SPICA中間赤外観測装置にむけた技術開発
ISAS/JAXASPICA Mission Overview
Telescope: 3.2m (EPD 3.0m), 6 K

Superior Sensitivity
 Good spatial resolutionCore wavelength: 5-210 μm

MIR Instrument
 Far-Infrared Instrument (SAFARI)

Orbit: Sun-Earth L2 HaloMission Life

3 years (nominal)
 5 years (goal)Weight: 3.7 t
Launch: FY2018 (original plan)-> early 2020s (2022)
International mission

Japan, Europe, USA, Korea, (Taiwan)

Focal Plane Instruments Mid-IR Camera and Spectrometer (MCS) SPICA Coronagraph Instrument(SCI) SPICA Far-IR Instrument (SAFARI) European Consortium Focal Plane Camera (Guider, Science) FPC
 US proposed Instrument

Korea

USHerschell/dl (dv)MCS/HRS

10000(30 km s-1)
1000
(300 km s-1)

100
(3000 km s-1)

SPICA

JWST
MCS/MRS
BLISS
SCI

FPC-S

2 mm

SAFARIMCS/WFC/LRS

20 mm

Wavelength

Wavelength coverage vs Resolving Power200 mmλMid-Infrared Camera andSpectrometer5 -- 38mm(--50mm) Camera and Spectrometer Wide Field Camera
広視野High Resolution SpectrographR ~ 30,000

ll 4--8 mm and 12--18mm

高分解能Mid Resolution Spectrograph

5 arcminutes square FOV x 2, ll 5--25 and 20--38mm

IFU by image slicer
コア波長域/正確な測定
R~1500--700 ll (10--20)+(20--36)mm at once

Low Resolution SpectrographR ~ 50--100 ll 5-26mm and (20-38 or 25-48)mm

高感度

MRS-S

HRS-L

MRS-L

技術開発
 光学系

広視野反射光学系
 光学素子 自由曲面鏡
 光学素子 エマルジョン回折格子
 光学素子 バンドパスフィルター 冷却系 配線 機構 極低温モータ
 構造 軽量構造
 検出器 Si:Sb, Si:As, extended Si:As6

光学系開発 反射系での広視野光学系
色収差なし、可視光で検査
単一材料で熱収縮の影響なし、常温で検査
扱いやすい材料、広帯域で高い反射コート
設計の問題 – プロジェクト初期に高い障壁

容易とは言えない
見通しが立てにくい

製造の問題調整の問題7

軸外し反射系
反射系
原理的に波長依存性がなく、色収差なし
可視光での調整が可能
光学マウントとミラーを同一材料で作れば、熱収縮でも相似変形
軸外しであればケラレなし

設計手法が一般的でなく、対応業者が少ない
非常に明るい系では（たぶん）設計が難しい
これまで：個別の工夫
Changさんの理論：新たな可能性
荒木さんの理論: SPICAの設計

PICNIC 近赤カメラ Y.Kobayashi et.al.
軸外し反射系の草分け

Offner 系 ： United States Patent 3,748,015, July 24, 1973.
半径Rの凸面と半径2Rの凹面を同一曲率中心におく
多くの赤外カメラで採用

下の図はUSNO1.55m望遠鏡のカメラ

ASTROCAM SPIE 4841 564

COMICS光学系

設計
共通の軸を持った凸面と凹面の組合せでユニットを作る
一つのユニットで、平行光⇔収束光高次の非球面係数をいれて、強引に最適化解を求めている組み立て、テスト
室温で、レーザ・顕微鏡・CCDを用いて調整そのまま冷却して、まったく問題なし。

MIRSIS：中間赤外イメージスライサーの設計
理想光学系設計における理想レンズを凹面凸面の組で実現
平行光線を焦点への収束光線に変換する系
 入射瞳と出射瞳の関係も条件とする


ひとつの焦点を共有する二つの二次曲面 (Changのconfocal条件)
 二次曲面の入射側焦点を入射瞳、出射側を出射瞳位置におく
 軸外しの角度、点間距離の4パラメータを絨毯爆撃して最適解を探す
軸外し反射光学系設計の新しい指針：Seunghyuk Changの系-- 図はSeunghyuk Changさんより -共通の焦点を持つ二枚系にし、軸は共通にしない
Confocal System

OPLの展開
ミラー面での主光線位置を原点にする座標系でOPLを展開
二次曲面の焦点間ではOPLは一定 s0  s  const.
焦点から少し離れた点では、OPLは一定にならない⇒これを展開OPL     s  s  A1 x 2  A1 y 2  A2 x3  A2 xy 2  O(4)Astigmatism

ComaAstigmatism がゼロの面軸外し系ではsagittal面とtangental面で異なるため大きな非点収差二枚鏡系では非点の項を消せる！
mRm

sin 2 m s

Rs

sin 2 s

コマの項は放物面と同じに！
3x02
ATC  4f2

軸外し二枚系が放物系と同じ性能を持つ！
傾いていた非点ゼロ面を二枚系により打ち消しあった（多分、、）

Changさんの系
MIMIZUKU(東大天文センターのTAO用中間赤外装置)
回転対称で、超精密切削旋盤加工で作れる国立天文台の先端技術センター
精密切削加工後のワイヤ放電加工法で同時に数枚製作→ 検出器テスト用の光学系

荒木さんの非共軸系
詳しくは O plus E 2011/5
収差論の発展と今後の課題 : キャノン 荒木敬介
光学設計における新しい非球面定義式 :サイバネットシステム 秋山健志
これを受け継いで、藤代/池田(京都産業大学)で設計

