 提案書

平成  年  月  日
国立天文台    検討グループ
鎌田有紀子、小宮山 裕、土井 由行、
中屋 秀彦、浜名 崇、宮崎 聡

      



目次
第  章 はじめに

第  章 光学系





#

 
の光学系概要 
 !
補正光学系 
 "フィルター 
$&%'()*' +!,
の光学系検討 
#!
補正光学系 
#"フィルターの製作可能性 

第  章 機械系

.



.

#

第9 章

2 



機械系概要 
 !
全体構造 
.
 "
.
フィルター交換機構  . . シャッター  32
45
マウント方法 .
 .  デュワー 
 #6
冷却システム 
.
$&%'()*' +!,
機械系の検討 
#!
.
全体構造 
#"フィルター交換機構 
.
#
. . シャッター 
#3245
マウント方法 
.
#.  冷却システム 
##6.
デュワー 
#
. 1 オートガ イダー、シャックハルトマンシステム 

:;:=<

45


とは 
45
天文観測に用いられるの特徴 
 CB
45
すばる主焦点カメラ Aに用いられた
45
完全空乏型の開発 
2  !
45.
現在の素子の問題点と完全空乏型の特徴 
2  "
.
開発の進捗状況 
2  
45
開発スケジュール 
. . 今後の天体観測用

2  !
2  "

2 #
2 
.



45






. .
/
.0
.0
.0
.01
.01
. 207
28
28
6 7
6

6
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1
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2
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6
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-


第 章





#



 .

:;:=< 用エレクト ロニクス
検出器読み出しエレクトロニクス  !

デジタル部 
 "
アナログ部 )GG+HJI
M N0OP
すばる標準読み出し回路 E#Fと FLK
#!
QG+G+;I
デジタル部 F#"
+MN8O*
アナログ部 FLK
#
 . 世界の検出器読みだし回路の現状 
$&%'()*' +!,エレクトロニクスの検討 
 !
 .
要求仕様 
 "
 .
読み出し回路の構成 

D/
-0
-0
-01
- - R7S
R70
R7
.
R7
.
R7
.

.

T

第 章 はじめに宇宙が何で構成されていて、それがどのように時間進化して現在に至ったのかを明らかにすることは、宇宙論の中心的なテーマである。近傍の銀河団内の銀河の運動学的な考察により、電磁波による観測では検出できない、いわゆる「ダークマター」が大量に存在することは比較的早い時期から認識されていた。ダークマターの正体はいまだ明らかになっていないが 、
5B
F モデルが注目を集めている。とある初期条件のもと、その中でも冷たいダークマター A
5
5
計算機の中で
F の力学的な時間発展を調べてみると、宇宙年齢程度たった後のF の分布の様子が 、我々の近傍の銀河や銀河団の分布（ 大規模構造）の様子とよい一致を示す、
55F モデルを支持する論拠である。最近では
F のパラダ イムは当然のことというのがとして受け入れ 、大規模構造の分布から宇宙の幾何学を決める宇宙論パラメータを求めるというような仕事が行われるようになり、研究が一段と精密化している。
5
F モデルは非常に成功を収めていると言われているが 、その検証にはまだひとつ大きな問題が残されている。それは理論と観測の比較の仕方にある。観測で得られるのは、銀河や銀河団と言った光の量の分布であり、一方理論が予言するのは質量の分布である。どのく
らいの質量のもとで、どのくらいの光が発生するかというのはいわゆる銀河形成の問題で、
電磁気、流体といった物理過程が複雑に関与し 、いまなお天体物理学の最前線の課題である。
つまり観測量である光を質量に変換するにはある仮定が必要だが 、その仮定にはまだ不定性
5が大きいのである。以上のような理由により、現在の宇宙論の大黒柱である
F モデルは、
実は充分検討されたとは言えない状況なのである。これを打破するには質量分布のより直接的な観測が必要である。
我々の目標は、宇宙論的なスケールで引き起こされる重力レンズ効果を用いて質量分布の直接観測を行い、宇宙の質量と光の関係を明らかにし 、銀河形成の理論の検証を行うことに5ある。さらにこの結果をもとに、F パラダ イムの検証を行う。重力レンズ効果とは、遠方にある銀河の像を視線中にある質量が歪めることである。この歪みを多数の背景銀河について計測することにより、前景天体の大局的な質量分布を推定することが可能である。原理は比較的単純なのであるが 、遠方で暗い銀河の形状を精度よく計測する必要があるため、観測に対する要求は極めて高い。我々のグループが開発したすば る望遠鏡用広視野カメラ
 S+
「」は、大口径、広視野、高解像度という特性を合わせ持ち、重力レンズ効果' +!,PU

の観測に最適である。我々はを用いて視野 平方度においてパイロット的にB行った観測で、約  個の有意な質量集中 A ダークマターハロー の検出に成功し 、方法論の有効性を示すことが出来た。しかしながらこの狭い天域の結果だけを見て、宇宙全体の議論を
V37 7 7
することはできない。我々は最低でも平方度程度の観測を行わないと普遍的な結論は得られないと考えている。このためには大幅なサーベイ能力の向上が必須である。
' +!,PU
は現在のところ 秒角以下の像質を持つカメラの中で 、世界最高のサーベ
イ能力を有しており、これがすばるの特徴のひとつになっている。しかしながら、カナダフ)W 0
' +!,PU
ランスハワイ望遠鏡用の F等、に匹敵するカメラが次々と開発され'Y UZ
[7
計画では、
の 倍以
つつある。また、米国のグループが提案している X

2

第 章 はじめに上のサーベイ能力を持つ望遠鏡とカメラの実現を目指して、技術開発を開始している。このように広視野撮像による観測は、かつてないほどに重視されつつあることが分る。我々は S+
で得たアド バンテージを今発展させなければ 、たちまち世界に追いつかれてしまうことになる。
7R77
さらに、
年代は口径 .の望遠鏡の時代になると予測されている。その中で口径 @のすばるが特色ある成果を出し続けるには、広視野を追求しサーベイ能力を売りにしていく以外にない。幸いなことに我々が提案している重力レンズサーベイの他にも、高いサーベイ
能力がなければ出来ない科学的に重要なテーマは他にもたくさんある。例えば広く広がった7SR7近傍の銀河群の深撮像観測や、太陽系外縁部の天体捜査等である。
年代の観測天文学をにらみ、日本の天文学界が競争力を保つために、今から基礎開発研究をはじめておくことは極めて重要である。
R6
B
我々はこうした動機に基づき、平成  、 年度に科学研究費 A 代表 宮崎 聡 をいただき S+
7$\%']Q* S+
の 倍のサーベイ能力を持つの検討を行ってきた。本書はそ$\%()^ 
$&%'()^ 

の報告書であると同時にの提案書になっている。
は直径 度の
#Z
視野をもち、第一レンズの大きさはおよそにもなる。その光学系の設計と製作可能性
について第 章で議論した。カメラ全体の構造部、シャッターやフィルター交換などの機構
45

部、
を冷却するためのデュワーなどの機械系については第 . 章にまとめた。直径 度と67_)
_Qa`b6_Qいう焦点面の物理的大きさは直径を以上になり、受光面の大きさが .
角とい
45
77
う大型の
を採用したとしても個近くの素子が必要になる。この規模の科学計測用
45のを支払える価格で入手しようとしたら、なんらかの生産性の改善が必須である。こ45のため、我々は浜松ホトニクスと共同で「 完全空乏型裏面照射」の開発に取り組んで245
おり、この現状と見通しについて第 章にまとめた。この大型モザイクカメラのの読
6 7 UZ6
み出し口は @ チャンネルに達し 、の @ 倍にもなる。これらを効率よく電気信号に変換、記録するためには次世代の読み出しエレクトロニクスを開発する必要がある。
これについては第  章にまとめた。
$&%'()^ 
ここで論じたものはの言わば「概念設計」である。我々の次のステップは

これの成果を元に 、各コンポーネントの詳細設計を行うことである。  年でこの詳細設計

Z7 7
$&%'()^ 
- 年にはを終え、  年の製作期を経て、のファーストライトを迎えることを目標としている。
VR6
45
年の科学研究費は光学設計、機械設計、評価システムの構築に支出
なお、平成 45させていただいた。
の開発は主に国立天文台の運営費交付金のサポートを受けて推進
している。



第 c 章 光学系
dfeRgwxybxyhjilklmon[pq&rtsvu=pの光学系概要補正光学系
O^_*{0%0U|{ QO^!)N

すば る望遠鏡の光学系は z
型で 、主鏡は双曲面である。主焦点は主鏡で一回反射されたところにできる焦点であり、レンズで構成された補正光学系を入れることで、
 S+
%'N N の補正光学系は、. レンズを基本とした }型と呼広視野を確保できる。
ばれるもので、これにキャノンの武士と国立天文台の成相らが新しいアイデアを付け加え設2計したものである。図に光路図を示した。第 . 、 レンズそれぞれは平凸、平凹レンズで、
62一対でほぼ平面板を構成する。第  、 レンズもほぼ同様に構成されており、第 . 、 レンズペ
54B
5
アーが光軸と垂直方向に動くことで、大気分散補正系 A~として機能する。~
は通常プリズムの組み合わせで実現されるが 、この新しいデザインでは補正光学系の一部としても7働いており、主に色収差を打ち消す役割を負っている。この工夫により、. 分角という広いYQG+{ 7 77{5
視野において高い像質を、コンパクトな光学系で実現することができた A
O^{S)G+!G O+{ W ^SZO^ N  )G+O%M|ZN _)QCGO+ S%
Z+HZHYZ)G{ t 2=S
- - -. ）。
、
結像性能は、点光源が焦点面でどれだけ小さく収束するかで決まるが 、通常この広がり具合70
B
は、エネルギーの @を内包する直径 AJ を採用して数値化する。組み上げ後の測定によ
207 7ZN 
 7S  7S 7Z+_)G)_[B
2 6S!)N 
ると、視野端で最大になり、波長で J 
、
で .
A @
A .
_)G+Q_RB R77 7N   7S +_QG+)_[B
、
で .
A .
であった。マウナケア山頂の可視光でのシーングは、$
7S2f_)G)_
7S _)G+Q_
K}
F で
.
くらいを記録することがたまにある。この状況下で JP
の7$
影響を見積もると以下のようになる。星像をガウシアンと仮定すると、J
3@ K}F と7 2  7
7 BP¢7 2

A 3@¡ 3.
 
 1 なので、約 1いう関係があるから、 像が劣化することに7#6+_QG+Q_$相当する。シーングのメデ ィアン値は K}程度であるが 、この場合は完全F でにシーングリミットになる。
$
N MN
~z\~ で作られ 、レンズの研磨、組み上げはなお、硝材は £が担当した。

wxybxw

フィルター

'

+!,PU
M { N GM NU|M G+!N G
では標準広帯域フィルターとして、¤システムの ¥§¦P¨¦*©ª¦^«[ªS5M { NSG+M N|M GN G
フィルターとシステムの ¬'­!¦^®¯­H¦^°±­H¦*²³­ フィルターの 系列を採用した。¤
システムは、写真乾板による観測の時代からの歴史を有するシステムで、過去のデータを引き続き利用できるため、世界の様々な観測所でも標準フィルターとして利用されている。一5'´M0Nµ5!W !O^´¶'8%· Q% 5 B
方、
システムは
A
で新規に構築された新しいシステ
S5
は北天 ¸ ステラジアンを写真乾板の限界等級より遥かに深い . 等まで高
ムである。
5
精度で撮像する、現在進行中の計画である。
が完了すれば北天に関しては十分な較正
データがどの領域にもできることになるため、将来的には広く使われる標準システムになる

6



第 章

光学系

move

ADC
520 mm図E

 S+

の補正光学系と予想されている。
' +!,PU
7Z,¹`&R7
の焦点面は もの大きさになるので、焦点面をカバーするためには、比較的大型なフィルターが必要となる。フィルターは焦点面から離れた場所に設置
7 a`\ 7=
 B
するのでビームの広がりを考慮して、全体の大きさは とした A 図 . 。
1
通常、フィルターは色ガラスと干渉膜を組み合わせることによって透過波長帯を設定する。
Z+ G+GM_QHZO+)G の二社に依頼した。
我々もこの手法を踏襲し 、実際の製作は朝日分光 º と »~初期には使用したガラスの問題で、一部に異常な透過像を持つものがあったが 、最終的には全てのフィルターで、高い透過率と良好な一様性が実現できた。それぞれのフィルターの透# 
過曲線を図にまとめた。また、この他にもではその他にも特殊用途用の狹帯域フィルターをいくつか製作している A 詳細はすば る望遠鏡のホームページ ¼ を参照のB
こと 。
このフィルターの製作を通じて、我々はいくつか学んだことがあった。まず第一に、フィルS +!,PU
ターの厚さの最適化の重要性である。
サイズの大きさになると干渉膜を一様に烝着することが難しくなってくる。また干渉膜面が入射光に対して傾きがあると透過波長帯が変ってしまうのだが 、干渉膜を貼り付けることによってガラスが引っ張られ干渉膜面が反ってしまうことがある。この反りを押えるためにフィルターは厚いガラスで作る必要があ,
る。朝日分光の推奨値は であったため、我々はこれをそのまま了承したが、結果とし
Z8Wてフィルター一枚がもの重量になってしまった。このため、フィルター交換機構に求められる性能は大変厳しいものとなってしまい、信頼性の高いシステムの構築に非常に多くのB
,
時間と予算ががかかってしまった A 第 . 章参照 。 
という値は余裕を持った数字であった可能性もあり、最適な値を実験等に基づき、我々の方でもう少し検討するべきであった。
また、フィルター面での反射が無視できないことも学んだ。色ガラスはガラス内部の透過½¿¾)À±ÀÁ'ÂÄÃQÃ^Å?Å?ÅÆ ÇÈÉÇP¾¯Ê3ËHÈÁÌÍÀÉÎÉÇ³Æ ÍUÏ³Æ ÐÁÃÑ ¾)À±ÀÁ'ÂÄÃQÃ^Å?Å?ÅÆ Ò³ÇPÎÉÎÉÇQÈÈÏRÍÊ"Ç*ÀÉÌÈÆ ÍUÏÓ&ÃÔ¾)À±ÀÁ'ÂÄÃQÃ^Å?Å?ÅÆ Õ³ÇPÏÐÆ ÏQÎÖRÃ ×'+!,PU

1の光学系概要波長以外の光を吸収することによって波長域を制限するが 、一方干渉フィルターは透過波
長以外の光を反射することによって帯域制限をする。このため補正光学系を通ってきた光は干渉膜で反射して補正光学系に跳ね返り、迷光やゴーストを生じさせることがある。実際に S+
でもゴ ーストが顕著に現れることがあり、観測に支障が出る場合があった。完$\%']Q* S+
用のフィルターを作る際には全にゴーストや迷光をなくすことは難しいが 、反射を低減させるなんらかの工夫を考える必要性を感じている。

#S +!,PU

図用に製作した ¤Eフィルターの透過率曲線

M { N GM N|M G+!N G

システムフィルターと

5

システム



@

第 章

図



.E



UZ

のフィルターの外寸図

光学系

#Ø$\%']Q* S+
dfePdwxwxyÝ!?Ý±Ý±

-の光学系検討ÙÛÚÜkaqm\hjilklmon[pqの光学系検討

補正光学系
光学系の要求仕様$\%()^

光学系とその製作可能性の検討は 、の開発過程で最重要課題のひとつであ45る。焦点面の大きさ、の必要個数、それを冷却する真空デュワーの大きさ、シャッター、
フィルターなどの構成要素の大きさは、すべて光学系の設計に依存するからである。したがって、実現可能な光学設計を早期に決定することが 、開発プロジェクトを迅速に進めるうえで重要である。
製作可能な光学系の設計を第一に進めることが大変重要である。
$\%']Q* S+
 S+
はの天体探査能力の大幅な向上を目指したカメラである。こYのためにできるだけ広い視野角を実現したいわけであるが 、Xなどの他のライバル計画' +!,PU
7の視野は . 分角と競争力を保つために、我々はまず直径 度を目標値とした。
2
R6 UZ
であるから、角度は 倍になり、焦点面の面積は 倍となる。最も単純には、
2
の補正光学系を 倍の大きさにすることによって直径 度の視野を持つ焦点面を実現するこ
³
とができる。しかしながら、この場合第一レンズは直径もの大きさになってしまう。第# 32
章に述べるが 、レンズの大きさは一度に溶融できる硝材の体積で決まっており、強度
R7_Q
B
#;
的に十分な厚さ A
以上 を確保すると、直径程度が限界であることが分かった。
このため、単にスケールアップした光学系は製作できない。
 S+
そこで、我々は次に示すように光学系の要求仕様をに比べて緩めることにした。

S +!,PU

207 7

R7 77jNS

7S_)G+Q_.
最適化波長域の補正光学系は波長で J§Þ
が実現
7 7=NS
7"=Z+_)G)_している。また 付近で最適化されていて、視野全体で JÞという高い結像性能を有している。波長が短い方が一般に光学設計が難しく、また、遠方の[f´!)N GN W
à
探査は、©ª や バンド で高解像度であることを要求する。
超新星探査や ß$&%'()*' +!,
67 7
R7 7áN 
そこで、では
において、高い結像性能を求めることにした。シーングは波長が長い方が一般によいため、長波長側での最適化は合理的である。
7

+_QG+Q_

結像性能 ; は最適化波長域で .
まで許すことにした。マウナケア山頂の可視光
7S2;_)G+Q_
B
台を記録することは極めてまれであり AÉ
以下 、またシーング
シーングが7S _)G+Q_
7S +_QG+Q_.
が 以上であれば 、J
としても、補正光学系による像質の劣化
R7,
2077 67 7JN 
7
は最悪でも
以下になるからである。また短波長側のでは J_)G)_まで許すことにした。

UZ

合成焦点距離 â+ãtäåã を長くすると光学設計は楽になる。そこでよりも長い ã2
7 6èçÄé
を許し 、  ÞvãæÞ
とした。合成焦点距離は焦点面スケールを決めること
45になるため、のピクセルサイズとあまりに違うようだとアンダーサンプリングになってしまうことになってしまう。これから ã の下限値が決まる。また、焦点面スケー
ルが大きいと 、焦点面の物理的大きさが大きくなり、機械がすべて大きくなってしまうので、上記のように上限を定めた。
けられ âêtë±ì(ítî0ï[ï¯ë±í¿ìä の許容 一視野以上のサーベイを行う場合は、測光のゼロ点を相対的に決めるために、隣り合う天域ど うしがすこし重なるように観測を行う。したがって、重

R7



第 章

光学系

なりのあるは視野端では合計の積分時間が長めになる。このため多少けられがあって光量が減少しても、影響が少ない。

45

像面湾曲の許容 像面湾曲を許せば 設計の自由度が増える。焦点面にを並べる際に 、45
パッケージをあらかじめ傾けて製作しておくなど 、機械側で工夫をすることに
45
よって克服可能であると判断した。ただし 、表面は平面でなければならないので、一個の素子内では、平面とみなせなければならない。このため像面湾曲の曲率半径は207J以上とした。

UZ5

大気分散補正機構 â+ðf<L:ä の省略の主焦点補正光学系には ~が搭載され$&%']Q*S +!,
では結像性能の仕様を緩めたため、通常の広帯ている。しかしながら、
域フィルターの範囲では必要性はほとんどない。
表

に以上で議論した光学系設計上の要求仕様と許容仕様をまとめた。
視野直径

5



最適波長域
合成焦点距離大気分散補正装置
光学系によるけられ像面湾曲
表Ý!?Ý±Ý!

'!

