第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大イメージスライサー型近赤外面分光ユニット
SWIMS-IFU
における要素技術開発
北川 祐太朗 (東京大学 天文学教育研究センター D2)【共同研究者】
SWIMS開発チーム(東京大学)，尾崎忍夫 (国立天文台)
TAO PROJECT
山形豊 (理化学研究所)，森田晋也 (東京電機大学)

The University of Tokyo Atacama Observatory第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

本研究のゴール すばる望遠鏡における近赤外面分光観測の実現→ そのための近赤外面分光ユニット (SWIMS-IFU) の開発

 将来的にはTAO6.5 mで大規模面分光サーベイ
 次世代観測装置のための要素技術の蓄積，提供(e.g. TMT，他波長IFU)第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

TAO プロジェクト
 東京大学アタカマ天文台 (通称：TAO)- 南米チリのチャナントール山頂 5,640m- 主鏡口径 6.5mの望遠鏡を建設 (2018年 完成予定)

5,640 m

現在，東大天文センターでは第1期観測装置として，近赤外分光カメラ SWIMS の開発を進めている．

ALMA site(5,000 m)[Phase 1] すばる望遠鏡 (米国ハワイ) ：2016 - 2018
[Phase 2] TAO 望遠鏡 (南米チリ)：2018-

東京大学アタカマ天文台(チリ・チャナントール山頂 5,640 m)

すばる望遠鏡第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

天体観測の基本
撮像

スリット分光XX

λY© 美星天文台© STScI /NASA

可視赤外では検出器上に展開できるのは基本的に， 2次元 情報

分光観測の重要性
・物理状態 (星が生まれる割合，ガスの電離状態 etc…)
・力学状態 (速度，速度分散，イン/アウトフロー)第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

従来の分光観測の課題点
 天体全体のスペクトル情報を取得するには

露出 1

露出 2

露出 3

問題点
(1) 観測時間が膨大になる → 大型望遠鏡においては致命的な問題(2) スリットロスが生じる → 観測効率が悪い(3) 大気の状態が変動する → データの信頼性の低下

視野全体の波長情報を一度に取得できる観測手法はないのか？？

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大面分光 (Integral Field Spectroscopy)
面分光 ＝ 空間方向 2次元 ＋ 波長方向 1次元
最終的に生成されるのは(X, Y, λ) の『データキューブ』

Y- 一度の露出で* 視野内の空間情報* 各領域のスペクトルを同時に取得することが可能X

λ- 8- 10m 級望遠鏡の登場に伴い，2000年代から急速に発展© Australian National University

面分光を実現する特殊な光学系が、面分光ユニット (Integral Field Unit)第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

面分光の原理 イメージスライサー方式の場合「2次元の視野」を「1次元のロングスリット」に変換する

YVives et al, (2006)

X

λソフトウェア上で再構成“Data Cube”

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

SWIMS-IFU のコンセプト
 既存の多天体分光装置＋面分光ユニット(多天体)分光撮像

近赤外多天体分光カメラ：SWIMS

X

λX
Y＋面分光
Y

Konishi et al, Proc. SPIE (2012)

一晩の観測中に切り替え可能Xλ第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

SWIMS-IFUの光学系
 イメージスライサー型近赤外IFU：SWIMS-IFU
望遠鏡からの入射光

Subaru 8.2m

Kitagawa et al, Proc. SPIE (2014)

SWIMS分光器への射出スリット

TAO 6.5m

波長 [μm]0.9 – 1.4 (blue) & 1.4 – 2.5(Red)

波長分解能Blue：~ 1000 ー 1500
Red ：~ 800 ー 1400

視野14” x 5.2”

17.2” x 12.8”

0.4”

0.5”

スライス幅

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大SWIMS-IFUの光学設計
 サイズ要求はかなり厳しかったが，設計は完了
面分光ユニットに要求されるサイズ制限
170mm (L) × 220mm (W) × 60mm (H)(S1) スライスミラーアレイ (S2) 瞳ミラーアレイ (S3) スリットミラーアレイ

