃのうち、第１部分３ａの側面は、表面１ａの反射面として使用される有効領域に接続するともに、ギャップ１４を介して他の本体部材１と対向する面である。第１部分３ａの側面の算術平均粗さＲａは０．２μｍより小さいとよい。これにより、表面１ａの有効領域へのパーティクルの混入が低減される。さらに、第１部分３ａの側面の算術平均粗さＲａが表面１ａの算術平均粗さＲａよりも小さいことが好ましい。例えば、第１部分３ａの側面の算術平均粗さＲａを１０ｎｍ以下とする。これにより、ギャップ１４を高精度に形成することができる。

リブ部３で構成される側面１ｃのうち、第２部分３ｂと第３部分３ｃの側面は、表面１
ａの外周部と内周部に接続する面である。表面１ａの外周部と内周部は、鏡として使用されない領域とすることが可能なので、第２部分３ｂと第３部分３ｃの側面は非鏡面（算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上の面）でも構わない。第２部分３ｂと第３部分３ｃの側面を算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上、例えば０．８μｍとすることで、加工が容易となり製造コストを低減できる。

リブ部３の裏面１ｂのうち、第１部分３ａの裏面は、板状部材１１と接触固定される面である。第１部分３ａの裏面の算術平均粗さＲａが０．０４μｍ以下であると、本体部材１の裏面１ｂと板状固定部材１１との接触が良好となり、各本体部材１の表面１ａの集合により構成される反射面の面精度が向上する。

算術平均粗さＲａは、ＪＩＳＢ０６０１（１９８２）に準拠して測定することにより求めることができる。例えば、株式会社小坂研究所製の表面粗さ・輪郭形状測定機、ＳＥＦ６８０を用い、測定条件としては、例えば、測定長さを２．５ｍｍ以上、カットオフ値を０．８ｍｍとし、触針の走査速度を０．５ｍｍ／秒に設定すればよい。そして、測定対象面において、少なくとも５ヵ所以上測定し、その平均値を求めればよい。

ミラー１０において、複数の本体部材１の少なくとも１つは、図２に示すように、凹部２における厚み（表面１ａから裏面１ｂに向かう方向の距離）が、反射面４の中央から離れる方向に段階的に薄くなっていてもよい。このような構成を満足するならば、反射面４の中央に近づく方向に段階的に薄くなる場合に比べて、ミラー１０としての機械的強度が高く、かつ、ミラー１０を軽量化することができる。ミラー１０を構成する全ての本体部材１が上記構成であれば、ミラー１０を大型化しても、ミラー１０の重量増加をより抑制することができることは言うまでもない。

ミラー１０は、紫外光、可視光、赤外光を利用した光学機器だけでなく、電波（周波数が３ＴＨｚ以下の電磁波）を利用した電波望遠鏡などにも用いることができる。ミラー１０は、宇宙、屋外など、温度変化または振動を受ける環境下で使用される環境で好適に使用される。

＜ミラーの製造方法＞
以下、本開示のミラー１０の製造方法について、本体部材１および板状部材１１がコージェライト質セラミックスからなる場合を例に説明する。

まず、炭酸マグネシウム粉末、酸化アルミニウム粉末および酸化珪素粉末を所定の割合となるように調合した混合粉末を仮焼合成して得られる合成コージェライト粉末を準備する。次に、この合成コージェライト粉末と焼結助剤粉末とを所定の割合で秤量し、１次原料とする。次に、この１次原料粉末を湿式混合した後、所定量のバインダを添加し、スラリーを得る。

次に、このスラリーを噴霧造粒装置（スプレードライヤー）を用いて噴霧し、造粒することにより顆粒を得る。そして、得られた顆粒を用いて静水圧プレス成形（ラバープレス）または粉末プレス成形にて成形し、任意の形状となるように切削加工を施した成形体を得る。次に、この成形体を、焼成炉にて大気雰囲気中１３００℃以上１４５０℃以下の最高温度で焼成することにより焼結体を得る。その後、必要に応じて、研削加工や研磨加工を焼結体に施すことで、表面１ａ、裏面１ｂおよび側面１ｃを有する、任意形状の本体部材１を得る。研削加工や研磨加工により、本体部材１の表面１ａ、裏面１ｂおよび側面１ｃは、所望の算術平均粗さＲａとなるように加工し、本体部材１に非貫通穴８を形成する。また、貫通穴１２を有する板状部材１１は、上述した本体部材１と同様の製造方法で作製すればよい。