ÜçÄ QWé
7çñ_)G+Q_QéÞ 3.
6 7 7³^ R7 7jçÄN ;é
27S36Üçñ;é

ÞòãlÞ
なしを許容
ありを許容
207
曲率半径

以上

E 光学系要求仕様のまとめ

光学設計

第一案 光学設計は、現補正光学系の設計を行った元キャノンエンジニアで岡本光学加工所
顧問の武士氏に依頼した。レンズ素材としては、熱膨張率が小さく製造工程での取り扱いが
#=までと制限した。第一案として提案さ容易な溶融石英を基本とし 、第一レンズは直径
2れた補正光学系を図に示した。この光学系は  枚のレンズ群で構成されており、合成焦
37
§B
 CB
点距離 A 1 1@、像面湾曲 AÉ .
など 要求仕様を満たすものである。焦点面の大きさ
6SR
45
§B
7S Z+_)G)_は直径になり、の ピクセル A が@になり、サンプリングとし0
Bてはほぼ最適値である。レンズの材料は . 枚が溶融石英、 枚が » X¿1 A±»ó1 相当 である。
#
光学パラメーターを表にまとめた。
 

7 7"
7S
7
7
37
- に示した。図  は視野角 、  、  、 1 、 - 、 度の場所に結像性能を図 
67 7JN 
7 7áN R7 7áNS
ついて、波長、、の光の結像の様子を表したスポットダ イアグラム
R7 7;
#,_)G+Q_である。図中の四角の一辺はであり、に相当する。この図から、視野中心から視野端に向かうにしたがって結像性能が悪くなって行くことが見て取れる。一方、こ
36

N _)!+_)´!)§oNS)+WZ%§5W +れを定量的に表したのが、図から図 - のである。これらの7 7S#
7S
7S
7S
#7
度の場所毎にどのような結像性能を持つか、つ図では、視野角 、  、  、 1 、 - 、
oNS_)_)´!)ôoNS)+WZ%
6 77N 
R7 7NS
まりどのような分布を持つかを示している。図よりから
57S Z+_)G)_
36
B

で  が .
以下であることが分かる A 詳しくは図を参照 。また 図 - から、最#Ø$\%']Q* S+

の光学系検討207 7N 

5

7S32

+_QG+)_.
適化していない波長帯でも  が以下であることが分かる。光学系にR7のようになっていて、視野中心から徐々にけられが始まり、視野端でよるけられは 図70
光量は約 @に減少する。

図32

E 補正光学系第一案レ イアウト

¯



第 章



R77N 

B

7 7NS

B

光学系

6 7 7NS

図 E 補正光学系第一案スポットダ イアグラム。波長A 青 、A緑 、
B
R77 "+_QG+)_A 赤 のスポットが重描きされている。ボックスのサイズは
であり、
に相当
する。

#Ø$\%']Q* S+

.

の光学系検討'#6

E 波長 õ[öRöR÷8ø における ù¿÷8ú*ûýüú*þýÿù¿÷0ÿ*ü 分布。それぞれの線は視野中心から ö0ÿ  青 、ö 0ÿ 緑 、ö 0ÿ 赤 、ö 0ÿ 黄 、ö 0ÿ 紫 、 ñö8ÿ 水色 での値を表している。この図をみると ñö0ÿ 水色 で ù¿÷'ú*ûýüUú*þýÿ Cù¿÷8ÿ*ü  が [ö  を越える半径が一番大きく約 "!/ø であるが 、#
% $ "&!/ø $ ö '[üUú (ÿPú であり、要求仕様を満たしていることが分かる
図

図



1'E 波長 -7 7NSにおけるoNS_)_)´!)ÜN )W%

分布。図

#6

と同様。

[2



第 章

図

'

@SE 波長R7 7NS

におけるN _)!+_)´!)ÜN )W%

分布。図

36

光学系

と同様。

 
2077N 
N _Q+_Q´Q·oNS)+WZ%
#6-E 波長における分布。図と同様。ただし 、合焦ために
_* M'_) G
を動かす必要がある»K

図#Ø$\%']Q* S+

![7の光学系検討図E 視野内の光量分布。視野端に行くほど 光学系によるけられがあり光量が減っている
ことが見て取れる

R6



第 章

)+*-,-./02143/-5-/6)+*-7-7/2,-8 9)+:;-<
5-=2>?
S+TU4)25-/-V23/2,-3
YZ)25-/-V23/2,-3)25Sc)25-/-V23/2,-3gc)25-/-V23/2,-3_4)25-/-V23/2,-3^c)25-/-V23/2,-3
kn12o1-V-/)2p2qfc)25-/-V23/2,-3]n12o1-V-/)2p2q
jn12o1-V-/)2p2q
YJXc)25-/-V23/2,-3
Y-YZ)25-/-V23/2,-3
YJdc)25-/-V23/2,-3
YJg4SR3-3/)2p2q1YO_4)25-/-V23/2,-3YJ^c)25-/-V23/2,-3
YJkc)25-/-V23/2,-3
YJfc)25-/-V23/2,-3YJ]c)25-/-V23/2,-3
WD7/%)25-/-V23/2,-3,@2ACBD:FE
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
g-X-X-X-X
WDK<CBDKBOP-=
YJd2_g`bj-]-]d-k-k-g`bdFYJj[+_XFYJ^`b^-]2_
YJX-dFYh`b^-X-jj-f-]-j`bd-k-k[+_-_f-j`bg-d-k
d-g2_j`bX-]2_[2]-j2_a`bX2_-_][2gFYJX-X`bf-d-jYJ]-]-X`bX2_
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=^FYJg-d-^`eYJk

52GB+HJI-K?E-E
WDK<CBDKBOP-=[\Y-YJX-X-X[2d-]-X`eYJ^-^-f
YJd-^-g-X
YJ]-g`i_]-j-^
YJd-k`bXFYO_]_j-d`bf-k-f-f_X
YJg2_k`i_^-d_^_a`bj-^-d-]2_-_
YJ^-k`i_g-g-k_a`bj-jFYJX-d_Xd-k-^`bX-k-j2_
g-X
d-X^-X-X-X-X[2^-X-X-X-X

LM2@E-E
7WD,-,\SR,
7WD,-,\SR,.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/)[+T)2mf.\l2)FWOmCWJ02/)[+T)2mf.\l2)FWOmCWJ02/

3BJ@ONC?2P?2;

X]-^-]2_a`bXFY-Y]-d-X-X]-d-X-X
YJg-f-k`b^FYJg
Y-YJ]-j`bj-^-k
Y-YJfFYh`eYJf-g
j-d2_a`b]2_k-g]-fFYh`bk-g2_]f-^-]`bg-k-d2_
f-f2_a`bf-f-j-^
f-]-j`bj-j-^-f
f-j-d`bg-f-k-f
f-^FYh`bf-d
f-d-k`bj-kFYJd
k-d-j`bg-]-j-k
k-d-X`bf2_]-g
kFYJd`bg-X2_f
d2_f-d-j`bj2_
kFY-Yh`bj-d-g-g

0QRKB+H
X
X)+*-,-./02143/-5-/%31-5-/CWOma9)+:;-<@H+?
k
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9w[2g`b^-]-]-]-f-X2_?[2XFY-Y
0Q2?2<-<6QRK;skt9w[\Yh`eYJg-f-X-]-]-^-?[2XFYJf
0Q2?2<-<6QRK;s]t9w[\Yh`i_-_^-f-]-d-k-?[2X-d2_
0Q2?2<-<6QRK;YJXv9d`eYJd-j-j-d-fFYJ?[2X-g-X)+:;-<@H+?
]
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9w[2f`bd-X-d2_^-d-f-?[2XFY-Y
0Q2?2<-<6QRK;skt9w[2f`bk-f-X-d2_]-]-?[2XFYJf
0Q2?2<-<6QRK;s]t9w[2d`b^-f-g-j-^-]FYJ?[2X-d-g
0Q2?2<-<6QRK;YJXv9w[\Yh`bk-^-f-d-k-k-]-?[2X-d-])+:;-<@H+?
j
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9[2d`bX-g-k2_k-g-?[2X-X-j
0Q2?2<-<6QRK;skt9w[2^`i_f2_j-fFYJg-?[2XFYJ^
0Q2?2<-<6QRK;s]t9g`i_g-XFYJg-d-]-?[2X-d-X
0Q2?2<-<6QRK;YJXv9w[2^`b]-gFYJ^2_]-^-?[2X-d-k)+:;-<@H+?xYJg
9ySR3-3/)2p2q1
0Q2?2<-<6QRK;Y
9X
0Q2?2<-<6QRK;4d9X
0Q2?2<-<6QRK;4g
9X
0Q2?2<-<6QRK;c_9Yh`b]-dFYJg-j-d2_?[2X-X-j
0Q2?2<-<6QRK;4^
9
X
0Q2?2<-<6QRK;4k9]`i_^-k-f-d-kFYJ?[2XFYJ^
0Q2?2<-<6QRK;4f
9w[2d`bf-X-^-^-^-j-k-?[2XFYJf
0Q2?2<-<6QRK;4]
9Yh`bf-f-k-X-]-f-^-?[2X-d-X

表

'"

X

[\Yh`bX-X-]-g-^

E 補正光学系第一案のレンズパラメーター

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

光学系

#Ø$\%']Q* S+

1の光学系検討2



第二案 第一案は光学系の要求仕様を満たすものの、非球面を 面使用し 、そのうち 面は0

球面からの離れが非常に大きなものになってしまった。また、色収差修正用 » X¿1 が 枚
0
入っていたが 、これは溶融石英に比べて熱膨張率が大きく取り扱いが難しい。この » X¿1に非球面が入っており、研磨工程の難しさが懸案課題であった。この問題を回避するために'! RB
R7。ここでは、レンズをさらに一枚追加することと、考案されたのが第二案である A 図

程度焦点距離が多少長くなることを許容した。第二案の設計では非球面を . 面に減らすこ
2とができ、また球面からのずれ量も第一案に比べ 分の 程度に減らすことができた。また、8
» X¿1 は、研磨が容易な球面からなるもの 枚にとどめるようにすることができた A 第三レB
ンズ 。光学系のパラメーターについては 表 . にまとめた。
!R¯UR6
!R

に示した。図は 図  と同様なスポットダ イアグラムであ結像性能を図る。第一案が視野中心から視野端に行くにしたがって結像性能が悪くなっていったのに比べると、第二案は視野の場所によらずどこでも大体同じような結像性能を持つことが分かる。
N _)!+_Q´)jN Q+W%§5HZW ^R66 7 7=NS
. から図は図のようになっている。図よりからR77CN 
5
7S Z+_)G)_R6で  が .
以下を満たし 、また 図から、最適化していない波長帯
207 7N 
5
7 _)G+Q_
1
でも  は約 .0
と良好であることが分かる。光学系によるけられは 図のようになっていて、第一案とほぼ同様に視野中心から徐々にけられが始まり、視野端で光
7;
量は約 @
に減少することが分かる。このように光学性能を見ると、第二案は第一案に比2
べて色々な面で改善が見られる。表に第一案、第二案の機械的性能の比較をまとめた。

図

'!

E 補正光学系第二案レ イアウト



@

第 章

'!¯

R7 7NSB

7 7N B

光学系

6 7 7NS

図E 補正光学系第二案スポットダ イアグラム波長
A 青 、A緑 、
B
R77 !+_QG+)_A 赤 のスポットが重描きされている。ボックスのサイズは
であり、
に相当
する。

図

'!

.E 波長6 7 7NS

におけるN _)!+_)´!)ÜN )W%

分布。図

36

と同様。

#Ø$\%']Q* S+

図

'![2図

'!

-の光学系検討E 波長 -

'E 波長7 7NS

におけるN _)!+_)´!)ÜN )W%

分布。図

36

と同様。

R7 7ZN におけるN _)!+_Q´)ôN )W%

分布。図

36

と同様。

7



第 章

R6

207 7N E 波長
図は動かしていない

!

における

N _)!+_Q´);N Q+W%

分布。図

36

と同様。合焦ために »

Z_*

光学系

K

M_Q G図1E 視野内の光量分布。視野端に行くほど 光学系によるけられがあり光量が減っている
ことが見て取れる#Ø$\%']Q* S+



の光学系検討)+*-,-./02143/-5-/6)+*-7-7/2,-8 9)+:;-<
5-=2>?
S+TU4)25-/-V23/2,-3
YZ)25-/-V23/2,-3)25Sc)25-/-V23/2,-3gc)25-/-V23/2,-3_4)25-/-V23/2,-3^c)25-/-V23/2,-3
kn12o1-V-/)2p2q
fn12o1-V-/)2p2q]c)25-/-V23/2,-3jc)25-/-V23/2,-3
YJXc)25-/-V23/2,-3
Y-YZ)25-/-V23/2,-3
YJdn12o1-V-/)2p2q
YJgc)25-/-V23/2,-3
YO_4)25-/-V23/2,-3YJ^c)25-/-V23/2,-3
YJkc)25-/-V23/2,-3
YJfc)25-/-V23/2,-3YJ]c)25-/-V23/2,-3
YJjc)25-/-V23/2,-3d-Xc)25-/-V23/2,-3
WD7/%)25-/-V23/2,-3,@2ACBD:FE
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
g-X-X-X-X
WDK<CBDKBOP-=
YJd-g-j`bd-^
d-k-d-g`bj2_][2g-d-]-d`b]-g-^
YJdFYJd`bd2_k[2g-d-g-^`bj-]-k
k-g-^-X`bk-d2_[2^FYJkFYh`i_k-^g-^2_k`bf-d-j]-fFYh`bX-g-j
g-f2_^-X`i_f
YJX-g-f`bX-k-kg-]-j-g`bjFYJj
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=_X-X-X-X

52GB+HJI-K?E-E
WDK<CBDKBOP-=[\Y-YJX-X-X[2d-]-X`eYJ^-^-f
YJd-^-g-X
dFYJf`bj2_X-]
YJd-g`bd-g-^2_^-^-]`b^-g-d-k_^
g-j-k`bg-g2_k_^
g-X-g`bj-j-g-^_Xg-]-^`bX-jFY
YJk-d`bd-gFYJ^d-]FYh`bX-^FY-Y
jFYh`bf-X2_j-^
YJj2_a`bgFYJX-k
g-X
d-X^-X-X-X-X[2^-X-X-X-X

LM2@E-E
7WD,-,\SR,
7WD,-,\SR,.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/)[+T)2mf.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/

3BJ@ONC?2P?2;

X]-^-]2_a`bXFY-Y]-d-X-X]-d-X-X
YJg-f-k`b^FYJg
Y-YJf-j`bj-j2_
Y-YJkFYh`bd-k2_]-f-f`bj-X-^2_]-d-]`i_]-^-f
f-fFYh`b]-^-jFYf-k-]`i_XFYJ^
f-k-f`bd-]-d-k
f-fFYh`bX2_X-f
jFYJ^`b^-g-]-]j-X-]`bk-]-X-]]-X-]`b^-^2_g
f-j2_a`bj2_g-]k-j2_a`bf2_]-kk-]-g`bd2_j-g
k-fFYh`b]-d2_dd-]FYJd2_a`bf
k-fFYh`bX-^-^-^0QRKB+H
X
X)+*-,-./02143/-5-/%31-5-/CWOma9)+:;-<@H+?
k
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9[2g`i_CYJ^FYJ]-k-?[2XFY-Y
0Q2?2<-<6QRK;skt9w[2^`eYJk-f-f2_j-^-?[2XFYJj
0Q2?2<-<6QRK;s]t9^`bf-j-f-X-gFYJg-?[2X-d2_
0Q2?2<-<6QRK;YJXv9w[2d`bd-d-k-X-j-f-g-?[2X-g-X)+:;-<@H+?
f
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9d`bX-d-X-^-g-g-f-?[2XFYJX
0Q2?2<-<6QRK;skt9w[\Yh`bX-f-g-]-]-k2_?[2XFYJk
0Q2?2<-<6QRK;s]t9Yh`eYJd-^-f-]2_-_?[2X-d-d0Q2?2<-<6QRK;YJXv9w[\Yh`bX-]-f-XFYJ]-k-?[2X-d-])+:;-<@H+?xYJd
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9_a`bk-dFYJdFYJ^FYJ?[2XFYJX
0Q2?2<-<6QRK;skt9d`b]FY-YJX-j-k-?[2XFYJk
0Q2?2<-<6QRK;s]t9g`eYJX-f-X-g-k2_?[2X-d-d0Q2?2<-<6QRK;YJXv9
Yh`bg-g-XFYJ]-k-j-?[2X-d-]

表

'

X

[\Yh`bX-X-]-g-^.SE 補正光学系第二案のレンズパラメーター

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

 



第 章

第一案

37



1 1@
 #7

@
  {zZ+_)G)_
@ @
[S}|
B
7S! +_QG+)_A ~
@6S¯á,
焦点面直径
  
焦点面曲率半径
 . 
#

 @0
主鏡焦点面間距離 
光学系長さ 
.
6 778W
合成焦点距離K 比
焦点面スケール

レンズ重量 -
h





第二案

36 2J@  "@
7S36; {zZ+_)G)_
7S![6 6;+_QG+)_
6 á,
1
207J
28á 6 7;8W
@

第一レンズ先端から最終レンズ末端までつかみ代などを含めない重量

表

2

E 第一案、第二案の光学系機械的仕様の相違

光学系

#Ø$\%']Q* S+



の光学系検討54B.