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

SWIMS-IFUの機械設計
 現在，製作図面に落とし込むための最終検討中．

← IFUポケット↑ IFU本体

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

光学素子製作上の課題点
 複雑形状を有する光学素子 (ミラーアレイ) が必要(1) 使用波長，温度を考慮しつつ，(2) ミラーアレイをいかに精度良く製作できるか？
瞳ミラー要求仕様

今回はスライスミラーに着目し，それぞれ (非)球面その製作可能性を検証した．

- 使用波長λ = 0.9 - 2.5 μm- 使用温度
T = 80K- 要求加工精度
形状誤差< 0.1 μm P-V
表面粗さ < 5 nm rms

スリットミラースライスミラー

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

５軸制御の軸構成
 理化学研究所 先端光学素子開発チーム 所有の加工機を使用

Diamond tool+C+X+B

Workpiece

Ch +2+Z+Y

加工機の軸構成+B+X+Z

Ch +1+C

Ch 0

Ch –1

Ch –2

Nose radius isonly 20 μm !

<Front view><Side view>第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

工具位置合わせ 要求仕様を満たすには工具位置合わせ精度が重要－ 工具の理想位置からのズレはテストカットで補正してする calibrated.
－ イテレーションをかければ理想的には ± ~1 μm の精度まで追い込む事が可能
C = ０°

C=α
Diamond toolRotation
centerα(Y=Y1, Z=Z1)(Y=0,Z=0)

B＝０°

B＝０°

AY≡0,AZ≡0

AY=Y1,AZ=Z1

Rotation center ofTool axis

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

被加工物写真シェーパ加工 (5 反射面)

エンドミル加工 (25 反射面)
12.5 mm

2.5 mm

10 mm
10 mm
500 μm

母材：A5052

500 μm

母材：A5052+NiP

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

表面粗さ 測定結果
 白色光干渉顕微鏡 Newview7200(ZYGO) で表面粗さを測定 (倍率 x50)
シェーパ加工エンドミル加工AA‘

85.23

51.10nm

nm

BB‘-299.81-129.12Sa ~ 30 nm (Ra ~ 5 nm)

Sa ~ 3 nm (Ra ~ 2 nm)

A

BA‘

B‘

 表面粗さに関する違いは以下の２点の寄与によるものと考えられる．
－ 母材の違い (NiPメッキの有無)，軸構成の違い (工具アライメント精度)第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

形状誤差測定結果
Relative height [m]シェーパ加工400-400Figure error [m]ch+2ch+1ch 0ch-1ch-20.10
0.05
0-0.05-0.10
0246Length [mm]810ch+2ch+1ch 0ch-1ch-2・平行度 (上図)

仕様値からのズレ < 0.1%

246Length [mm]810・平面度 (下図)0.10~0.15 μm P-V第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

測定評価のまとめ 両加工手法の比較
シェーパ加工エンドミル加工

表面粗さ~ 30 nm~ 3 nm

形状誤差< 0.15 μm< 0.15 μm

加工時間

△○

形状自由度○☓ 切削加工を用いたスライスミラーの一体加工－ 今回得られた結果から十分製作可能であると判断－ 加工の自由度が高いシェーパ加工の手法を更に洗練させていきたい（ex. スライスミラーの各面を球面にしたりできるか？） シェーパ加工の改善点－ 表面粗さ → NiPメッキを用いることで仕様値を満たすことが可能

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ @東北大

本講演のまとめ 『面分光』と呼ばれる観測手法- 近年，天文観測において急速に発展- 鍵となる要素技術開発は「超精密切削加工による複雑形状ミラーの一体加工」
今後の天文観測装置開発において、重要な要素技術
ex. すばる望遠鏡, TMT (主鏡口径30mの次世代大型望遠鏡)

 超精密切削加工によるスライスミラーの製作可能性を検証- シェーパ，エンドミル加工による実験- 仕様値に近いサンプルを得ることができた．

【次のステップ】
・残りのミラーアレイの製作
・面分光ユニットの構造体製作