次に、得られた本体部材１および板状部材１１を、締結部材１３を用いてそれぞれ締結固定する。この時、隣接する本体部材１間にギャップ１４の間隔に相当する厚みの金属板を挿入して締結した後、金属板を抜き取ることでミラー１０を得る。次に、本体部材１の表面１ａをアルミニウム、銀、金もしくは誘電体多層膜などからなる反射部材で被覆する。反射部材は本体部材１の締結前に形成してもよいが、締結後に形成すれば、ギャップ制御用の金属板の挿入、抜き取り時に、反射部材に接触して反射部材が剥がれることがない。

なお、本開示は上述の実施の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、改良等が可能である。

上記の方法で、熱膨張係数が０．０２×１０^－６／Ｋ（＠２２℃）であるコージェライト質セラミックスで、図１、図２に示すような６個の本体部材１を用いた、直径３００ｍｍ、ギャップ１４の間隔が０．１５ｍｍのミラー１０を作製し、温度サイクル試験と振動試験とを続けて行って、試験前後のミラー１０の反射面の形状を、レーザー干渉計を用いてミラー１０からの反射光を受光部に集光して測定したところ、ギャップ１４のない、一体のミラー１０として認識された。測定波長は６３３ｎｍ、解像度は０．３６ｍｍである。温度サイクル試験は、７０°から－４０℃まで１０サイクルの試験を実施し、振動試験は、ランダム波振動試験機を用い、振動数１０～２０００Ｈｚ、加速度１０Ｇ（実効値）で実施した。これらは、人工衛星打ち上げの際の環境を想定した試験である。ギャップ１４がない（本体部材１同士が接触している）比較例では、反射面の反り（最小二乗平面から最高点と最低点までの距離の和）は、試験前後で０．２２μｍから７．１２μｍに変化したのに対し、実施例では、反射面の反りは、試験前後で０．１５μｍから１．２７μｍへの変化に留まった。

１：本体部材
１ａ：表面
１ｂ：裏面
１ｃ：側面
２：凹部
３：リブ部
３ａ：第１部分
３ｂ：第２部分
３ｃ：第３部分
８：非貫通穴
１０：ミラー
１１：固定部材（板状部材）
１２：貫通穴
１３：締結部材
１４：ギャップ

Claims

反射部材が配置された表面と、裏面と、前記表面と前記裏面とを接続する側面とを備え、前記裏面に凹部と前記凹部を囲んで前記側面を構成するリブ部を備える複数の本体部材と、
前記本体部材の前記裏面側に配置され、前記リブ部同士を固定する固定部材と、
を備えるミラーであって、
前記リブ部は、隣接する他の前記本体部材と近接する第１部分を有し、前記第１部分の裏面同士が前記固定部材で固定されており、
隣接する前記第１部分同士の各対向面は、前記固定部材の固定面を有しておらず、
前記第１部分同士は、ギャップを介して非接触で近接している、
ミラー。
前記第１部分の裏面の算術平均粗さＲａが０．０４μｍ以下である、請求項１に記載のミラー。
外径が円形または多角形状を有し、
前記本体部材と前記固定部材は、熱膨張係数が、±１０×１０^－６／Ｋ以下の低熱膨張セラミックスからなり、前記ギャップの間隔は前記ミラーの外形寸法（円形の場合は直径、多角形状の場合は最大幅）の１／８００以下である、請求項１または２に記載のミラー。
前記ギャップの間隔は、前記ミラーの外形寸法の１／１０００以下である、請求項３に記載のミラー。
前記ギャップの間隔は、前記ミラーの外形寸法の１／１００００以上である、請求項４に記載のミラー。
前記本体部材と前記固定部材は、コージェライトセラミックスからなる、請求項３から５のいずれかに記載のミラー。
前記固定部材は、前記ミラーの厚み方向における前記第１部分の厚みよりも薄い板状部材である、請求項１から６のいずれかに記載のミラー。
前記第１部分の裏面と前記固定部材とが締結部材で前記ミラーの厚み方向に締結固定されている、請求項１から７のいずれかに記載のミラー。
前記側面を形成する前記リブ部は、前記ミラーの外形を形成する第２部分、および前記ミラーの内形を形成する第３部分の少なくともいずれかを有する、請求項１から８のいずれかに記載のミラー。
前記表面と前記第１部分の前記側面は、算術平均粗さＲａが０．２μｍよりも小さい、請求項１から９のいずれかに記載のミラー。
前記第１部分の前記側面の算術平均粗さＲａは、前記表面の算術平均粗さＲａよりも小さい、請求項１０に記載のミラー。
前記第２部分、前記第３部分の前記側面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上である、請求項９に記載のミラー。
請求項１から１２のいずれかに記載の前記ミラーを備えた望遠鏡。
撮像素子を、さらに備え、
前記ギャップの間隔は、前記望遠鏡に付随の前記撮像素子の解像度以下である、請求項１３に記載の望遠鏡。