Fore-optics (YZ)20

WFC-S optics21

自由曲面鏡 自由曲面鏡の製作手法で平面を試作

 切削圧力の測定

22

ミラー形状ミラーの形状面厚さ 0.3,0.5,0.8,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0mm
くり抜き形状は直径25mmの円と20x20mmの矩形の2種類

ミラー材料 A6061

23

形状測定
Zygo干渉計により、各くり抜き場所の鏡面形状を測定

11.5mm
52.0mm
92.5mm133.0mm

20.3mm

30.3mm

41.5mm

60.5mm

70.5mm

82.0mm100.8mm110.8mm122.5mm

141.0mm

151.0mm

163.0mm

鏡面から見た測定時の穴の配置

赤字：残り厚み
青字：測定順番24

結果1
面形状の測定結果 (0.3mm厚の場合は測定レンジ外)

-0.2

1.5mm

0.3mm

0.3mm

1.5mm

2.0mm

0.5mm

0.5mm

2.0mm

2.5mm

0.8mm

0.8mm

2.5mm

3.0mm

1.0mm

1.0mm

3.0mm

00.2

0.4

0.6

0.8

25

1.0 μm肉抜き形状:円形
4隅のデータから平均平面を作成し、引き算後の形状

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

00.01

0.02

0.03

0.04

0.05 μm26平面度
厚さ3.0mmのデータから平面度を見積もる
データの全体的な傾きは補正済み
面全体のpeak to peak でおおよそ0.15mm
横方向の断面での変位が卓越
縦方向の断面での変位は peak to peak 0.03mm程度
切削におけるワーク位置：機械の奥行き方向での変位が大きい

27

結果2:典型的なデータ（Prefの測定結果を例に示す）

表面構造その１「うろこ」

Y

表面構造その２「すじ」
X•
•
•
•

主要な微小構造は、「うろこ」と「すじ」
どちらも凹みRa, Rq (rms) の主要因はうろこ。
同じセッティングで（測定箇所も変えずに）測っても、Ra, Rq に±５％程度のばらつきがでる。

28

表面粗さの測定
P3.0

P2.5

P2.0

P1.529表面形状の測定箇所にたいする依存性••

Pref, P3.0～P1.5 では Rqは9～10nm 程度、測定再現性からこの間の値の違いは有意とは言えない。
P1.0 から pos0.3 にかけては劣化の傾向がみられる– Ra, Rq の増大– うろこの大さ、位置の乱れ•

典型的な表面微細構造は「うろこ」と「すじ」。どちらも凹み。両者のうち、Raの主要因はうろこ面番号

厚さ[mm]

Ra[nm]

Rq[nm]

Pref309.1711.35

P3.03.09.12

11.23

P2.52.59.04

11.13

P2.02.010.60

12.87

P1.5

1.59.50

12.50

P1.01.09.44

11.84

P0.80.814.60

18.16

P0.5

0.5

23.26

30.35

P0.3

0.3

77.42

90.69

30

変形の解析

円盤厚さ[mm]

変形量[mm]

力[N]

3.00-

2..50-

2.0

0.04

0.65

1.50.08

0.55

1.00.2

0.41

0.8

0.4

0.42

0.5

1.10.280.3

測定範囲外-31

第一回試作まとめ• 平面加工における面精度は方向性により差があり、機械奥行き方向にはpeak to peak で 0.15mm程度、機械の左右方向にはpeak to peakで0.03mm程度。
• 軽量化リブ構造を考えるには、切削時にかかる力が0.5[N]程度だと仮定して許容変形量以内に収まるように設計すればよい。
• 切削パラメータを変えるとこの変形力も変わると考えられるが、それについては将来の課題。

32

光学系の次なる課題• もっと大きな自由曲面鏡を– 現状 140mm角程度 → 200mm程度まで• アライメントをとるには– 望遠鏡収差の再現: CGHか？

• ネジとシム・あるいは別の何か

33

光学系：光学素子• エマルジョン回折格子 池田• フィルター– 新しいアプローチ 槇坪/上塚– 多層膜干渉フィルターもいろいろと• イメージスライサー34

冷却のために 配線の開発:配線熱流入が許容しがたいマンガニンフレキケーブル

出来たが、切れやすい極薄の銅フレキケーブル 塩谷
りん青銅 0.05mmΦx3本より線 いい感じ
 SPICAの熱要求に答えるにはさらに開発-要35

検出器開発 BIB検出器

Petroff and Stapelbroek (US Patent No.4 568 960) による。
構造

光を吸収するIR-active層
heavily doped

ブロック層high purity

電極
ブロック層側とサブストレート側
正面／背面入射に応じて透明電極

Rieke “Detection of light” (1994)

検出器の開発
 1K x 1K Si:SbDRSでの開発
TAA(技術援助合意)を結んで検出器技術者とやりとり
128x128 Si:Sb を購入、テスト
1Kx1K ROICは入手済み、未テスト
BIB構造の最適化設計と試作を実施中
ドープ量とドープ厚さ、製造工程を6通り検討しモデル計算
実際に6通りのウェハ作成、テスト

チップキャリア設計:来年度検出器製造:予算が通れば37

 Si:As 2K x 2K

Raytheon
JWST/MIRIのBIB結晶設計を利用
ROICは既存1Kx1K設計を4枚並べて2Kx2K
来年度はチップキャリアを設計
予算が通れば、製造に38

 Si:As 1K x 1K long wavelength option

ドープ量を増やすと不純物順位が広がる→ 長波長に感度が伸びる
暗電流も増える、ブロック層純度等に敏感動作温度を下げれるSPICAには可能性あり
DRSでの長波長化研究が進んでいる
SPICA用に50mmまで伸ばすものを
現状：地球観測用試作品の評価
39