大気分散補正系について 第一案、第二案では仕様ど おり、大気分散補正系 A~は考慮していない。ところが 、この補正光学系を大型ファイバー分光器と共有できないかという検討がはじまりつつある。分光の場合一度に広い波長域を扱うことから、大気分散の影響を受けやすくなる。分光器開発グループの見積もりでは、彼らの分解能の仕様を満たすためには
5
5
~
は必要であるとのことである。そこで、我々のデザインに ~を追加するとしたらどのような解がありうるかを調べてみた。
5
!
2
直視プ リズム型 ~を入れた場合、レンズ配置図は 図@ のようになる。第 レンズ
5
の機能を持たせることができる。こと第  レンズの間にプリズムを挟むことによって ~れに伴いレンズの最適形状や配置位置が変ってくるのでこれを行い、結像性能についても確5
認を行った。この結果 ~を追加したとしても結像性能が大きく損なわれないことは確認された。
5 78W
2
しかしながら、~の重量は約 と現在の 割弱増加してしまうため、機械設計に与0
0Y4
X という光学ガラスも用いる必える影響は大きい。またプリズムには » X¿1 の他に
5
要があるが 、大形のものが入手できるかについては未検討である。~
入りの光学系のパ にまとめておく。
ラメーターについては 表

図



@SE~

5

付補正光学系第二案レ イアウト

Z2



第 章

)+*-,-./02143/-5-/6)+*-7-7/2,-8 9)+:;-<
5-=2>?
S+TU4)25-/-V23/2,-3
YZ)25-/-V23/2,-3)25Sc)25-/-V23/2,-3gc)25-/-V23/2,-3_4)25-/-V23/2,-3^c)25-/-V23/2,-3
kn12o1-V-/)2p2q
fn12o1-V-/)2p2q]c)25-/-V23/2,-3jc)25-/-V23/2,-3
YJXc)25-/-V23/2,-3
Y-YZ)25-/-V23/2,-3
YJdn12o1-V-/)2p2q
YJgc)25-/-V23/2,-3
YO_4)25-/-V23/2,-3YJ^c)25-/-V23/2,-3
YJkc)25-/-V23/2,-3
YJfc)25-/-V23/2,-3YJ]c)25-/-V23/2,-3
YJjc)25-/-V23/2,-3d-Xc)25-/-V23/2,-3
dFYZ)25-/-V23/2,-3d-dc)25-/-V23/2,-3d-gc)25-/-V23/2,-3
WD7/%)25-/-V23/2,-3,@2ACBD:FE
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
g-X-X-X-X
WDK<CBDKBOP-=
YJd-d-f`b^-d-j
d-^-X-]`bg-^[2^-X2_X`i_CYO_YJX-X-]`i_-_]
YJX-d-^-g`eYJd
Y-YJ^-j`bf-d-f[2f-]2_f`b^-]-j[2^FYJg2_d`bf-d
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=]-X-d`eYJj2_k^-f-X-j`bd2_
YJX-g-k`eYJ]-f^-k-^2_a`bg-j-^
WDK<CBDKBOP-=
WDK<CBDKBOP-=_X-X-X-X

52GB+HJI-K?E-E
WDK<CBDKBOP-=[\Y-YJX-X-X[2d-]-X`eYJ^-^-f
YJd-^-g-X
dFYJk`bgFYO_^YJdFYh`bf-^-^-g^-^-k`b]-g-]-k_^k-]-k`bg-]-j2__^YJ^-k`bj-j-j-]_X
k-d`b]2_]-d-d
^-X
^-X
^-X
^-X
^-X
YO_j`b]2_CYJg
d-d-g`bfFY-YJf
j-f`bg-]-g-j-^
YJj-f`bg-f-d
g-X
d-X

LM2@E-E
7WD,-,\SR,
7WD,-,\SR,.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/)[+T)2mf.\l2)FWOmCWJ02/)[+5CWOmCY)[+T)2mf)[+T)2mf)[+5CWOmCY.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/.\l2)FWOmCWJ02/

3BJ@ONC?2P?2;

X]-^-]2_a`bXFY-Y]-d-X-X]-d-X-X
YJg-f-k`b^FYJg
YJd-X-X
YJd-X-X
j-X-X
j-X-X
f-f-X
f-f-X
f-]-X
f-]-X
]2_X
]2_X
]2_X
]2_X
]2_X
j-X-X
j-X-X
]-d-X
]-d-X
k-]-f`bj-f-k-d
k-f-k`bk-f-f-k
k-k2_a`bf-g-]-d0QRKB+H
X
X
X[\Yh`bX-X-]-g-^
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X

)+*-,-./02143/-5-/%31-5-/CWOma9)+:;-<@H+?
k
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9w[2g`bd2_kFYJg-X-k-?[2XFY-Y
0Q2?2<-<6QRK;skt9[+_a`eYJX-]-j-X-]-?[2XFYJ]
0Q2?2<-<6QRK;s]t9g`bd-g-^-]-d-^-d-?[2X-d2_
0Q2?2<-<6QRK;YJXv9w[2^`bk-^-g-g-g-]-]-?[2X-gFY)+:;-<@H+?
f
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9f`b^2_CYJ]-k-g-k-?[2XFY-Y
0Q2?2<-<6QRK;skt9w[\Yh`i_CYJk-j-^-gFYJ?[2XFYJf
0Q2?2<-<6QRK;s]t9d`bX-jFY-YJg-X-^-?[2X-d-g
0Q2?2<-<6QRK;YJXv9w[+_a`bd-j-k-f-k2_]-?[2X-d-j)+:;-<@H+?xYJd
9r12o1-V-/)2p2q
0Q2?2<-<6QRK;sdt9X
0Q2?2<-<6QRK;u_v9d`b]-X-d-j-k2_^-?[2XFYJX
0Q2?2<-<6QRK;skt9d`b]-]-d-d-d-]-]-?[2XFYJk
0Q2?2<-<6QRK;s]t9_a`b]-j-j-fFYJj2_?[2X-d-d0Q2?2<-<6QRK;YJXv9
Yh`eYJj2_f-]-^2_?[2X-d-]

表



E~

5

付補正光学系第二案のレンズパラメーター

光学系#Ø$\%']Q* S+
Ý!?Ý±Ý!



の光学系検討

レンズの組み付け許容度

レンズ鏡筒の設計、レンズ組み立て方法の検討などを行うためには、レンズの組み上げ時に要求される精度を調べておく必要がある。ここでは 、レンズを光軸と直角をなす平面内
 Q_)QN8O+)^BO^´OPB、レンズを傾けたとき A、レンズを光軸方向にずらしたときでずらしたとき ABG)Z^ZO+M N/Bの . つについて、星像のサイズ A ここではスポットサイズの zF
半径 が
悪A化するずれ量を求めた。また参考のために、レンズ群を一つのブロックとして扱い、星像サ
イズの悪化を許すときにどれくらいのずれ量が許容できるかも同時に求めた。これは主焦点ユニット全体を動かすときに要求される動作精度を同時に表すことになる。また、フィ7S 
の光におルターについては傾きの許容量のみを求めた。なお、一連の計算は波長 1 
いて行っており、レンズ群全体、最終レンズから焦点面までの距離は微調整できるとして計36算を行った。第一案の光学系についての結果を表にまとめた。

[GO
ZN 
+
.
2O^{
O^{

6ZO^{

 Q_))N0O+)JçÄé
7S372-01
7S37 7 R
7S37 7@
7S37S 2
7S R6
7S#
@O+´!Oçñ QWé7S37 7 76 7
1
7S37 7 7 6. 1
7S37 7S[6 77S37 72 6
7S37 7 6R7
7S37SR6-

G+) ^ZO+M N¹çÄ,;é
7S#7  6
7S!
.
7S#7 67S#7Z2 2
@
7S 7
.@
7S"
. .

W +M S

7S370

7S37 7 7

7S#77 . .

 ´!O+)

@0



#6

7S#721 .


表E レンズ、フィルターの取りつけ位置精度の許容量。星像サイズとしてす場合を計算した。

Ý!?Ý±Ý 9

¯

の悪化を許

ガラス材の入手可能性

硝材である溶融石英の入手性について、信越石英 と打ち合わせを行った。透過光学系で
7 78W
使用される石英には、内部透過率の高い均質性が要求される。信越石英ではのガラス§ R7
ßについては均質性を保証できるということであり、これができるのは国内では信越石英以外にないだろうということであった。
7 7j8W
ひとつの溶融炉で扱える硝子の最大量がであり、これがレンズの最大寸法を決めている。ただ、信越石英は つの石英材をくっつけて一つにする技術も有しており、例えば
7 7 Z7 7 207 7'Wの塊を製作することも可能であるとのことであった。しかしながら、この場合は接合面に脈理ができることになるため、一枚のレンズとして実用になるかは、さらなる検討が必要とのことであった。
¾)À±ÀÁ'ÂÄÃQÃ^Å?Å?ÅÆ ÈR)Á8Æ ÍÏZÆ ÐÁ

6



第 章

光学系

さらに材料をカーボンの型にいれて熱をかけて成形をする技術をもっている。これを使えば最終レンズ形状に近い外形をもつ硝材を作ることができ、切削の手間を大幅に減らすこと が可能になる。熱成形をするための炉の大きさが現在、直径 .
であり、カーボンの型の厚みや熱成形したときにガラス外周部にできる均質性の良くない領域の大きさを考慮すると、
#=
直径のレンズを製作するには、より大きな成型用の炉を導入したほうがよいとの結論であった。

࿑㪈䇭㪪㪬㪧㪩㪘㪪㪠㪣㪄㪧䉲䊥䊷䉵䈱శㅘㆊ₸㪈㪇㪇㪈㫄㫄㪫㫉㪸㫅㫊㫄㫀㫋㫋㪸㫅㪺㪼㩷䋦

㪏㪇

㪈㪇㫄㫄

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㪊㪇㫄㫄
㪋㪇

㪉㪇

㪈㪌㪇

㪉㪌㪇

㪉㪇㪇
㫅㫄㩷

図

Ý!?Ý±Ý!

㪊㪇㪇

㪈

㪉

㪮㪸㫍㪼㫃㪼㫅㪾㫋㪿㱗

!

㪊

㪋

㪌

Ǵ㨙

-SE 溶融石英の透過率曲線

大型非球面レンズの研磨

BB

レンズの製作工程は 、大まかな形にレンズを削り出し A 研削 、細かい部分を磨き A 研磨 、
表面形状の検査をし 、修正を加えて研磨を続けるというプロセスを経る。磨きすぎてしまった場合はそのガラスが使えないことになるため、最終段階では削る量がごくわずかで、研磨$&%'()^ 
と検査を繰り返し行うことになる。
の光学系はこれまでにないほど 大型な透過光学系であり、双曲面ではない一般の非球面を含んでいる。実現には高度な製作技術が要求されると予測されるため、研削  研磨技術の調査を行った。
4B
最近では計算機制御 A
の超精密研削技術によって、研削のみで光学用途に用いる面を仕B上げることが可能になりつつある。例えば 、A 株 ナガセインテグレックス では超精密研削盤
7S 
7,
を製作しており、これを使用すると非球面も形状誤差 
以下で製作可能である A 1
5á
B#70Bの ó
鋼 。ナガセインテグレックス社の大型超精密研削盤 A 図
は、国立天文台で YB進めている次世代超大型望遠鏡計画 A¤ X 計画 E 代表 家正則教授 でも多数の分割鏡を製作する際に利用できないかと言うことで予備調査を進めている。次世代超大型望遠鏡計画では=
R7 7 7程度の鏡が枚程度も必要である。このため鏡の生産性をできるだけあげるこ直径とが重要で、この研削技術が応用できないかとして検討を行っている。ナガセの超精密研削
R77=,
盤を持つ山形県工業技術センターとの共同研究では直径のゼロ膨張セラミックの研¾)À±ÀÁ'ÂÄÃQÃ^Å?Å?ÅÆ Õ³ÇPÖ)ÇÈÌËHÊ!Æ ÐÁÃ#Ø$\%']Q* S+



の光学系検討

 

1

NS

削を行い、形状誤差  、表面粗さ 1という結果を得ている。形状誤差は大きいが 、
まだ研削方法の最適化が出来ていないためで、砥石の磨耗などを考量した研削方法が実現さ7S 
以下での研削が可能だと考えられ 、現在も引き続き実験が行われてれれば形状誤差 $\%']Q* S+
いる。
の非球面のンズの製作にも、この 
超精密研削技術を有望な方法で Yあると考えられるので、¤ X 計画と共同で引き続き技術調査を行っていきたい。
一方、大型の液晶やプラズマディスプレーの需要の高まりにより、これを製造するための 
半導体露光装置も大型化している。このため、光学メーカーでは直径 程度のレンズもNSM Nの技術者との
日常的に製作されているようである。現補正光学系を製作してくれた
打ち合わせを検討している。

図#7

E ナガセインテグレックス社の大型超精密研削盤[

昨今は、諸外国の望遠鏡も程度のレンズを持つカメラの製作を計画検討しており、外[
国メーカーでもクラスの非球面レンズの研磨を請け負う会社がいくつかみられるように
7 726o
"Z
なってきた。我々は年 月の会議で調査を行い、以下の会社より
非球面レンズの製作は可能または興味があると言う回答を得ている。

!OO^\G  +W{V/ BV{0O+O+ zzS^G{ [´_)M{zA 米E~
E ß4ß4ß
5N S% V(|Y&BPV/{8OO^ z z
3Q+M G_)Z3WMM' +!_*{_)M z MM' _*{A 米E
E ß4ß4ß SczS!N0O Q+ ô)^[%SBV/{0O+O+ zz3G+W Qô_)M zz £~  F A 仏Ez
E ß4ß4ß[%´!)!W {SO^!_[´t|M+Z´!O^!,M+V 5BPV{8OO^ z z^[%'´QW {SM SO^!_[´3_QM zz£
A 米 Eo»FE ß4ß4ß»+G+{S[

X







@


第 章

Sb
£

A仏

BV {0OO^
E

z z

ß4ß4ß

光学系

G+QG+M _)M z

今後は最新の光学パラメーターに基づいてレンズ製作がの可能性の技術調査を海外メー
カーにも拡げていく予定である。

Ý!?Ý±Ý


反射防止膜コーティングの検討

2,

- に石英の透過率を示した。可視光域で約 図であり、厚みが変っても透過率がほとんど 変化しないことから、この透過率の低下は石英内部での吸収ではなく、入射・出射面での反射によることが分かる。従って然るべき反射防止膜コーティングを施さないと透過率7S 2
67 
は - レンズ枚数  に落ちてしまうことになる。例えば 枚レンズがあると、透過率は 1
以下になってしまう。
#
もの大きさのレンズに、一反射防止膜コーティングは通常烝着法などで行われるが 、MM' _*{様に反射防止膜をコーティングできるかど うかの技術調査はまだ完了していない。
社のエンジニアと話したときには、レンズを反射防止作用を持つ物質を溶かした溶液に浸ける手法が有望と言っていたが 、この方法では一様性や膜が剥がれたりしないかなど 不安が残る。上記の国内外のメーカーで蒸着による製作が可能かど うかを中心に、調査を行う予定である。
Ý!?Ý±Ý レンズの自重変形についての検討$\%']Q* S+

のレンズは従来にないほど 大きいので 、自重変形の大きさを調べておく必要がある。レンズは鏡と異なり、変形を機械的に補正することができないからである。ここでは有限要素法を用いて、レンズの自重変形を推定した。光学設計に基づきレンズモデルを
作り、レンズ外周面が不動という拘束条件で解析を行った。石英の機械的物性は 表 . - にある値を用い、各レンズが自重による変形がどのくらいの変形になるかを調べてみた。各々のレンズについて方向別に変形を調べてみたが 、最も変位量が大きかったのは、第一レンズが#
レンズが真下を向いて置かれた時であった。図はこの時の変形の様子である。図から
!


も分かるように、変形はレンズ中央部で最も大きく、 .
であった。
程度の変形
では光学性能が特に悪くなるということはなく、自重変形は無視できるほどであると言うことができる。

Ý!?Ý±Ý!>

鏡筒の設計とレンズ組み上げ方法

複数のレンズを保持し光学系を構成する鏡筒は、光学性能を損なわない程度の変形量に抑えられる強度を確保しながら、できるだけ軽量になるように設計しなければならない。主焦点には厳しい重量制限があるからである。鏡筒の重量と変形量の関係を推定するために、出発点となる適当な鏡筒のモデルを作り、変形量がどのくらいになるかを K F で調べた。こ
こでは第一案のレンズのモデルのみを調べたが 、総重量は両案であまり違いはないこと、第一案は第二案に比べてレンズの配置が不均等なので変形量は大きいと考えられること、など
から第一近似として変形量のオーダーを探るには十分であると考えている。鏡筒のモデルは
"
のようなものを考えた。材質は現補正光学系の鏡筒と同じチタンとした。図はモデ
図
ルを半分に切った図であり、紫色の部分がチタン製の鏡筒、灰色の部分がレンズ A 断面は茶B色 である。鏡筒全体はほぼ重心に作った円盤部のみで支えることとし 、変形解析では円板

#Ø$\%']Q* S+

#



の光学系検討

B

!

-

§B

図
E 左：第一レンズの自重変形の様子。色は変形なし A 青 から最大変形 A 赤 E Z.
Bを表す。外周部は拘束したために変形なし A 青 であり、中央部で最大に変形する。右：このときの主応力の分布。

7§,

部を固定とし 、様々な方向に重力をかけていく。各レンズはつかみ代 .
で支えられて7J
おり、円板から重量の大きい第一レンズ側は厚さの円錐環、円板から第 .0 レンズ
[7;
の円錐環となっている。
側は厚さ
#
#Z2 "
変形解析の結果は図. 、、  となっており、それぞれ重力方向と光軸のなす角が
7 2
7
#
B
. では重力は図上で上方向 A 光軸方向第一レンズ側 にかかって、  、- 度にあたる。図いる。図中左図が各部の変位量を表してあり、右図が主応力の分布を表している。
まず左図から、第 、. 、 各レンズの中心部の変位量が大きいことが分かる。これは重力変形を表していて、レンズを縁で支えているために図のように中心部の変形が大きくなる。変36; )
形量は鏡筒の変形と込みになって .
位になっているが 、鏡筒の変形を除けば 
程度であり、先ほどレンズ単独で求めた自重変形の値と同じである。右図より応力集中がある#Z2
個所もわかるので、応力集中を避けるよう設計にフィード バックさせる必要がある。図、'"
 と見ていくと、特に第 .0 レンズ側で段々と変形量が増えていく。これは主応力図
図を見ると分かるように、鏡筒の円板の付け根部分に応力がかかり、この部分で重力方向にたわむことによって変形していることが分かる。従って、円板の付け根部分の第 .0 レンズ側
は肉厚を増やす、リブを入れるなど 適切な処置を取ることで変形量は減らしていけると考えZ7zR7=
ている。ここで見たように、厚さのチタン製の円錐で鏡筒を構成すれば 、変形は十分小さくおさえられることが分かった。どこまで薄くする必要があるかは、他の部分の設計が固まり、全体の見通しがついてから再度検討する予定でいる。
次に、変形解析からレンズのつかみ代が適切であるかを求めようと試みた。レンズにかかBる応力とレンズ A 石英 の引っ張り強度、曲げ強度とを比較し 、どれくらいのつかみ代になったら割れそうになるのかを調べようとしたのだが 、十分小さなつかみ代にしても応力は引っ張り強度、曲げ強度まで大きな値にはならなかった。これは石英はチタンと比べてもひけを取らない硬い物質であるためである。このように、本解析では硝子が破壊されるほど 大きな応力がかからないという結論に達したが 、武士氏によると、実際にガラスが割れるときにはマイクロクラックがガラス表面にはいり、そこからクラックが成長して全体が割れることになるとのことである。これは応力解析だけから破壊の条件を調べることは困難ということを意味しており、今後は専門家に相談するなどして、安全率の検証をより精密に行いたいと考えている。
' +!,PU
の補正光学系の組み上げの際は以下のような方法を採った。まず、各レンズ

.

7



第 章

光学系

'" 図E 鏡筒のモデルの半断面図。紫色の部分がチタン製の鏡筒、灰色がレンズであり、レンズ断面は茶色で表した。

の形状を測定し 、形状誤差を鏡筒で打ち消せるような補正量を計算する。次に鏡筒を組み立て、鏡筒全体を加工台に乗せて、レンズの当る面を必要な量だけ削って形を整える。干渉計
でレンズの面が変らないように確認しながら、レンズを押え環で固定し A 鏡筒と押え環にはBネジが切ってある 、押え環が回転して緩まないようにするため、鏡筒に押え環を接着剤でとめる。この方法によって、レンズの形状誤差を鏡筒で打ち消し 、全体として誤差を小さく$&%'()^ 
することが可能である。
の場合も同様な手法が有効であると思われるが 、レ ンズの大型化により、形状測定法、全長 になる大きな鏡筒の加工方法、レンズの取り扱い方法等について再検討する必要があると考えている。また、鏡筒の詳細設計についても外部の専門家の意見を聞く必要がある。

#Ø$\%']Q* S+

.

の光学系検討"

図.SE 左：望遠鏡が天頂を向いた状態での鏡筒、レンズの変形量。図上で上側 A 光軸方向
が重力方向に相当する。右：このときの主応力の分布。

B

"³2

#B. と同様 。図上で上

"

#

B
. と同様 。図上で左E 重力方向を変えた場合の変形量、主応力分布を表す図 A 図
図左側が重力方向に相当する。

図E 重力方向を変えた場合の変形量、主応力分布を表す図 A 図B
側 A 光軸と直行する方向 が重力方向に相当する。

.





第 章

図

'"6EUZ

の補正光学系の断面図

光学系

#Ø$\%']Q* S+
wxwxw. .

の光学系検討

フィルターの製作可能性$\%']Q* S+

7 7,

のフィルターは光学設計第二案によれば 、差し渡し 1程度と大型にBなる。干渉フィルターは入射光に対してある波長より短い A または長い 波長の光を透過させないが 、この波長はフィルターの傾きに依って変ってしまう。例えば 、フィルターが入射¢¶_QM G
光に対して傾き  を持っていると ­ ¡ というように波長がシフトしてしまう。フィルターはフィルターの縁の部分で支えなくてはならないため、自重による変形によってフィルターがたわみ、入射光が傾きを持ってしまう可能性がある。従って、この傾きがどれくらいあるかを求めておくこと必要がある。ここでは簡単のために円形のフィルターを仮定し 、B
フィルターの縁 A 面ではなくエッジ で支えたときのフィルターがどれだけたわむかを計算す
G+Nる。円周で支えた等分布荷重を受ける円板のたわみ ¢ と円板の最大傾き角の正弦 は、支持されない部分の直径を  、厚みを £ 、等分布荷重 ¤ を使って、


¢

GN




¯B
. ¤,AJx¥
A
 6¦



¢
¢ B
¢ A

¯B


§

¼

£4¨

A

¯B¯

5A
7 CB O

,§B



# B

5z B  Oと表される。ここで © º はポアソン比である。これに、 1  A、  A、 ª ¸bA、
 Z7 7 8Wz³ B
6  CB GN
2
ガラスの密度 ª'A¼ を代入すると ¢± @ @A、 «3@ ¬c¥ となり、波長の変7S!N  
化量は以下になる。
のフィルターの通常の波長幅に比べて十分小さく、自重変形の影響は全くないと結論できる。

Ý!?Ý!Ý±
干渉膜の蒸着' +!,PU

のフィルターを製作した朝日分光では、蒸着釜の大きさの制限により蒸着で$&%'()*' +!,
7
きるフィルターの最大寸法は . 
角ということである。
のフィルターを一枚物で製作するためには、これ以上の大きさの釜をもつ会社を探す必要がある。レンズの反射防止膜の技術調査と合わせて行う予定でいる。ただし 、もし一枚で出来ない場合は、多少の視野を失うことを許せば 、分割して製作することも可能ではある。

.0

第 ­ 章 機械系
®jeRg
¯4xybxyhjilklmon[pq&rtsvu=p

機械系概要

全体構造

主焦点に取りつけられるいわゆる「主焦点カメラ」は、姿勢制御や天体追尾などを行う主 CB
焦点ユニットとその中に装着されるカメラ Aの二つに分けることができる。主
焦点ユニットは補正光学系を保持し 、いくつかの装置で共有できるように汎用に設計されて S+
いたが 、ユニットを利用しているのは現在のところだけである。
!
図 . に主焦点ユニットの様子を示した。焦点の位置を正確に制御するための位置決めジャッキ、望遠鏡が経緯台式であるために起る視野回転に追随するためのローテーターという二つの可動部によって望遠鏡の方位角・高度角が変化しても、天体を追尾するように制御されてBいる。その他にも、天体追尾精度を向上させるためのオートガ イダー装置 A~  、鏡面形状
$B、確実にユニットを望遠鏡内管に固定するたを検査するためのシャックハルトマン装置 A
45めのクランプ機構、 落下防止機構、やオートガ イダーからの信号線や位置決めジャッキなどの制御線など 多くの配線・配管をスムーズに回転させるケーブル巻き取りなどが搭載されている。
 UZ"
主焦点ユニットの中に収められているの構成を図 . に示した。主な構成要
R745
素としては、 枚のが収められ真空冷却されているデュワー、正確な露出時間を決めるシャッター、天体からの光を選択するフィルターを交換するフィルター交換機構があげられる。これらが主焦点ユニットのローテーターとデュワーを精度良く結合するフレームに固定されて一体の形となっている。これがこのまま主焦点ユニット内部に固定され、実際の観R7 ,
7 78W
6 7Z,
測に使われている。重量は約 .
、大きさは約 、高さ . 
という非常にコンパクトな作りになっている。以下では個々の構成要素について詳しく見ていく。
¯4xybxw

フィルター交換機構
UZ

7 ¹`& 7,

広い主焦点の視野をカバーするために、では という大きな1
8W
サイズのフィルターを使用している。このフィルターは枠も加えると 枚 .
にもなるが 、
主焦点のスペースの問題からフィルターホイール方式のような従来の方式を採ることが出来S +!,PU
#
なかった。そこで、では図 . に描かれているような「ジュークボックス方式」
R7のフィルター交換機構を採用した。この方式ではデュワー背面に枚のフィルターを収納可能なフィルタースタッカーを設置し 、エレベーターと呼ばれる上下動作機構を使ってフィルターをデュワー前に運ぶ。デュワー前にも同様なスタッカーがあり、それがフィルターを受け取って光路中に運ばれる。デュワー前ではフィルターをピンで固定し 、位置の精度を出して、フラットなどが再現性よく撮れるように工夫されている。スタッカー・エレベーター
間のフィルターの受け渡しはラックピニオン方式で行っており、エレベーターはステッピン

.

6

第. 章

機械系

Cable
wrapper

AttitudeControlJack
RotatorCurvicCoupling

Clamping
Unit
Corrector

図.

E 主焦点ユニット全体図

グモーターで駆動されるボールネジで上下移動する。
しかし主焦点の限られたスペースの都合から、ラックピニオンに強力なモーターを使用す7
ることができなかったため、スタッカー・エレベーター間のフィルターの受け渡しは  秒
ほどかかる。従って一連のフィルター交換では約  分程度の時間が必要となる。またあまり
2
望遠鏡が倒れた状態ではモーターへの負荷が大きいため、望遠鏡の高度角が  度以下でのフィルター交換は禁止している。従って、場合によってはさらに望遠鏡を動かすための時間が必要となる。
  フィルター交換機構の制御はキーエンス社製の Xを使用して行っている。この Xは 
M'_*O
ネットワーク接続され 、の制御ワークステーションから通信でコマン
ド を送ることによって、フィルター交換作業をしたり、ステータスを取得したりすることが
できる。

.

 ×'+!,PU

.01

機械系概要

図.
¯4xybx2¯

'

#
E

S +!,PU

全体図

シャッター
+!,PU

のシャッターは大型でかつ、光学系のバックフォーカスが短いため薄くなけ
ればならなかった。また集光力の大きなすばる望遠鏡で使用するためには、明るい標準星撮像用に高速でシャッターが切れることも要求された。そこで開発されたのが 、二枚扉方式のシャッターである。この方式のシャッターは開口部を覆えるような大きさを持つ扉を二枚持
ち、一方の扉が開口部からスライドして出て行くことによって露出が開始され、他方の扉が逆側から開口部へスライドして入ってきて来て露出が終了となる。扉はタイミングベルトを介してステッピングモーターで駆動されており、停止位置は磁気式近接センサーで決められている。扉にはデルリンという摩擦係数の低いエンジニアリングプラスティックを用い、グリースなどを使うことなくスムーズなスライド 実現している。この方式のシャッターでは焦#
点部のどこでも露出時間が一様に保つことができ、最短シャッター速度
秒、露出時間の7S#7 7S 
精度
秒、一様性 .
、という優れた性能を持っている。
¯4xybxJ°±²±´³

マウント 方法 ^ZO+M8B



すばる主焦点は口径比 AKが と比較的小さく、ピクセルサイズが 
の素子を採
7á
となる。補正光学系は焦点面がフラットになるように設計用した場合、焦点深度は µ.
されているので、実際の焦点深度もほぼこの値になる。像のボケを生じないようにするため
45
 UZ
には、この深度内にの受光面を保持する必要がある。
で実際に採用した
Y¿
Y%z
45
2 "
B 4545社と Fの場合 A 第章参照 、素子を載せた台 A
パッケージ
X¿X の

. @

第. 章

CCD

(a)

機械系

(b)

Buffer Block

Cold Plate

Alignment
Pin

Guide Bar

 B+ S+

45

図 . .SE\Aで採用した、り付けられた後のバッファーブロック

B

45

の装着方法を示す図。A

/B

アライメントピンが取と呼ぶ の底面との受光面の間の平行度に仕様が課せられておらず、個体によっては、
7 7,
45
素子端同士でのずれが .
に達するものもあった。そこでを焦点面に装着する際
45

に傾きの補正が必要になった。我々は、配置には焦点深度の半分の µ 
を設計誤差として配分することにした。
' +!,PU
Y%z
はF
XtX の素子を採用する予定でいたが 、ファーストライト時に十分なY¿
数の素子が確保できる見通しが立っていなかった。そこでバックアップであった
社の素
Y%z
XtX の素子を受領次第、順次交換していくこと
子も焦点面に混在させる必要があった。F45にした。このため、の装着方法を考える際に、素子交換の容易性も考慮しなければならなかった。傾きの補正には、測定しながら適当な高さのスペーサーを入れる方法が一般的で
45あるが 、交換作業が煩雑になりやすい。
を焦点面に装着する作業はできるだけ簡便に45 ·¶])c ´!M_*B
しておきたかった。そこで、我々はパッケージの下にバッファブロック Aと呼ぶスペーサーを貼りつけて、受光面とバッファブロックの底面の平行度をあらかじめ補
正しておく方法を選択した。
 0B
45
/B
図 . .A にの組み立て図を示し 、バッファーブロックを A に示した。バッファブ
ロックには位置決め用のチタンピンが接着されている。実際に位置決めに使われるのはその
うちの 本で、コールドプレートと填め合いになる円筒面は、ピンの接着後に 
マシンで207
精密に削り、芯出しを行った。なお、ピンと受ける側の穴の直径差はとし 、これは平面方向の位置決め精度になる。これ以上差を小さくすると填め合いがきつすぎて装着が困難
になる。
45
Y%z
バッファブロックの材質は、パッケージの材質にあわせて選び 、FX¿X 用には窒化Y¿
アルミで、用にはインバーで作った。窒化アルミのブロックは三井鉱山マテリアルに製'Y
作を依頼し 、表面は裏面は研磨してもらい平行度は の仕様でつくってもらった。
の方が傾きが大きかったため、形状を測定して、インバーブロックにはこの傾きをキャンセルするようにテーパーをつけることにした。国立天文台のワイヤー放電加工機を用いて外形を切り出した。
45
32
バッファブロックとパッケージの接着は専用の治具を製作して行った。図 . にこ.

 ×'+!,PU

. -

機械系概要

(a)

(b)

図.

2

E バッファブロック接着用の治具
45の治具の様子を示した。まずバッファブロックを治具に固定し 、パッケージを仮に載% QN _) bUZ2 70B
せてみる。そして、傾きをレーザー変位計 A±ó
X. で測定し 、傾きを補正する金245200B
属フォイルの厚みを決める。この金属フォイルを 隅に配置し A 図 .
、再びを載せて見て、傾きを再測定し 、必要なら金属フォイルの厚みを変更する。また、治具についた .
2 /B
組の押しネジとバネのペアーで水平面内の位置決めを行う A 図 .
。水平方向の位置の計測
は、顕微鏡でボンデ ィングパッド の並びを見て行った。
45
こうして、傾きが取れ 、水平面内の位置が決まったら 、再度を取り外し 、隙間を埋めるのに適当な分量の接着剤をバッファブロックに載せる。我々は .0F の低温環境でも接着 [6 ¢  ^[%
7
B
45
» ~
力が保証されている「」を採用した A 硬化前作業時間は - 分 。その後
45
45
を戻し硬化を待つ。
受光面を押すことは不可能なので、パッケージの横に切って45あるスリットを引っかけて、パッケージをバッファブロックに押しつけた。
45

接着後すべてので受光面と底面の平行度を測定したが、µ が設計通り達成されていることを確認した。なお、水平位置や高さ方向の基準面として治具の上面を利用した。
このため、同じ治具を使っている限り、同じ結果が得られるはずで、バッファブロックの外
45形寸法が出ていなかったりしても、これらのを配置際に水平方向の位置や同一平面性は保証されることになる。
' +!,PU
図.  にのコールドプレートを示した。窒化アルミ製でやはり三井鉱山マテ45
リアルに製作を依頼した。
の装着時には、アライメントピンの填め合い部の下側に切っ
 0B
45
てあるネジ山に、ガ イド バーを取り付ける A 図 . . 。次にパッケージを持ち、ガ イド
バーをコールドプレートに通したあと、コールドプレート下面から受け取り、隣の素子にぶつからないように、慎重にコールドプレートの上に載せる。その後ガ イドピンを外し 、ナッ45
トとワッシャーをアライメントピンのネジ山に取り付け、の取り付けが完了する。
¯4xybx-¸

45

デュワー
#6

を封入したデュワーの分解図を図 . に示した。また輻射による熱流入を最小限にす
45
るために、
が載せられていないコールドプレートの表面は金メッキされたラディエー

207

第. 章



図 . 'EUZ

のコールドプレートと

45

機械系

を載せている様子。

ションシールドで覆われている。コールドプレートは高剛性・低熱電導率のポリーカーボネー
R7
トの支柱をによりデュワーに固定されている。デュワー側面には真空コネクターが
個並
45
45
べられおり、各々のに配線されている。そして前面には反射防止膜コーティン
グされた石英の窓が取りつけられる。この石英の窓が真空を引いたときに一番弱い部分とな
るが 、割れることがないように 厚の石英を採用した。最後に背面からスターリング
サイクル冷凍機のついた裏ぶたが取りつけられる。通常真空容器は封じ切りで使われること 
が多いが 、
ではイオンポンプを用いて常にアクティブに真空引きをしている。
エレクトロニクスを多数狭いデュワー内に内蔵しているため、これからのアウトガスが無視* 7¹*
できないからである。また、最も温度が低いコールド ヘッド 部でも と窒素温度に比べて高温のため、よく用いられる吸着剤が機能しないという理由もある。イオンポンプによR7º+Y¿M り、冷却時には以下という高真空を保つことが出来ている。
¯4xybx2»'

冷却システム+!,PU

では冷却システムとしてダ イキン社製の ³} スターリングサイクル冷凍機を
7
^R7 7 ¹+
' +!,P
採用している。この冷凍機は @ ó で ¯} 、では約 1¯} の排熱能力を持つ。

45
^R7 7 ¹+

の場合をに冷却したときの熱流入は } 程度なので、排熱能力は十分で45ある。スターリングサイクル冷凍機は振動が大きく、この振動がに伝わることによって星像がボケたりしないかが心配されていた。そのため振動の大きさをレーザー変位計を用いて測定したが 、冷凍機がデュワーに取り付いている状態ではコールドプレート部での振動はá +G*B
A
程度であった。この値は焦点深度に比べて十分小さいので星像には影響しない。
また、この冷凍機は冷却端に動作部があり、この部分が磨耗して冷却性能が落ちてくるた.

 ×'+!,PU

図.

7 77

2

機械系概要

#6
E



UZ

デュワー分解図

め、
時間ごとにメンテナンスが必要である。そのため年に一回の交換作業を行っている。

'+!,PU

では予防も兼ねて

28

第. 章

®jePd

ÙÛÚÜkaqm\hjilklmon[p¯4xwxyq

機械系

機械系の検討

全体構造$\%']Q* S+

R6

は現行の 倍の視野を持つ大型な装置となるため、望遠鏡主焦点部は筒頂
外環から内側を新規に製作することを計画している。このため、既存装置 A 副鏡や主焦点ユB
ニット への互換性を保つ必要があるが 、現行と同等の筒頂内環を提供することで互換性を保証する予定である。
$\%']Q* S+
機械系設計を進める上で最大の課題は 、いかに軽量に望遠鏡主焦点部を作り替えるかと言うことである。従来通りの鋼材やアルミといった素材を使用していては主焦点の重量制限を到底クリア出来ないため、本計画ではできる限りの部材を炭素繊維複合材
bB
で製作して軽量化を実現しようとしている。また同時に機構部品・構造も仕様の煮A Kz
詰めや簡素化で極力軽量化に留意して設計を行った。


!
Kz
の物性は製法により幅があるが 、一般に表 .
の様である A 括弧内はチタン合金
6
 2I
6 7 6¯Bと アルミ合金。
~X

 WzZ_Q
Y4 2  V ´  B¼ A   ~  1  @7 7 ¯77
 Y4
7SV ´
R70B
1 
F
A - @ ~ .
7

  F
R6 7 Z207  Y4  V ´ 6 BFA . ~  7S#6 Y4 7S V ´ 7S B
A  . ~  ..
7S#Z  z¹^ Y4
#; SôV ´ Z2 SCB
A @
~ 
 

6
2I
6 76S
表 . E K¶zの物性。括弧内にチタン合金 ~Xと アルミ合金の物性も併記した。
比重
引張強度
圧縮強度
ヤング率
ポアソン比
線膨張係数



この様に非常に軽量でありながらもチタン合金に匹敵する強度があることが分かる。現在
では民間航空機の主翼部にも採用されるなど 、製作  加工技術も確立されてきたと言える素材である。特筆すべきは線膨張係数の低さで 、専門業者からは繊維の貼込み方向を工夫する
ことで指定された方向では殆どゼロに出来るとの回答を得ている。
$&%'()^ 
図. 1 に全体の構想を示す。機構は大きく分けて以下の３つのユニットで構成されている。



リングユニット E 既存互換提供用筒頂内環と新規の固定内環で構成される。

.



鏡筒ユニット E 補正光学系のレンズを収納する部分。
カメラユニット E カメラとしての機構殆どが装備される部分。

" 

# "

" 

B

以下の各章 A.
章、.
章、.
. 章 でそれぞれのユニットついて説明を行い、こ" 2
れらを構成する機構部品について .
章で検討状況を述べる。

.

#Ø$\%']Q* S+

2

機械系の検討.

Camera Unit

Ring Unit

Lens Holder Unit

図 . 1E$\%']Q* S+

全体構成図

Ý!?Ý±Ý±
リングユニット ・望遠鏡インターフェース$\%']Q* S+

は現行装置より遥かに大型だが 、既存の筒頂部に無理無く取り付ける必要があると同時に現存の各種トップユニット装置に互換性を提供しなければならない。この役
割をスムーズに果たすために導入するのがリングユニットである。
 B
リングユニットは固定内環と筒頂内環の二つの環によって構成される A 図 . @ 。固定内環
7 7,
は副鏡スパイダーによって望遠鏡本体に固定される外側の環であり、直径は @であ6る。図 . @ では固定内環はワイヤフレーム表示されている。固定内環から 本ジャッキでス
チュワートプラットホームを構成し 、筒頂内環を保持・駆動する。筒頂内環は既存内環と同寸法であり、両開口部にカービックカップリングを装備し 、既存装置との互換性を確保する。
内環全体が駆動されるために、既存装置単体に装備されているスチュワートプラットホーム
は原則不要になり、制御が一本化出来る。そのためには、駆動ストロークは全副鏡をカバーできる物でなけばならない。

副鏡スパイダーも含め外環・内環を K¶zで製作する事により、現在の筒頂内環・副鏡ス
 778W
"B
パイダーより約 @の軽量化が期待できる A 表 .
。なおスチュワートプラットホーム
7 7J8Wは上記計算に含まれていないが 、別途 程度の重量と予測している。
リングユニットの構造解析は固定外環がスパイダーによって支持される相対する 面を固
 B
6 7

定拘束 A 図 . - して、天頂と天頂からの離角が度の時の状態 点の応力と変位を有限要素法を用いて計算したものである。また、筒頂内環を駆動するジャッキ装置の能力査定を配慮したものにもなっている。変位については、スチュワートプラットホーム以降 A 筒頂内環・B
鏡筒ユニット・カメラユニット はジャッキ装置によって能動補正が行なわれるので、主に

2 2

第. 章

既存スパイダー重量
既存筒頂内環重量合計

Z207 7á8W
B
A 材料不明、鋼材として計算
 7 7á8W
2 70B

A 鍛造鋳鉄 K 2 7 7á8W-

新スパイダー重量
新筒頂内環重量
固定内環重量合計

7 7J8W
6 7 7J8W
7 7J8W@
R7 7á8W

#

表.

機械系

1

E スパイダー・内環部推定重量比較

固定内環とジャッキの変位に注目した。鏡筒ユニット、カメラユニット単体の機械解析は第# "
# .
章、第 .
. 章でそれぞれ行なう。
B7
![7 0B
A である。ス
望遠鏡が天頂 A±- 度 を向いた状態でのリングユニットの応力分布が図 .
 78WRzZ_QCB
パイダー取り付け基部上下、ジャッキの取付け基部に最大 Fほどの応力がA
7

確認できる。これは材料の強度   Fに対して十分に小さいものである。
!R7/B
67á,
を見る。ジャッキは等価的に直径の丸棒とし次にジャッキに掛かる応力 A 図 .
6
て評価し易くしている。ジャッキ 本には一律に約 ¼ Fの応力が掛っているので、必要
7 7;8W
な保持力に換算すると約 .0
になり、ジャッキの傾斜角を考慮に入れた上での駆動され7'W
るユニットの総重量と符合する。ジャッキ一本当り @の保持力である。最も応力が掛っ2S
!R7Z_RBているのはジャッキ基部の穴周辺で、最大値として .áFの値となった。変位 A 図 .
 はジャッキ以降が一律に約 
変形している。これはスチュワートプラットホームで補正出来るので問題は無い。固定内環には目立った変位は見られない。
6 7
 0B
A に示す。傾斜する事
次に望遠鏡が天頂より 度傾斜した時の全体の応力分布を図 .

でバランスが崩れ捻れ力が発生するため、スパイダー取り付け基部上部に部分的に約 áF B
ほどの応力が確認できる。更にジャッキに掛かる応力 A 図 .
を見る。図示 ½ 軸矢印側が地である。筒頂内環・鏡筒ユニット・カメラユニットの合成重心位置は固定外環の上面より
7á,

UB

おおよそ 
主鏡側であるから、地側の 本には引張 A 応力、それに繋がる横の 本に
B


は圧縮 A
応力、天側の 本にも圧縮応力が掛かる。それぞれ 本当りの値は表 . . の様で
ある。





表 . .SE



約 JF
 

約 1;F

 

約 F

地側
横側
天側

6 7

*[2 7á8W
保持力換算
707á8W
保持力換算
7J8W
保持力換算 @度傾斜時のジャッキに掛かる応力

!



もっとも応力の集中しているジャッキの穴周辺はとなっているので実設計段階
F
 [_RB
はジャッキ部の変位で固定内では十分に強固な軸受の設計が必要となろう。変位 A 図 .
B7
環軸 A 光軸 に対して ¾ 頭を下げる¾ 結果となった。焦点位置で約 ほど変位している。こ.

#Ø$\%']Q* S+

2

機械系の検討

図 . @SE リングユニット外観図
れもスチュワートプラットホームで補正出来るので問題は無い。ここでも固定内環に目立った変位は見られない。
リングユニットと望遠鏡のインターフェースについては、望遠鏡機能更新に関わる事項が多く、すばる望遠鏡を建設した三菱電機社と詳細な打ち合わせを行う必要がある。今後検討
すべき課題をまとめると以下のようになる。
既存副鏡・観測装置の取りつけ方法 既存装置は新規に提供される寸法互換の筒頂内環にそのまま取り付けられる。落下防止機構も同様である。現存している自動コネクタは使用$\%()^ 
できなくなるので代替品を考慮する。
は現行装置と同様にトップユニッ
ト交換装置によって交換されるが 、鏡筒ユニットは主鏡側から、カメラユニットは天
頂側から交換装置合計 往復の工程で主焦点部に取り付けられる。個々のユニットの重量は現行主焦点ユニットより軽量か同等であるので、トップユニット交換装置の大幅な改造は不要と思われる。
望遠鏡との位置決め 新規筒頂内環には超高精度なカービックカップリングが備えられており、それを利用するのが最も妥当だが 、レーザーガ イド スター装置の製作プロジェク
トでメーカーからの供給に問題がある事が指摘されており、現在三菱電機社を通して新規製作が可能か問い合せ中である。
クランプ機構 位置決め方式が決まらないとクランプ機構の設計はできないので保留中である。構想としては、筒頂内環外側から幾つかのアクチュエーターを使って締め上げる構造とする予定である。
落下防止機構 これも位置決め・クランプ方式に依存しているので現在保留にしてある項目
である。

206

第. 章



図 . -SE リングユニットの拘束状態

機械系

.

#Ø$\%']Q* S+

0B
A

A
!R7

0B

2

機械系の検討

A

1

/B

_[B

図.
E&A リング 天頂時の全体応力分布 A
天頂時の変位

/B

リング 天頂時のジャッキ応力分布 A

_RB

リング

2
@

第. 章

0B
A

A
図.



EA

0B

6 7

A

機械系

/B

_[B

リング
度傾斜時の全体応力分布 A_[B
6 7
A リング 度傾斜時の変位

/B

リング

6 7

度傾斜時のジャッキ応力分布.

#Ø$\%']Q* S+
Ý!?Ý±Ý!

2

機械系の検討-

鏡筒ユニット

鏡筒ユニットは主焦点補正光学系を構成するレンズ群を支持するユニットである。鏡筒ユR7 77C,
B
A 暫定最大 にある程度の余裕を持って挿入出来る
ニットは既存筒頂内環最小内径必要がある。
搭載される光学素子については「光学系」の章に詳しいが 、機械的なレンズの掴み及び固定方法の詳細については専門の知識と経験が必要である上、かつて無い大径のレンズを使用することもあり現在レンズ作製工程と並行して検討を進めている事項である。したがって機7á S+
械解析は一体のレンズ筒と暫定的に .
のレンズ掴み代とし 、の主焦点補¯ B
正光学系で採用して実績のあるチタン合金製の鏡筒を用いることとした A 図 .
。
6 77C'W
7 7f8W
7 7C8W
なおチタン合金製鏡筒の重量はレンズ群約、鏡筒約 で総重量約 と
7 7;8W
なっている。製作が可能であれば K¶z
化の効果は著しく、鏡筒部約 
以下で鏡筒総R7 7'W
重量が可能と考えている。また、チタン合金とガラスは線膨張係数が同等であり温
化を行う際には線膨張係数
度変化による材質間の歪みが無視できる利点があるため、 K¶zについても配慮が必要である。 K¶z
化についてはレンズの掴み及び固定方法が明確になった上で詳細検討を開始したいと考えている。

図.

!R

E レンズユニット断面図

解析は鏡筒にレンズ群を装着した状態で筒頂内環と結合されるフランジ面で固定拘束 A 図 .

 B
.



7

第. 章

2

機械系

して天頂と  度傾斜したときに行ないそれぞれの応力と変位を有限要素法を用いて計算した。
[2 0B
望遠鏡が天頂を向いた状態での鏡筒ユニットの応力分布が図 .
A である。この時、最7S#6 6

7S#

F
.
F
大主応力は
、最大フォンミーゼス応力はである。最大応力は第一レンズの装着基部に掛かっているが 、材料強度に対しては十分に小さいことがわかる。このと![2 /B36S 
きの変位分布は図 .
A のようになっており、最大変位は.
となっている。最大
#
変位部は第一レンズであるのでレンズ筒としてはおおよそである。変位はレンズ間の距離を縮める方向である。
2
7S 7
 0B
望遠鏡が  度での応力分布が図 .  A のようになる。このとき、最大主応力は 1Z@ @

7S

、最大フォンミーゼス応力は -01.01Fである。最大応力は倒れた筒の固定部地側基F部に掛っており、当該部形状を考慮する事で応力の集中を緩和できる見込みがある。一方、 /B#6 
変位分布は図 .  A のようになる。最大変位は . となっており、レンズ筒は光軸[2;
に対して地側に約撓むという値が出ている。
本解析により応力と変位の傾向が確認されたので、各種調査が終了次第光学側の要求を踏
まえ今後実設計にフィード バックをしていく予定である。

図.



.SE レンズユニット拘束状態

.

#Ø$\%']Q* S+

0B
A

図.

!)2

E&A

0B



E&A

0B

/B

A

レンズユニット 天頂の応力分布 A

A
図.



機械系の検討

/B

レンズユニット 天頂の変位分布

0B
2

A

レンズユニット  度の応力分布 A

/B

2

/B

レンズユニット  度の変位分布




第. 章

Ý!?Ý±Ý!

機械系

カメラユニットR60B

は筒頂内環に載せて主焦点に装着される部分である。ユニット
カメラユニット A 図 .
2には、インスツルメントローテーター、 枚の交換式フィルターとその自動交換機構、シャッター、真空冷却容器と冷凍機、オートガ イダー装置・シャックハルトマン装置、そして制御$&%']Q*S +!,
やデータ処理・通信に必要な電気・電子機器等一式が搭載され 、の中枢を成
7 7,
R7 7=
角、高さ約のピラミッド 状の形
す部分となっている。ユニットは一辺約 .
277C'W状でフィルター 枚を含むユニット総重量は 以内を目標にしている。フレームは全!
K¶z 製でその特性を活かした立体的・一体的造型となっている。図 . 1 から分かるように、下部メインレーム部、中間のデュワーサポート部、上部リトラクトシリンダーサポート
部はそれぞれ分解切離しが出来る構造でメンテナンス性を配慮している。

図.



Kz



![6

E カメラユニット全体図の特性は複合材のカーボン繊維や樹脂の種類、とりわけて積層方法で大きく変化するが 、逆に言えば使用場所に適した積層方法を選択する事でフレキシブルな特性が得られる材料である。またその造型についても ¾ 型を作り、そこに繊維と樹脂を積層して焼き上げる¾と言う従来の機械加工とは全く別の工程で仕上げられる。この部分のノウハウは製造各社の企業秘密にあたるため全く公開されていない。現状の機械解析はそれらの条件は考慮されておらず、一般的に流布されている機械特性を使用して行っているので注意が必要である。なお、今回技術検討をお願いした「日機装株式会社」では仕様に沿った構造検討が 、製作の可能性を含めて進められている。

.

#Ø$\%']Q* S+

機械系の検討

図.

!

.

1'E カメラユニットフレーム断面

カメラユニットは筒頂内環に載せて全重量を支えるために、筒頂内環を含めたモデルで解6
 B
析を行なった。固定拘束点は 本ジャッキの支持面とした A 図 . @ 。この状態でユニットを傾斜した時にどの程度の応力と変位が特に光軸中心に対して発生するかを解析した。解析は67

望遠鏡が天頂を向いた状態と天頂からの離角が度の 点で行った。解析モデルには重量物のフィルターが入っていないが 、これはフィルターが光軸に対する変位の解析結果にほとんど 影響を与えなかったので視認性確保のため割愛した。なおユニットに搭載される補機類
7C8W
や電気・電子部品は 、デュワーを無垢として @の荷重を焦点位置に掛けることで表した。これらの荷重は現実には分散して搭載されるので、本解析は最悪ケースと考えて差し支えない。
 0B
R7S

@ @F
天頂での応力分布が図 . -A である。このとき、最大主応力は、最大フォン 7
ミーゼス応力は 1 . CFであり、材料強度に対して十分小さくなっている。変位分布は
! /B7#6  
図 . -A のようになっており、最大変位は
となっている。最大に変位するのは
R6S 

デュワー取り付け板で 、デュワーの荷重でほど 単体で撓み沈下していることが分かる。
6 7
#7  B
37 72A である。最大主応力は @F
一方、 度での応力分布が図 .
、最大フォンミー
 6 7

B
#7 /B
ゼス応力は  であることがわかった。変位分布は ¿ 方向 A 光軸水平 が図 .
FAのようになっている。最大に変位しているのはシリンダーサポートだが 、焦点部は ¿ 方向に[2J
§B
B
ほど 変位しているが 、十分焦点深度 A+µ 
内に収まっている。À 方向 A 光軸垂直
#7 _RB
の変位分布は図 .
程変位におさまってい
A のようになっており、焦点部は À 方向に @ることが分かった。実用上問題はない。



2

第. 章

図.

A
図.



-SE&A



@SE カメラユニット拘束状態

0B
0B

A
カメラ 天頂の応力分布 A

/B

/B

カメラ 天頂の変位分布

機械系

.

#Ø$\%']Q* S+

A

A
#7

0B

図.
EA カメラの変位分布

 

機械系の検討

67

0B

/B

度の応力分布 A

A
B

カメラ

6 7

度 ¿ 軸の変位分布 A

_RB
_RB

カメラ

6 7

度À 軸

6


Ý!?Ý±Ý 9

第. 章

機械系

機構部品の検討

本章では主焦点ユニットの重要機構部品の選定・検討状況について詳細を記述する。なお
2にまとめた。
動作要求仕様については 表 .
ローテーター
駆動範囲
最大角速度
最大角加速度
駆動精度
主焦点ユニット姿勢制御
V
駆動範囲 À ½
駆動範囲 ¿
駆動範囲 "Á¦ÂV
最大速度 À ½
最大速度 ¿
最大速度 "Á¦ÂV
最大加速度 À ½
最大加速度 ¿
最大加速度 "Á¦ÂV
駆動精度 À ½
駆動精度 ¿
駆動精度 "Á¦ÂV
滑らかさ À ½
滑らかさ ¿
滑らかさ "Á¦Â表.

2

 7LçÄ )WZé
1
#7ôçÄ )Wz³Gé.
#7ôçÄ )W z³G  é.
Cçñ+_QG+Q_,GUéµ6ôçñ;é
2 7 ^R7Üçñ;éçZ+_)Néµ.
CçÄ,
 zZGUéCçÄ,
 zZGUéR7Lçñ_)G+Q_ zZGUé
7S#7 ÜçÄ{ zZG  é
7S#7 ÜçÄ{ zZG  éôçñ+_QG+Q_ zZG  é7LçÄv+Gé.
CçÄ ,GUé
7S çñ+_QG+)_,GUé
7S çÄ ,GUé
7S çÄ ,GUé32Lçñ+_QG+)_,GUéµ

E 主焦点ユニット動作要求仕様のまとめ

姿勢制御用位置決めジャッキ ジャッキに使用するアクチュエーターは「ハーモニックド ラ
イブシステムズ社」のものを第一に検討を進めている。同社では高推力・長ストロークなア$&%'()*' +!,
クチュエーターを取り扱っているが 、で使用するときには軸の伸縮方向に垂直な力がかかるため、この方向の力がかかる状態で動作要求精度を出すことが一番の課題であることが明らかになった。現在はハーモニックド ライブシステムズ社技術陣が 、最大外形
7 7=
7=
サイズ 直径、全長 @ の枠内で大容量なものを新規設計・製作した場合に要求仕様を満たす事が可能かど うか検討を進めている。

#¯B

ローテーター インスツルメントローテーター A 図 .
はカメラユニットの最下部に装備する。即ちローテーターの固定側は筒頂内環とのインターフェース部のみでありカメラユニッ
トの殆どの機構はローテーターの回転側に配置される。図のワイヤフレームで表示されているのはメインフレームでありそこから上部構造全てが回転する。回転する部分の慣性モーメ  
ントは約 . «で現行装置より小さくなっている。

.

#Ø$\%']Q* S+

 1

機械系の検討図.

#

E インスツルメントローテーター断面Y\$

回転用ベアリング 回転用ベアリングとして検討しているのは 「ó 株式会社」のクロス
R7 77,
ローラーベアリングである。同社標準で直径クラスのベアリングはベアリング厚7;,
7 7;'Wのもので重量が約となっている。しかし本ユニットはベアリングサイズに対1し非常に軽量であることから要求強度を考察してみた。
Y\$
ó 社の技術資料によれば 、
Ã

7 ¢
Ã

7
¤



¤

7



7

以上



基本静定荷重 A 技術資料に型番に対応して記載



静等価ラジアル荷重

であり

7
¤



静ラジアル係数 A

ラジアル荷重 A #-ÌÍ

慣性モーメント A.



ローラーピッチ円径 A静アキシャル係数 A 

アキシャル荷重 A 3-Ì·Í

ÇÈ
É=7

A 括弧内は代入数値

B

¯B

6

Å®
Æ

Å«Ë

AJÅ®

 Æ ¢ÇÈ(B?ÊÉ=7;`

Ä

7

Ä

7;`



B

77 7

Ì·Í ・Î

R6 7

7 2 28B

6

Å«Ë

B

Î

B

B

B

@

第. 章

機械系

従って、

7
¤

6
 @ # .ÌÍ207A.

¯Bとなる。この条件を満たすのは ベアリング厚程度のベアリングであることが技術
資料の £ 値で判る。
207
7
次に
厚ベアリングの許容モーメント F
を求める。

7
Æ

2 7,

厚ベアリングの7

は

6 7 7



7;`ÏÇÈ(¢ 

A.

# B

 程度だから、
7Æ

次に許容アキシャル荷重 KÃ2
 . @ ÌÍ ・

 B
A. .

を求める。

70¢·É=7
Ã



Å«Ë



.

6Z2

Ì·Í

207§

いずれもベアリングでも十分過ぎ る能力がある事が判った。製作が可能ならば重az
Y\$
量は . 以下で出来る可能性がある。この条件を元に
ó 社に問い合わせて協議した結果、単品で要求条件に最適化したベアリングを設計・製作出来るとの回答があった。しかし要求
回転振れ精度の 
以下に収めるのは相当難かしく、幾つか製作してその中から良品を選Y\$
ó 社にて検討中で別する方法を取りたいとの事であった。サイズ等詳細に関しては現在ある。
ローテーター用リニアモーター ローテーターの回転動力としてリニアモーター方式の採用を検討している。機械的にはメンテナンスフリーになる点、そもそもノンバックラッシュなB機構なので制御が容易になる点、回転に機械要素 A ギア等 が無いためノイズが少ない点、そ
して大きく重いリングギアや つの数百ワット級のモーターが不要になる点等々メリットはたいへん大きい。現在日本で円周運動するリニアモーターアクチュエータを製品化しているB
業者は無い A 需要が無いと言い換えられる が 、仕様と収まりを提示して直線型リニアモー
ターアクチュエーターで経験が豊富な「安川電機株式会社」に問い合せをした所、検討可能との回答を得た。協議した結果、能力・高速性・加速性よりも極低速性能で問題が指摘された。リニアモーターはダ イレクトド ライブ方式なので分解能がモーターのフェーズに対してB
言わば E である A 電機子と固定子マグネットの位相次第で単純ではないが 。極低速性能については更なる検討が必要となっている。

リニアモーターの使用が不可能な場合は既存装置と同様な ~サーボモーター 台による押し引き制御になる。この場合問題になるは大径のリングギアの重量である。ギア歯は衝撃

荷重が掛かる可能性があるので粘り特性が低い K¶zは使用出来無い。この場合は金属ギア
ハブのコンポジットが解決策となろう。ギアが軽量化出来れば 、それでも多少重歯と K¶z
くはなるものの実績のある機構なので有効な選択肢であろう。尚、安川電機社ではこちらの方式は実績があるとのことであった。

.

#Ø$\%']Q* S+

-

機械系の検討ケーブル巻き取り ケーブル巻き取りは、冷凍機にヘリウム配管が必要かど うかで仕様が大幅に異なって来る。現在配管不要の高性能冷凍機が入手できるかを検討しているため、配管の有無が明確で無く設計は保留している。ヘリウム配管を除けば機械的な制約は緩やかで、
データ通信とエア配管、電源線等少量の線・管材に対応すれば良いので小型軽量なものとな
6 7 7=
る。ヘリウム配管が必要であれば最低でも半径で機械的にもしっかりしたものとなる。ケーブル巻き取りの想定位置は頂上のシリンダーサポート周辺で、シリンダーサポート
からステーを出す事で支持される構造とする。

Ý!?Ý±Ý!

各部重量推定値



表 .  に各部重量推定値をまとめた。

リングユニット
鏡筒ユニット
カメラユニット
スチュワートプラットホーム
カービックカップリング
交換ハンド リング環
クランプ装置リングユニット軽量化分
合計

'R7 7J8W
B
A スパイダー含む
7 7J8W Y4HBV [7 78W 
bB

A
A K¶z
7 7J'W
2
B
A フィルターユニット 枚含む
7 7J'W
B
A 式
2 7J'W 2
B@
A 枚³207J'W 
BA 台
7 7J'W 
B.
A 式 7 7J8W@
 7J8W.



表 . E 各部重量推定値
各部の重量の内訳については、リングユニット・鏡筒ユニット・カービックカップリング・交換クランプ環については殆どが素材重量であり、それに使用するであろう少量の機構部品
B 5
7 78W
A ボルト等 を考慮に入れた物で ~A締図から算出した。カメラユニットはフレーム .
B
7,8W
7;8W
7'W
7
結部品込み 、フィルター 1、ベアリング @、デュワー 、リニアモーター 
8W
 5
B
として ~
図から算出し 、大型の機構部品 A シリンダー等 はカタログ値から算出して6 7á8W
B
7á8W、補機類 A 冷凍機・電子・電気機器 として を加算した。スチュワートプラット
8W
ホームはジャッキのやや小容量標準製品が約 と軽量だが 、横剛性を上げる為の外殻肉
7C
7C8W
厚が .
程度ある事を想定して一本 と想定した。それに予圧機構が . 本必要とな
る。クランプ装置は現行装置のボリュームを参考に K¶z
化を勘案した。何れの場合も材料

bB
A Kz
の重量が要であり、また機構部品についても現在検討中のものが多いため、重量に
ついては 
程度の誤差があると考えられる。

6 7

第. 章

¯4xwxw

機械系

フィルター交換機構$\%']Q* S+

の広い視野を覆うためのフィルターは大変大きくなり、同時に大変重くなる。したがって、駆動機構はより堅実で安全なものでなければならない。また主焦点という S+
限られたスペースも問題になってくる。
ではジュークボックス型のフィルター
交換機構を採用したが 、この方式はフィルターの格納枚数が多くできるものの、焦点平面にフィルター二枚分のスペースを確保しなくてはならない。しかしそうすると光路を蹴る問題が生じてしまう。
$&%'()^ 
では以下に述べる「 X 線路方式」のフィルター交換機
これらのことから、構を提案する。このフィルター交換機構では、焦点部にフィルターを装着する際にセレクターと一直線に配置されるフィルター格納箱は観測時には跳ね橋のように持ち上げられ、光路を妨害することなく観測が可能である。また焦点面前におかれたフィルターセレクターがター
2
ンテーブルのように回転し 、各格納箱の方向を向くことができ、 枚のフィルターを選択す2
ることが可能である。フィルターの枚数はスペースと交換方式の都合から 枚となってしまY4Ð
うが 、昼間には主焦点に取り付いた状態でもを使ってフィルターが交換できるような仕組みをとっている。交換は望遠鏡が天頂を向いた状態で行うようにしている。これは一枚
2 8W
約 .
もの重量になるフィルターを安全かつ確実に動かすことと主焦点の耐荷重を考えるとやむをえないことである。なお、交換そのものにかかる時間は  分程度以下におさまる見積もりである。

Ý!?Ý!Ý±

自走式フィルター

#  B製の枠体に固定されフィルターユニットとなる A 図 .
。 自重は約フィルターは K¶z
2 8W.
となる。フィルターユニットは内蔵充電式電池を電源とした障害対策機能を盛り込んだ
インテリジェントな自走式ロボットとし 、ホームポジションで待機時に充電される。なお制御機器はモーターに挟まれた空間に搭載する。フイルターユニットを自走式にすることにより駆動系が単一になり、現行装置で問題が多発した外部駆動方式によるフイルター収納側と焦点側相互に駆動系統が切り変る際の障害原因を一掃する事ができる。

" 
図.
では前後のメンテナンスカバーが外されているが 、手前の 個のギアード モーター2

8WRzZ_)§B
1  A 
で外側のラックピニオンを駆動して走行する。能力はモーター 台で約Bのトルクがあり、水平 A 望遠鏡が天頂を向いた状態 では 台で十分にユニットを駆動可能だ
が 、 台として信頼性と耐障害性を高めている。また相互のモーターの差動を無くす為に駆動アクスルが貫通する構造をとっている。ギアード モーターはド イツ・スイス合弁のマイクZ62 6z'=6 6
;,zZG
ロモーター社： を使用して 程度の速度で走行し 、交換タクトは
約  分を想定している。天頂のみで交換する条件のためガ イド ローラー類はサスペンション
" Bを持たずリジッド 方式である A 図 . . 。
駆動装置は全段遊星またはスパーギア構成なので走行中に電源が何らかの理由で切断された場合は自由状態になる。ギアの摩擦抵抗が大きいので水平状態で転動する事は無いと思われるが 、緊急停止用のブレーキを外部に装備し 、両端の停止ポジションでは外部から機械的にロックすることを考えている。

6 70  7á {j2駆動用の電池は松下電器産業社のリチウムイオン  z @ ~~ 放電品を第2[2 2=I@~ 放電が可能となる。当該電池一候補とする。これを 本直列 並列接続する事で
7 ¹
Z70
7
は気温
で
ほど 性能が落ちるデータが出ているが 、落ちたとしても駆動が可能.

#Ø$\%']Q* S+

6S

機械系の検討な仕様としている。しかし電池の選定は現地実験を含めて慎重に行いたい。

図.

Ý!?Ý!Ý!

# 

E フィルターユニット外観

跳ね橋式フィルター格納箱

2

待機中のフィルターはメインフレームを取り囲む様に配置された 台の跳ね橋式フィルター"³28B
格納箱に収納される A 図 .
。フイルターユニットの装着が指示されると格納箱はエアシリンダーにて水平まで展開され 、後述するフィルターセレクターと整列し自走フィルターが焦
点面下部まで移動する。
  7³ 7 7 
7=
使用を予定しているエアシリンダーは F
社の X?~   
で直径 
のシリン
7 7á,
7

7J8W
ダー径と のストロークを持つものである。 JFの供給空気圧で約 の推力8Wを発生する能力がある。格納箱はフィルター込みで約  であり、片側が軸受けで保持されているので十分な能力と言える。このシリンダーにはストロークエンドにエアックッショ
ンが装備されており停止時の衝撃が緩和される。停止精度については両端をストロークエン
ド とするので精度・再現性とも問題はない。また非常停止が出来る様に機械式排気ロックが装備されているので、突然にエアの供給が途絶えてもその時点で機構は自動停止する。もちáろん外部信号で任意の点でも停止できる。この時の停止精度は µである。開閉速度は
77;zZG
7 R7 7á{z³G
当該荷重でまで可能だが  程度で安全に開閉したい。

Ý!?Ý!Ý!

回転式フィルターセレクター

インスツルメントローテーターの回転側にフィルター格納箱が装備されるので、フィルター
ユニットを取り込む為に焦点下のガ イドレールを回転し展開されたフィルター収納箱と整列
# B
させる機構が必要である。これがフィルターセレクターである A 図 .  。装置は停止位置で

60

第. 章

図.

"

機械系

.E フィルターユニット駆動機構

機械的に別途固定するため、回転精度は要求されないし 、駆動バックラッシュも問題にならY\$$ ^
ó 社の z ガイドz ない。回転用ガ イドは小型・軽量で十分な平面精度が期待出来る
2 7を使用する。回転半径  z は特注サイズだが 、製作用型がある事を確認した。回転駆動は
テーブル外周のリングギアを一段アイドルギアを介して ~モーターで行う。図中黄色い部

7 Ð
7
B
A±- } に電磁ブレー
分がギア類である。~
モーターはオリエンタモーター社の Zzó- 
キを併用する。
"6
図.
は回転中のフィルターユニットである。機構のサイズが可能な限り詰められているのが分る。ターンテーブル上にユニット用ガ イドレールが配置されている。整列したフイル
ターはど ちらからも取り込みが可能である。焦点下に導入されたフイルターユニットはターンテーブル及びユニット双方を機械的ロック機構で締結し位置再現性を確保する。

Ý!?Ý!Ý 9

昼間のフィルター交換可能性

2

現在の設計では一度に 枚のフィルターしか搭載できないため、観測中昼間にフィルター
ユニットを交換する機能を検討している。交換装置は現行のトップユニット交換装置に副鏡アタッチメントとして装着し 、天頂で展開した交換箱の後部蓋を開けて行うように設計を進2 8Wめている。また、 .
あるフィルターユニットを交換者が安全に扱うためのハンド リング
装置も別途必要と考えている。

Ý!?Ý!Ý!

フィルター > 枚搭載の可能性

フィルターユニットを二段重ねにして カメラユニットに @ 枚搭載する機構の設計は可能だ
207 78W
程度重くなることが予測されており、現状の重量規定からは非常に難しいが 、重量が.

#Ø$\%']Q* S+

6

機械系の検討図.

#Z2

E カメラユニット断面状態である。重量問題が解決すれば再検討に値すると考えている。

.

62

第. 章

図.

#

機械系

E 回転式フィルターセレクター機構断面 ターンテーブルは透過表示されている

図.

"6

E 回転中のフィルターユニット

.

#Ø$\%']Q* S+
¯4xwx2¯

6

機械系の検討シャッター$\%']Q* S+

のシャッターに要求される機能は、



広い焦点面内において均質な積分時間を保証できること


測光標準星 Aること

狭い主焦点スペースに入るようにコンパクトであること



[2Z^

B
 等級 をサチらせないで撮像可能なように、高速にシャッターが切れ

UZ

である。これはのシャッターにも要求される条件と同じなので、$&%'()^ 
と同様の二枚扉式シャッターが使用可能であればよかったのだが 、ではさらに主焦点スペースの制限がきつくなっている。そのため、巻き取り式シャッターが有力と判
36にシャッター設計における要求
断し 、このタイプのシャッタについて検討を進めた。表 .
仕様をまとめた。
動作一様性
露出時間精度
最短露出時間表.

Ý!?Ý!Ý±

36


7S37SçÄG+Q_Qé,çÄG+)_é

E シャッター設計仕様値のまとめ

巻き取り式シャッター

#

# B

巻き取り式シャッター A 図 . 1 、. @ はフィルターユニットとデュワーの間に配置される。
図の両側のド ラムにシャッター膜を相互に巻き付ける機構で、巻き付け駆動は両ド ラム軸に
~ サーボモーターをダ イレクトに取り付け、片側を張力制御、もう一方を速度制御で駆動して行なう方式とした。
技術検討をお願いした安川電機社では多数の同様な構成の制御実績があるが 、張力と速度制御を要求仕様の様に高精度に同時に行なうのは高度な技術で、巻き取りのシーケンスが設計に重要との回答であり、現在当方でシーケンスを検討中である。
シャッター膜材料は現在未定である。薄い金属膜・樹脂膜・自然繊維膜・科学繊維膜、あるいはそれらのコンポジット等が考えられるが 、これは試作機を作って材料試験の必要があると考えている。

Ý!?Ý!Ý!

シャッターは視野とともに回転しなくても大丈夫か？

45

天体を追尾していく際、はローテーターに乗って回転するので 、シャッターもロー
45
45
とともに回転する方が望ましい。しかしながら、シャッターはデュテーターに乗せワーに比べても大きいので、これをローテーターに乗せて回転させるのは難しい場合がある。
B
ここではシャッターを固定した A つまりローテーターに乗せない 場合にどれくらいの露出時間の誤差が生じるかを見積り、シャッターを固定式としても良いかを考えた。

6 6

第. 章

図.

#

機械系

1E シャッター外観 上部カバーが透過表示されている
B

B

¦

B

Y

まず、望遠鏡が方位角 AOÑ² 、高度角 A ¢ を向いて、ある天体 A 赤緯 Ò 、時角 ÓÔÑ を時間
だけ天体を追尾したときの視野回転角を求める。子午線と高度軸が作る大円とのなす角を とすると、 が時間とともにどのように変化していくかで視野回転角の変化を知ることができる。天体、天頂、天の北極がなす球面三角に球面三角法の公式を用いると、

_)MG

A-

7 ¹

¥ÕÒ

B

_QM G


7 ¹

A-

¦
¥

BS_)M G
¢

A-

7 ¹

B]aG+N¥ÕÖ×ÑØ

7 ¹

A-

¦
¥

¢

BSGNA±-

7 ¹¥ÙÖ×ÑØBS_)MG

A @

7 ¹

B
28B

¥ÙÑ²

A.
¦

から、Ò が Ñ²S¦ ¢ の関数として求まる。ここで Ö×Ñ%Ø は観測所の緯度であり、マウナケアは¦¹
Ö×ÑØ -S# である。ひとたび Ò が決まると、ÓÔÑ の関数として Ñ²¦ ¢¦ を解くことができる。使う球面三角形の公式は、)_ MG 7 ¹
¦ B
A¥
¢
GN
7 ¹
B
A @
¥ÛÑ²
G+!N 7 ¹
B
A¥ÕÒ

_)M G



AGN

7 ¹¥wÖ×ÑØ

BS_QM G

A±-

7 ¹

¥wÒ

B? G+!NA-

7 ¹¥ÕÖÚÑ%Ø

BSG+N

A-

7 ¹

¥wÒ

BS_)M GÓÔA.Ñ

ÓÔÑ

 B

360B

7 ¹
¦ B
A¥
¢
G+N

G+N 7 ¹
B
A¥wÖ×Ñ%Ø

A.

G+N4¦

 B
A. @
 B
A. -

G+N


 B
A. 1

これより、

GN

Ñ²

GN


¢






GN
G+N
_)M G
_)MG _)M G
Ö×ÑØ
Ò
Ö×Ñ%Ø
Ò
ÓÜÑ
_)MG
Ò G+N
ÓÔÑ
_QM 
G ¦
_QM G ¢
Ö×ÑØ GN
ÓÔÑ
_)M
G ¦
¢

また、時角の変化はÓÔÑ¡ÓÔÑ
@Ø

6207 7

ARÝ

B

A±.
A±.

R70B ¯B.

#Ø$\%']Q* S+

機械系の検討

図.

"

6
1

@E シャッター断面と取り付け納まりと表せるので、これらの式を使って  の変化を求めることができる。
45
一方、視野回転に伴う積分時間の伸び縮みを考える。シャッターに対してが Þß 回転
45
B
_)MG
GN
G+!N
_)M G
B
上のある点 ADàt¦Cá は AOà
すると、Þn¥Üá
Þß¦FàÞßáÞß に移動するので、
èçOé-ê  ì êeíïîãrë æ ºãrë となる。これがシャッターの開閉速度 â を使うと、積分時間の伸びは ãåæ ä  ä
45
6 7
最大になるところはもちろん、の対角の部分である。焦点面を .
の四角形だとしB
2
6 7 ¢Z28B、Þß'¦Þñ£bxãòæ ä
AOàfð¥. ¦Cáás¥.  、シャッターは 秒で全開・全閉するとして AJâá .
¦ BB
を様々な方向 AJÑ²S¦ ¢ 、積分時間 AOØ について計算した結果をまとめたのが表 . 1 である。
¯B´¹¢ B
7S
以下に押え
この表から、A1 位までは、積分時間の視野内一様性 AJÞ£ Ø は7S=
B
ることが出来そうである、 A 積分時間が長くなると、積分時間の視野内一様性がよ´ B
り小さくなる高度角 A
は小さくなってくる、ということが分かる。以上より、観測手順を良く考え高度の高いところで観測はしないなどの配慮をすれば 、固定式のシャッターでも十分使用に耐えると言うことができる。また、積分時間の伸び縮みについては、得られた画7S37S
像上で補正をかけることができるので 、積分時間の視野内一様性はさらに良くなって
以下にはすることが可能である。この場合には、どの高度角を観測する場合でも固定式のシャッターで十分である。

6
@

第. 章

óôóôó}óôóôóôóôó}óôóôóôóôó
õböi÷}øbùåõbúôû
óôóôó}óôóôóôóôó}óôóôóôóôó
üôý}þ}ÿè÷eþbýbø bö ö }þiø}ý  ý }þiø}ý }øåýbø   þ  !" ó #$þ  
$
%$
& $
%$)(*$  $+ ,,-$  $$#&+ ,)(*$  $ ,,1-$  $$#'&$)(*$  $ 100-$  $$/01,)(*$  #,//-$  $$,%0$)(*$  / /&0-$  $$1'0,)(*$  +,#'-$  $#,0$  $%'+.$  $$#+$  $+ 0%-$  $$#1$  $&0%-$  $$/+$  #%/$-$  $$+&$  #'&0-$  $$& '$  %'/'-$  $#% 0$  $// 0-$  $ $$0$  $/1 '-$  $ $#$$  $%'+.$  $ $#2+$  $1& %-$  $ $/1$  ##% 0-$  $ $+ $$  //1 ,-$  $ $0$'$$  $$ $$-$  $$$$$  $$ $$-$  $$$$$  $$ $$-$  $$$$$  $$ $$-$  $$$$$  $$ $$-$  $$$$$  $$ $#3$  $$$$  !" ó&$þ $%$)(*$  / 1/'-$  $$',+ ,)(*$  % %+ /-$  $##1&$)(*$  +1/&-$  $#&&1,)(*$  '#%$-$  $%/#0$)(4#  % &$&-$  $+ 0#0,)(*/  1 $'%-$  $'&0%$$  /%&1-$  $$0 %$  /'$#3$  $#$ /$  +#$'-$  $#2+ +$  1'1#3$  $/0 $#  #'/0-$  $+ /#/  + $++.$  $0, 1& $$  #%& '-$  $ $+ 0$  #&1 '-$  $ $,'$  /%0#3$  $ $0%$  + &% %-$  $#&/$  &',+.$  $ /++#  +#2+'-$  $ ,$$'$$  $$ $/-$  $$$$$  $$ $/-$  $$$$$  $$ $%-$  $$$$$  $$ $1-$  $$$$$  $$#$-$  $$$$$  $$ /#3$  $$$#  !" ó&$ $þ $%$& $%$)(*/  1 /11-$  $'1+/  + $#/-$  $0, &#  +## #3$  $+ ''





+ ,)(*% % %'$-$ ##''/ '&,'-$ #$& /# 1,, $-$  $ &//&$)(5+  1#,1-$  #1#/+  /,,/-$  #,% '/  ,+ ' '-$  $ '#$1,)(*'  $+ '/-$  %%',
0  ,%,$-$  %#' $,  %#0 &-$  #'+ $0$)(6#%  %+ &/-$  ,#,17#%  #,/&.$  ,$1 &0  ,1/ '-$  % /$,0,)(8/, / &$09# $++ 1:/0 //,&;# #0% 1<//  $$+ 19$  0 ',#'$$  $/ $+.$  $$$1

$ $/ ,,-$  $$$'$  $% 1/-$  $$#%$  $1 0'-$  $$/0$  #/ '0-$  $$+ ,$  %1 ,#3$  $#%#  !" ó#0 $$þ 
$
%$
& $
'$
%$)(*0  #,1#3$  %$+ $1  + /''-$  /1,++  ,%0 0-$  #&+ ,$  #'++.$  $$&0+ ,)(*'  '+ ,0-$  %1,,'  %#2+ /-$  %,$#,  0%$ %-$  /#%,$  /, /+.$  $$00&$)(6#%  ' $$'-$  ,%'#:#%  &1/'.$  ,/'+
0  '00 1-$  % %1$$  %' 0+.$  $#2+ $1,)(8/,  +%/19#  $,/1:/0  + 1/%;#  #',+://  + ,+ 09$  '#,,#  #/ &,-$  $%'1






0$)(8%, #01$9# ,#1'<+ % ,%&0;# '/1 0=+ % #$$0># ' $&%%  $+'%-$  #$'/0,)(8,+  #%0,-/  ++ '/:1,  0$,#?%  ++ 0 ,9#$&  /$#0.+  +10&.#1 ,  1+ '+.+  #2+ /1óôóôó}óôóôóôóôó}óôóôóôóôó@ ö Aôøbùåõbúôû
óôóôó}óôóôóôóôó}óôóôóôóôó
üôý}þ}ÿè÷eþbýbø bö ö }þiø}ý  ý }þiø}ý }øåýbø   þ  !" ó #$þ  
#/$
#,$
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#,$
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1,)(*,  #'%#3$  #0'/
0  + 0#'-$  %#& ''  #,$ ,-$  %+ %,'  $& '/-$  %+ $%0$)(*0  % 1',-$  %#/07#%  $00/.$  ,$+'D#%  &$$19$  , /&+E#%  %' $%-$  ,#1,






0,)(8/# &#'1-$ 011&:/0 /#$1;# #0% $</& /,'0># $ '#%:/,  +#%+;#  $,#0  !" ó#0 $$þ 
#/$
#,$
#1,
#0$
%$)(CB%  / 1%'.B$  ###$
1  /&& %-$  / &'$
0  #0 &'-$  %$,/0  #0/,?$  %$,$







+ ,)(*, +//,-$ #'1'' #%$/-$ %+ / 1D#$ $,$$9$ % 1'1' '' '#3$  %11&&$)(*0  % 00$-$  %#%#:#%  + &#1.$  ,/$ ,D#2+  /$109$  , ,/#:#2+  $/ 11-$  ,+++1,)(8/#  / 0&$-$  0&/,:/0  +#,%;#  #'/ 1</&  1$,'>#  # #//:/,  00 0#-#  $1%'0$)(F+ /  $ &+ 19#  0,,/<+ %  ''&%;#  ',$ ,<%1  &%0,>#  & %1&:%&  $/ &/9#  ,,000,)(G#$'  1+&$-+  ,,0#=11  0,1%.%  ,%+&<,'  /#%#-/  & '+ ,:,,  0#1'-/  ,%$'

表 . 1E 固定式シャッターを採用したときの視野回転角、積分時間の伸び縮み

機械系

.

#Ø$\%']Q* S+

6

機械系の検討

-

(b)

(a)

bondingwire

図.
¯4xwxJ°

±²±´³

#

-SE\A

0B$\%']Q* S+

用

45

パッケージと A

/B

バッファブロックマウント 方法$\%']Q* S+
45には浜松ホトニクスの完全空乏型裏面照射を採用する予定でいる A 第
2 
B
45
452. 章参照 。この間の隙間を最小限にするために、
辺の不感領域が最小になるよ45" 0B
45
うに設計されている。
パッケージの案を図 . -A に示した。裏面照射であるため、
45からの配線の取り出しは光入射面と反対側になる。
素子の電極から、パッケージの電N
極にボンディングワイヤーで接続する。そして、パッケージの内部配線をとおり、  ~áA++[% B
 +
~コネクターに接続されている。 このパッケージはセラミック製を考えており、
京セラに発注を予定している。
45
素子とパッケージの接着は、スクリーン印刷用接着剤を塗布して行う。実際浜松ホト7Z2 `o207 6
2 # B@- ピクセルの素子 A 図
ニクスでこれまでに作られたはこの方法で組み立てられ
7§
R7

ており、受光面と底面の平行度は、ほぼ .
を実現している。 個中 個程度はこの仕7=様を満たしていない場合があるため、現在調査を行っている。もし .
の平行度がいつも' +!,PU
達成できるようになれば 、の製作時に必要であった金属フォイルによる高さ調$&%']Q*S +!,
7 7
整が必要なくなり、生産性が向上する。
では個に近い素子を扱う必要が極めて有効である。
45
 S+
パッケージをコールドプレートに配置する方法は、基本的にはで開発
" /B$\%()^ 
した手法を使う。図 . - A に用のバッファブロックの外観図を示した。. 本
のアライメントピンをバッファブロックに接着し 、そのうち 本のは填め合い部を加工する。
45
パッケージに接着する。現在プロトタイプを設計制作中で、これ
その後、ブロックをを用いて必要な精度が達成できるかをチェックし 、組み立て工程の最適化を検討する予定でいる。
 7 0B

パッケージからの信号取り出しは、図 . . A に示したような  ~ ソケットを特注し 、こ45とエレクトロニク
こからフレックスケーブルを通じて汎用のコネクターに配線する。

7
1

第. 章

機械系

ZN _)Q

スの断熱は、このフレックスケーブルの銅配線を細くすることで行う。例えば 、米 ~N0O^Q+_)MN N )_O^!M N G

社はこのようなカスタムコネクターを受注生産してくれる。  ~ コネク
ターの勘合は基本的には一度きりとして、通常の抜き差しは汎用のコネクターの方を使う。
この汎用コネクターは 、コールドプレートにあけたスリット状の穴を通して、コールドプ
レートの下に導く。構造上スリットは小さいほうがよいので、汎用のコネクターはなるべく 7 B
\]M N
小さいものを選定する必要がある。例えば図 . . A に示した米 ~社のコネクターは、` #=, SNの外寸に @0が実現されている。サンプルを取り寄せて、耐久試験を行う予
.0 .
定でいる。

(a)

(b)

 7

0B45

図 . . E\A
パッケージから配線を引き出すコネクターの例、AIb7S
B
K 。
高密度コネクター AÉF¯4xwx-¸/B米~\]M N

社の @0

SN

冷却システムÝ!?Ý!Ý±

熱収支計算

ここでは熱の流入源として、カメラの窓を通して入ってくる輻射熱、窓以外の部分から入ってくる輻射熱、コールドプレートのサポート柱から入ってくる伝導熱、種々の導線を通して
45
R7 7 ¹ 
入ってくる伝導熱、カメラの内部の気体によって伝えられる対流熱、を考え、を¼
BR7 ¹  B
A 1. ó に冷やし続けた時の熱流入量を求める。なお、外気温はA @ .ó と仮定した。
窓からの輻射熱

カメラの窓を通して入ってくる輻射熱量は次のようになる。
I H

ここで、

'O+) { N M ´!OON),N Nô|M N GUO*N0O
»

E
J

E

窓の面積
Ø
E 温度
E 放射率
M
とすると、
Ñ

4JrÑJADØ K ¥ÕØ L 

B

K

M

M
K
M

L

L

M

¥
M

K
M

L

A±.

¯ B6 è` R7 QP
 SR 
 1




` 2 
2`aR7 ¸.  Î  .S#1
º
R
 R
Ø K 
@. F¦ Ø L  1Z.
77K  ¦ M L  "
MI H

6 . @ P

A±.

 B
.

.

#Ø$\%']Q* S+

1

機械系の検討窓以外の部分からの輻射熱 カメラの窓以外をを通って入ってくる輻射熱は、主にデュワー壁
7S37 60B、などを通して入ってくるものがあると考えられる。しかし 、放射率がアルミニウム A M 
7S370 B
TUV TXW
金AM などでは十分低いことを考えると、上式のの項が十分に小さくなる
4TXUZ5 YTW TUVTXW 2 
ため、窓からの輻射熱に対して十分に小さい。実際、側面の面積は、 Ñ 
¸t. 
`
,
7 `aR7   

  @
なので、
H
I

7



 - P

A±.

[28B程度である。また、コールドプレートへ流入する輻射熱も、コールドプレートに金メッキをするので小さくすることができ、
H
I\[

P



A±.

 B


程度にすることができる。
サポート 柱からの熱伝導 コールドプレートを支えるサポート柱からの熱流入量は次のよう
になる。
I H

]_^

Ñ



Ö
^

Ñ


A±.
Ø

Wa`

ADØ K

Öcb

Ç
U

B
L

¥ÙØ

R60B

A±.

 B
1

A±.

 B
@

A±.

 B
-

`

ここで、
E 固体の熱伝導率
Ã Bá`è[7 P R `
E 固体の平均熱伝導率 
º  º
º AR¤

b
207
`å207
6¹
` R7
Ñ`E 固体の断面積
Î
Î 

¼C
7
Ö
E 固体の長さ Îとすると、サポート柱一本あたり
H
I

サポート柱は全部で @ 本として、

7 82  P




I H

6 P

 .S3.

となる。

$&%']Q*S +!,

45

77

導線からの熱伝導はの数が個に近いので導線の数も多くなるため導線からの熱流入を無視することはできない。導線からの熱流入は、
I H



Ö



^
]

Ñ

^

Ñ
Ö
`

b

Ç
U

Wd`

AOØ K

¥´Ø

と書き表せる。ここで、E 導線の熱伝導率
287
Î

|/B
`
E 導線の平均熱伝導率}º ó º Ab
a`æR7JÑ`
E 導線の断面積
1 R77;
Ö
E 導線の長さ

導線一本あたりの熱流入量は、
H
I

 .S#A±.
Ø`è[7 



P

L

B

A±.

A±.

#70B
#¯B#  B


1

第. 章

45á

枚当り約 

7

本、カメラ全体で約[7 7 7I H

機械系

本の導線を使うとすると

7

3.0 P

A±.

# B
.

となる。
気体の対流熱気体の対流による熱流入量は
I Hと書き表せる。ここでe
E 気体に依存する定数
Ë0
E 形状に依存する定数È
E 気体の圧力
g
E 面積
とすると、

È

fehË0 AOØ K

¥´Ø

L

Bhg

A±.

#Z28B

7 S
7 R6

 º
R7¼ Y¿M + 2`èR7  _Q 

I H



 `èR7  P

 @

A±.

# B


となる。上式からも分かるように、対流による熱流入はデュワー内部の圧力に比例しているの
R7 
B' +!,PØji³®³® に引くことができれば事実上無視することができる。
で、十分に真空 AUÞのデュワーは封じ 切りではなくてイオンポンプを使ってアクティブに真空引きをして$&%'()*' +!,
いる。
はアウトガス量が多くなることが予想されるので同じような仕組みが必要ではないかと思われる。
まとめ

熱流入量をまとめると表 . @ ようになる。
窓からの輻射熱窓以外の部分からの輻射熱サポート柱からの熱伝導導線からの熱伝導
気体の対流熱

#6
.@
# 

 6
. .
7
.0
7




表 . @E 熱龍流量のまとめ
以上より、

7}程度の排熱をすれば

45

を¼

R7 7 ¹ 

に冷却し続けることが可能である。

Ý!?Ý!Ý!
パルスチューブ型冷凍機' +!,PU

は主焦点に取りつけるために 、コンパクトで十分な排熱能力を持ち、かつ電力の供給だけで運転が可能なダ イキン社製の ³} スターリングサイクル冷凍機を採用してR7 7 ¹  UZ
いる º 。この ³} スターリング冷凍機は ¼で約 1³} の冷却能力を持ち、の冷却には最適な冷凍機であった。

½

現在ダ イキン社は冷凍機部門を住友重工に譲渡したため、この冷凍機は後退機種と位置づけられ入手不可となっている.

#Ø$\%']Q* S+

1.

機械系の検討しかし 、この冷凍機の冷却端には機械的動作部があり磨耗が生じることによって冷却性能
7 7 7
時間と短く、約 年ごとに冷が低下するという欠点がある。つまり性能保証時間が約 
凍機を送り返して部品の交換などを行わなければならない。このため、一年である時期は使45用不可能になる、近辺で神経を使う冷凍機交換作業を行わなければならない、など 問題が多かった。
$&%'()^ 
このようなデ メリットを克服するため、で採用したいと考えているのがパルスチューブ型冷凍機である。このタイプの冷凍機は冷却端に機械的動作部がないため、性[7
77 7 7時間以上と大変長寿命を誇っている。従って、一度取りつけると約 年
能保証時間 $\%']Q* S+
間メンテナンスフリーで運用することが可能である。
のように複雑で大掛かりなカメラになると冷凍機の交換のためにシステム全体をばらしたりすることなく安定して運用できることは大きなメリットである。
現在は富士電機社製のパルスチューブ型冷凍機を第一候補に考えている。富士電機では現在 ³} パルスチューブ型冷凍機を販売しており、これをお借りして冷却実験を始めたところ
 RB
R7 7 ¹^である A 図 . . 。この ¯} パルスチューブ型冷凍機は ¼
でダ イキン ³} スターリング S+
冷凍機とほぼ同じ冷却能力を持ち、大きさもほぼ同じでの冷凍機をこれで置き換えることも可能である。また専用の小型電源を持ち、電力の供給だけで運転ができるという点でも大変有望である。今後富士電機社ではさらに大型のパルスチューブ型冷凍機の開$\%()^ 
R7 7 ¹ 
B
発を予定しており、@Z} 型 Ae¼
で  ³}が開発されれば 台での排熱も可能であると考えている。今後は富士電機社と密接に協力し 、@Z} 以上の冷凍機の開発がスムーズに進むように努力したい。



図. .

E 富士電機社製 ³}

パルスチューブ冷凍機

21¯4xwx2»

第. 章

機械系

デュワー

Ý!?ÝÝ±
45

概要

Ý!?ÝÝ!

入射窓

^R7 7は暗電流をおさえるために実現するための真空容器である。

¹ 

程度まで冷却する必要がある。デュワーはこれをデュワーの設計する上で最も重要なのは 、「入射窓が真空を引いたときに壊れない」かと
45
45
言うことである。入射窓は直前におかれているので 、窓の破壊は即破壊を意味する。以下で窓の強度計算を行い、必要な窓の厚みを求めた。
窓厚と変形量および安全係数 窓の支持されない部分の直径を  、厚みを £ 、窓面に等分布
荷重 ¤ がかかったときの窓材にかかる応力 J は、

å
J

RB

. ¤,A.

. 

§






A±.

£4¨

#60Bとなる。ここで © º はポアソン比である。この応力が窓材の引っ張り強度 Ålk より小さければ窓材は十分に使用に耐えることができる。従って、以下の式を使って窓材に必要な厚み £ 、窓の中心における変形量 ¢ 、変形面の曲率半径 © を求めることができる。
Åmk

g



g

. ¤,AJ


¢

©

J



¢



¥

A


¯B

A

 6 ¦



¢ B 

¯B


§

¼

£4¨

¯

¢
R

A±.

# B
1

A±.

# B
@

A±.

# B
-

7á` R7
ここで は安全係数、¤ は窓の内外の圧力差であり、 気圧の下ではである。この . つの式を整合的に解いて適当な厚みを求める。この際、安全係数 . 以下では
2
危険であり、 程度以上にすることが推奨されている。
6 7C
として安全係数 ¥ @ に対して窓厚、中心での変形量、
クリア・アパーチャ Ø
及び曲率半径を求める。窓材は溶融石英を使うこととし 、その物性として表 . - の値を使っ![7た。結果は表 .
のようになる。つまり、安全係数 . 以上を求めるならば 、溶融石英の窓の7,
7S368W8B
厚さは .
程度が必要となる A この時重量は約。
 UZ#6
参考までに 、では £ の窓材を使っており、この時安全係数は 1 、
7
R7
 7
B
中心での変形量 、曲率半径である A± 
で計算 。

7,

支えを入れた窓材の強度計算 前説の結果から、窓の厚さとしては .
程度が必要であることが分かったが 、一方で、すばる主焦点のように口径比が明るいビームに対しては、色収差の影響を避けるためには窓厚が薄い方がよい。窓を内側から支えることによってもっと薄い窓を用いることができる。ここでは窓の内側に十字に支えを入れた場合、内部応力とた
わみがどのくらい減少するかを有限要素法を用いて計算した。窓は溶融石英、厚さは .

#Ø$\%']Q* S+

1 

機械系の検討B

引っ張り強度 ARÅlk
¦áB
ヤング率 AB
ポアソン比 A © º

2   `\R7  @ 6 36 6`\R7Gn&
7S
1



表 . -SE 熔融石英の物性

g

£


.
2


6
1
@

表.

![7

çÄ,;é
!
1
Z2S"
 #6
2S"
.
"
. @
2 
2 "

2 
@ .

çÄ;é
R7S
. .
7S
1 .
6 37
.01
2 
. @
 6S  #1@ 1[206S
.
¢

©

çÄé
37
@
7S
 2
- .
)2 
. @
Z7S 37
Z62 #37
.. .
2 7 6S@E 熔融石英窓の厚さと変形量 A±



6 J
7 ,§B[7

であり、支えはデュワー背面まで伸びていて裏ぶたに固定されているものとし 、幅は で計算した。その結果が図 . . である。
` R7 
この図から、内部応力最大となる部分は支えの近くの部分であり、大きさは v13.

であることが分かる。前説の結果から安全係数が の時の窓の厚さが大体 である
2   `&[70B
ことから 、これと比較を行う。安全係数 の時は内部応力が引っ張り強度 A @ z6S
と同じなので、窓に支えをいれることによって窓の内部応力は
1 に下がったことになる
6
B

A 逆の言い方をすれば安全係数は 1 倍になったと言える 。さらに窓のたわみ量も .
か
2 6; らへと劇的に減少することが分かる。
$\%']Q* S+
ではデュワーの入射窓直前にフィルターをおくが、このフィルターも大きく2なるため、一枚物としては製作が不可能な場合もあり得る。そのような場合には 枚のフィルターを組み合わせて一枚のフィルターとすることを考えているが 、同時に窓に支えをいれて、応力とたわみを減らすこともできると考えている。
当然支えを入れるとその分視野を失うわけで、これとのトレード オフについては今後定量的に検討してから、ど ちらの方式をとるか最終的に決断したい。

Ý!?ÝÝ!

コールドプレート45

デュワーの中でが取りつけられ、冷却のためのベースとなるのがコールドプレートでRB
45ある。コールドプレートは、A 焦点面上のどのも均等な温度となるように十分な熱電B*[7 7 ¹ 45
B+45まで冷却されるので熱膨張率がと合っていること、A±.
導率を持つこと、Aの位置を決める基準となるため十分な剛性と機械精度を持つものであること、などの条件を満たしている必要がある。
コールドプレートの素材としては、銅、アルミニウム、モリブデンなどが使われてきたが 、

6
1

第. 章

 

`åR74

B`åR74

機械系

B

図 . . E 左 E 窓にかかる内部応力。カラーバーは ¥."A 青 から 13.
A赤 。
7
7
B
2 6\`§R7
A 青 から 
黄色から緑にかけてが応力 に相当。右 E 窓のたわみ。カラーバーは

B
A赤 。

'

+!,PU

´ B

我々は
の経験を活かし窒化アルミ A~  を採用することを考えている。窒化
アルミは熱伝導性の良いセラミックで、機械的物性はアルミニウムと良く似ているが 、ヤン
6S
0B
z
2 2?`\R7z ¹ 4B
グ率が倍以上 A @ . 、熱膨張率が . 程度 Aという特徴を有している。
45の基板としても適している。加工性も十分になお、この線膨張率はシリコンに近く、あり、十分な機械精度を持つ機械加工が可能である。自重変形によるたわみも窓厚と同様な
7 
方法で計算してみたが 、コールドプレートを厚さ としたときにも 以下となり、焦点深度に比べて十分に無視できる値であることも分かった。このように、窒化アルミ$&%'()^ 
をのコールドプレートとして使う上で特に大きな問題はないと思われる。実45
際のコールドプレートは図 . . . のような概形になる。プレートには固定用の穴とともに、配線を通すための穴が開けられている。

Ý!?ÝÝ 9

コールドプレート 支持

コールドプレートに流入する熱量をできるだけ少なくするために、コールドプレートの支45
持柱は低熱電導率もので作られていることが望ましい。一方、コールドプレートはの位置決めもしているため、支持柱は簡単にたわむようなものであってはならない。従って、支持柱にはエンジニアリングプラスティックやガラスエポキシなどが使われることが多い。
 S+
b4B
b
ではポリーカーボネイト Aの支持柱を使用している。
は低熱電導率、
bB
高剛性で非常に加工もしやすい素材である。またアラミド 繊維強化プラスティック A~ Kzb
も低熱電導率、高剛性な材料で、支持柱として使用することができることが分かり、よb
りも特性がよいと思われる。加工性については今後調査していきたい。
や他のエンジニ
アリングプラスティックの物性は表 .
にまとめた。
! B
支持柱は、熱的には式 A. 1 から分かるように、なるべく面積が細く長いものである方がB良い。しかしそうすると今度は望遠鏡を傾けていった時の支持柱のたわみ、つぶれ A 伸び が大きくなってくる。従って、たわみとつぶれ具合いがどのくらいになっているか推定しておく必要がある。支持柱は長さ Ö 、一辺 Ó とすると、片持ち梁のたわみを計算する式からたわ.

#Ø$\%']Q* S+



1 1

機械系の検討45

図 . . .E コールドプレート。
固定用、配線用の穴が開けられている。参考のためパッケージが一つだけ取りつけてある。

45

みの最大量 Òpo は、



Òpo

2


.

Å 
Ö ¼
¦

 70B
A±. .

R«
o

Å Ö
¦

45

¼

 ¯B
A±. .

oaÓ

B

¦

で表される。ここで Å は支持柱にかかる力 Aとコールドプレートの重さ 、B
弾性率である。またへこみ A 伸び の値は、歪み応力の関係式から、



¦

¦

ì
Å Ö
ì Ó

は曲げ

  B
A±. .

JrÖ

Òrq×

¦

o

 B
A±. . .
7=207á

と表せる。ここで ì はヤング率である。ここで長さ 、一辺の ~ K¶z
支持柱
45
8W8B

@ 本で
とコールドプレート A 重量 
1を支えるとすると、Åv Ì'¬Sã 。したがっN N て、Òso @、Òrq となり、焦点深度に比べて十分無視できる値となる。ヤング率と曲げ弾性率はもう一桁上がっても大丈夫なので、さらに低熱電導率を持つような材料があればそれも検討に値する。今後は良い材料が見つかれば加工性や低温特性などを調べ、支持柱として使えないかを検討していきたい。
組み立てÝ!?ÝÝ!
$\%']Q* S+
はデュワーの重量が大変重くなるために 、組み立ても考慮した設計が求め 2られる。図 . . がデュワー組み立ての概念図である。基本的にはローテーターとコールドプ

1@

第. 章

材料

b




K¶z


K¶z

~ K¶z

熱電導率

ç

zZ

é

熱膨張率

引っ張り弾性率

引っ張り強さ

曲げ弾性率

ç [7P¢ ¹  éç  Zéç Zéç  Zé
}
ó
F
7!
6 

6

1 
.
1
.0
2 

7S ^ 

2 7
[2 7
6 7
[2
2 ¯
  @0.
.0  @
1  1 
7S"
7
2 2
R7
2 2
@0 . .
1
1@
7S!R 7"
*
6
[2 7
6 7
6

.

1  
表.
E 代表的プラスティックの機械的熱的特性

機械系

曲げ強さ

ç

F

Zé
!

-.
@ @ 
¯

1

6

1

@ @

レート・支持柱を精度良く結合するリングを作り、この部分に吊りボルトやデュワーを引っく
45
45
り返すための回転機構などを取りつけることを考えている。そして側には・コー
ルドプレート部分を覆うような円環がまず取りつけられる。図には描かれていないが 、この45の配線のコネクターなどが取りつけられる。そしてこの円環の前には窓が取
部分には
45
と反対側には裏ぶたが取りつけられる。この部分には冷凍機
りつけられる。リングのや真空引きのためのバルブなどを取りつける。そして全体として主焦点ユニットのローテー
ターに乗せられる。

 2

45

図 . . E デュワーの分解図。この図には窓が描かれていないが 、機は仮のものが描かれている。

側にとりつく。冷凍#Ø$\%']Q* S+
.

¯4xwx t

1-

機械系の検討オートガイダー、シャックハルト マンシステム
B

現主焦点ユニットには、天体追尾のためのオートガイダー A~  と光学系調整のためのシャッ$Bがついた専用のプローブが取りつけられている。通常、光学調整はクハルトマン装置 A
光軸上の光線を使って行うが 、観測時には視野端の星を使って天体追尾を行うため、このプ
z S$
ローブは光軸から視野端まで動くものでなくてはならない。そのために、~ 
ユニットは À½ ステージで組まれており、プローブの可動範囲が大きいことからユニットは大変大き$\%()^ 
なものとなっている。
は焦点面の視野の大きさに比べ主焦点ユニットの径がS$小さいため、同様の方式をとることが難しい。以下では ~  とは独立なユニットとすることによって限られたスペースに納まるようなコンパクトなものとする案を考えている。

Ý!?Ý]Ý±

オートガイダーオートガ イダーは積分開始から終了まで同一の天体を追尾していることが必要になるため、
のシャッターが閉じられた状態でも星からの光を受けられることが必要であ45Bる。また視野角の回転に伴って動いていく必要があるため、
A デュワー の回転とともに回転することが必要になる。
45
このようなことから 、例えば 、多くのカメラで採用されているようなデュワー内の
45
45
のすぐ 脇にオートガ イド 用のを装着する方式など を検討したが 、焦点部フィル
ターを固定する箱の部分にオートガ イダーユニットを取りつける案が有望であると考えている。摸式図を図 . .0 にあげておく。この方式をとることによって、シャッターを閉じていてもガ イド 星を見続けられる、ガ イド 星からの光はフィルターを通らないので暗い星もガ イド
45
45
を置かなくて良いので、配線や星として使える、デュワー内にオートガ イダー用配置などデュワー構造が簡単になる、などのメリットがある。また、オートガ イダーユニッ
トを視野端部に多数並べることによってオートガ イダーの視野は稼げるので、ガ イド 星が見つからない確率も大幅に下げることができる。また複数のガ イド 星を同時に追尾することによってローテーターの回転へフィード バックをかけたり、焦点面の傾きをリアルタイムに補正していくことも可能になる。
一方、オートガ イダーにどのくらいの視野が必要であるかについては、どのくらいの明る!¯
さの星がどのくらい数存在するかを知ることが必要である。表 .
に北銀極での星の存在
7S[G+Q_z
確率を ¨ 等級の関数としてまとめた。 A 同時に積分したときのフォトン数と  の概
B
z
R7

1 程度の星が必要に算値が見積ってある 。例えば程度が必要だとすると、¨v
az7S
6Ü+_Q,!N 7!
なり、オートガ イダーの視野は程度必要である。オートガ イダーに1 _)G+Q_zZS}|)´
45

45
の
を使うとすると、 メガピクセル程度が必要であり、これは二つ分に相当する。従って、オートガ イダーユニットとしては最低 つが必要と言うことになる。

$&%'()^Ý!?Ý]Ý!

シャックハルト マン装置

シャックハルトマン装置は鏡面形状を検査するときのみ用いられ 、通常の観測時には使わ$
ユニットを作ることができないかと考えれないことから、一枚の「フィルター」としてている。シャックハルトマン装置をフィルターに組み込むためには、フォールド ミラーで光7,,
路を曲げる必要がある。フィルターは焦点面から約 @の位置に来るが 、この時の光束
7z207,
の直径は @となり、フォールド ミラー部分の厚みとしてこのくらいの厚みが必
KÕ

@

7

第. 章

機械系

࠺ࡘࡢ࡯ᄖઃߌࠟࠗ࠳࡯ߩ᭎ᔨ࿑

࠺ࡘࡢ࡯ࡈࠖ࡞࠲࡯ ὶὐㇱࠟࠗ࠳࡯



図 . .0E オートガ イダー取りつけ方の模式図要となる。これはフィルター 枚の厚みとほぼ等しいのでシャックハルトマン装置をフィルターに組み込むことは可能であると考えている。配線などの問題が残るため、取りつけには$\%']Q* S+
ある程度手動の作業が必要になるかも知れない。しかし重量制限の厳しいでは通常使われないシャックハルトマン装置を観測中に外せる本方式は大きなメリットがあると考えている。

_)N wv

I

ußz



R6
1
@
表.

¯

7S37

7SR7
7S
1
7S#
@







 M N0Oz7S[G)_|
6Z207 7
 7 7
[7 7 7
2 7 7

z

A


7


R7



B

Ox ºzyz{ q2

E 北銀極における星の数、オートガ イダー上で受けるフォトン数とz

 の概算値

@

第 章
|

åeRg


°xybxy

45

}

}

天体観測用
±²±´³

s

~

s

とは

（電荷結合素子）は現在可視光の天体観測では最もよく使われている光検出器であり、
45
長年使用されてきた写真乾板は世界の天文台から姿を消しつつある。なぜなら、は乾板に比べ「高い感度（量子効率）」と「出力信号が入射光量に対して高い線形性を有する」という特徴をもっているため、より効率的かつ定量的に観測を行うことができるからである。
45は光子が一個入ってくると 、ある確率で１個の電子を内部で生成する。この電子が45空乏層と呼ばれる
内部の電場のかかった領域で生成されると、電子を集め信号として
45
記録することができる。この電子の個数を数えることで入射した光の量を測定する。
2   B
A のようになる。受光面の横方向には３対の電極が互い違いの構造を模式的に表すと図$!W {にすることで、その下に電子が集められる。垂直に配線されており、. 対の内の１つを方向にイオン注入によりチャンネルストップが設けられており、横方向の電子の流れ出しを
2 ! /B
A のよ
止め、これにより画素（ピクセル ）が構成される。. 対の電極に与える電圧を図
うに駆動すると、ある画素に蓄積された電子を隣のピクセルに転送することができる。垂直方向に ライン転送すると最後のラインは水平転送レジスターに送られる。水平転送レジス
ターも垂直転送と同様な構造をしており、順次電子を隣に送ることができる。この最後には
45出力アンプが設けられており、送られてくる電荷量を電流に変換して外部に出力する。
2S! 0B
A のような構は電子蓄積後、以上のような電荷転送により電子量の読み出しを行う。図
45
45
Y|45B造のをフルフレーム転送型
と呼ぶ。
AK


電荷の転送を行わない撮像素子も存在する。 Få£
センサーと呼ばれるこの素子は À ½
アドレス方式でピクセルの電荷をアンプに直接導き信号を読み出す。こちらの方式の方が読み出し速度を向上することができるが 、アンプの前の浮遊容量が大きくなり、読み出し雑音
45を下げることが一般に難しい。また、電荷蓄積量がに比べると一般に小さい。このため、天体観測用にはまだ普及していない。一方赤外線用撮像素子は、暗電流を低くするために液体窒素温度以下で使用する。構造的には赤外線を検出する化合物に読み出し回路が載ったシリコン基板を貼りつけたような構造をしているが 、この温度ではシリコンが電荷転送を
行えないため、この À ½ アドレス方式が用いられている。
Y|U45Kでは通常素子の下半分をアルミ蒸着などでマスクし 、一定時間積分後に垂直転送だけを動かして、そのマスクの下に電荷を転送してしまう。これによりシャッターを実現する。積分時間が短い場合は垂直転送時の余分な露光が気になる場合がある。これを避けるた
めに受光面にマスクされた垂直専用転送レジスターを別に設けたタイプの素子が開発された
45 Y|U45
2S![_（ インターライン転送型、図）。現在デジタルカメラやビデオカメラ等の一45
Y|U45
Y|U45の多くがである。一方天文観測には普通 K
般の用途に用いられているが使用される。光に感じない転送部が受光面にないため、光の損失が少ないからである。ま


@

2

第 章

(a)

2 !

(c)

(b)

0B

E\A 一般的な . 相駆動
図
45
イン
のピクセルの構造

45

の構造、A

/B+45

Y|45た外部に機械式のシャッターを設けて、Kれにより受光面積を広げられるからである。
°xybxw

天文観測に用いられる±²±´³

極微光の天体からの光を捕らえるためのある。

9tÝ±/Ý!Ý±

45

転送用のクロック波形、A

_[B

インターラ

のマスクのないものを使うことが多い。こ

の特徴
45

には民生用

45

と比べていくつかの特徴が高い量子効率を実現する裏面照射 :;:=<

入射した光子の個数と、集められた電子の個数の比を量子効率という。民生用デジカメや7j
ビデオで使われているものは、波長によるが最大でおよそ くらいである。つまりせっかく大きな鏡を使って集めた光を半分以上も失ってしまうことになる。このため量子効率をR7 7
に近づける努力は、望遠鏡の口径を大きくすることと同じくらい重要である。
45
通常の
の量子効率は、光の入射側表面に作り込まれている配線材（ 普通はポリシリコン ）での吸収と反射で制限される。このため、紫外領域で効率の劣化が顕著になる。地球
7N 
45
大気は波長 . .
まで光を通すにもかかわらず、通常のではここまで観測出来ない。
これに対処するには、紫外から可視への波長変換材の塗布などが簡便な方法として考えられ
7ZN 
[70
るが 、.0
での最大効率は程度にしかならず、完全な方法とは言えない。最近では5ó£ ~ó 社などで透過性のよい配線材を用いた素子が製品化されているが 、最大量子効率は
6 7,程度にとど まる。最も有効と考えられる方法は、配線材がない素子の裏側より光を入
45
7 7
）
。このためにはＣＣＤがプロセスされている ミクロ射する方式である（裏面照射
ン程度のバルクシリコン基板を、空乏層の形成されているエピ層が露出するまで薄くする必要がある。これを薄型化処理という。エピ層は基板より不純物濃度が低いため、その濃度差を利用して選択的化学エッチングで実現する。

2  

天体観測用

45

2 #

@ .

7Z2

`o207 6



B

45

図
ピクセル 表面照射。素子を多数配置で
E 浜松ホトニクス社製@- A 
きるように、電極の取り出し電極は一辺に集められており、他の . 辺では隣の素子とのギャッ
Y4{S+)G+!  SOO* ´!RB
プがすくない A。

9tÝ±/Ý!Ý!

大きな受光面積

45

天文観測用
は、一般に受光面積が広いことが要求される。この理由は、かつて用いR7j_)
R7f_Q
られてきた写真乾板が角から数角以上と大きく、従来からある望遠鏡はこの大きさを前提に光学系が設計されていたからである。また、近年の @ ｍ級の大望遠鏡では、光学系が大きくなった分、受光面に要求される面積はますます大きくなる傾向にある。面積[7 7J
が大きくなると、ピクセル数が増えるため転送回数が増加する。電荷の転送時には電荷が転送されるわけではない。界面にできた準位に電子がトラップされてし まう確率があ|{W Y¿^N GU)
るからである。１ピクセル転送あたり何荷が転送されるかを電荷転送効率 A
_)QN _Q% |Y\bB
|Y\
45
、
とよぶ。大型素子でははできるだけ に近くなければならない。
7S
45
が開発された初期の頃は - - -- 程度が限界であり、あらかじめに微弱光を与えて界面ZO Q+M8B¿
準位を生めておく手法 AKという手法が用いられていた。その後、埋め込みチャンネ
45
45
ル型
が開発され 、界面より少し離れた内部で電荷を転送させることができるよ
|Y\
7
うになり、
は - -- - -0 以上が得られるようになった。
|Y\
このの改善と半導体製造技術の向上による欠陥ピクセルの劇的な減少により、現在
72 `o207 6_)¹` 6_Q
では@- ピクセル（ピクセルの大きさは 
角、受光面の大きさは約 .
）2 # Z82 45の素子が普通に用いられるようになっている（ 図、と総称する）
。

@

2

2

第 章

図

#6
µ

  

K
7S åz
~

5Ð

2 

z

表

åePd


.SE すばる主焦点カメラ
[ZôN MG+
R7; 
 

2S!
E

45

}|)´?+ZO^
6JG+!,PU

hjilklmon[pの焦点面

G^ZO+ ^³O^MNÜ´!Q)´V37 7 7J -+Q´HZO+)Ü^Z,O^)G4M¶

すばる主焦点カメラ 
7'

qr?svu=p45+§_) +)N0O ^ R7 ¹ 4BA åzZ{SM.

UZ

に用いられた_)ss

すばるの主焦点は直径 . 分角の視野の広さを持ち、これは約 の大きさである。このR7
Z82 45` 
焦点面に、の配列で 個のを配置した。素子の間の隙間は不感領域となり、
2 #
視野を損するためできるだけ少なくしたい。このためには、図に示したような素子の１辺
45
SO+O^ ´B  UZ
が適している A»型と呼ぶ 。
に外部配線用の電極を集めた構造の2S
の焦点面の様子を図 . に示した。
' +!,PU
³'2·45を開発していた時、次にあげる . つのベンダーよりが入手可能
RB Y
!N _)M ´!N (M ^ZO+M %
Y%z
B44|57 Bb³I
o¶IB44528R 7であった。 A
、A
F
X
X
AÉF
XtX
A旧
@ 、
B+Y¿Y\770
2 2
Y¿
Y\7 70
A.
~ 。それぞれの量子効率を図~ の量子に示した。このうち、のS5
Y Z72
効率はのカメラで採用されている ó@ とほぼ同じで、全波長で中庸の値を持ってY\770いる。ただし 、~ はクロックラインのインピーダンスが他の 素子より高く、高速で読R7 7 }|Q´DzZG)_B
Y%z
4|5U7
XtX
み出しができないという欠点があった A 最速でもが限界 。F
b³I 4528¯ 7の量子効率は長波長側に最適化されており、@ は短波長側が高くなっている。
Y\7 70
~ より高速で駆動でき、読み出し雑音を  電子以下におさえつつ、素これらの素子は
77l }|Q´DzZG)_RB
子全体を 分以内に読み出すことが可能である A ピクセルレートは 。我々 S+JUZ
Y%z
開発グループは長波長側の感度を優先していたので、テストの結果 F
XtX の4|5UZ7をとして採用することとした。
Y%z

GO++MZ +UB |{N S^45などの À 線衛星にを供給するなどの実績
F
XtX は ~~ 、~A 、
4|5U7はハワイ大学に率いられた国際コンソーシアムにがある、米国の研究機関である。
Y%zがF
X¿X と契約し開発が行われたもので、市販されているわけではない。すばるはこのコ

2 #

図2 2

すばる主焦点カメラ A

E. 種の裏面照射

45

'

+!,PU§Bの量子効率 Aに用いられた^R7 7 ¹ 

B

45

で測定 。K@0

は典型的な表面照射

45

の値。

ンソーシアムに参加していたため入手が可能になった素子である。通常外部には出て行かな
い開発途中の素子の評価を担当することができるなど 、このコンソーシアムへの参加は我々にとってよい経験ともなった。
2 !
 
45
 "B表にのに関係する特性についてまとめた。変換係数 A K は - K
Nが発する F óC À 線を用いて実験室で計測したもので 、、他の値は望遠鏡に搭載された状態
G^ZO+ ^³O^MNa´ Q´ B
7S 
45
の値である。飽和電荷量 A
は直線性が 外れる点を示してある。
* [7 ¹^§_)S++QN0OPB
7はに冷却されており、この温度では暗電流 Aは典型的な積分時間 AÉ 
B[7B
分 の間は、完全に無視できるようになっている。また、読み出し雑音 A 約 電子 は、実験室で記録した . 電子に比べると高めの値になっているが 、これはクーラーやその電源に影響されているためと我々は考えている。しかしながら、通常の運用では空の明るさのポアソ
N 
ンノイズが支配的であるので、この読み出し雑音は問題にならない。実際、Þf 1
という非常に狭帯域のフィルターを用いたとしても、典型的な  分の積分を行えば 、ポアソン
7
ノイズは  電子程度に達する。
4|57は最初通常のシリコンウェハーの上に作られたが 、途中から抵抗率が少し高いò_)§B
A .
ウェハー上に作られるようになった。抵抗率が高いと、空乏層を厚くとること2 B 4|5U7
_)
ができ、長波長側の量子効率が改善する第 . 章参照 。
の場合、 .
のシリ207J5))Ü Q ´O^MNL45
コンで空乏層の厚さはと言われており、と呼ばれている。これ2 2
4|5UZ7
 UZ
が 、図中でが長波長側において感度が高い理由である。
は最遠

45
の銀河や遠方の 型超新星の発見を独占的してるが 、このような長波長側で高感度なを採用したことも、勝因のひとつにあげられる。
45
膜内での内部反射が減少し 、干渉フリンジ
また関連して、光の吸収量が増えるため、' +!,PU
という現象が抑えられるという効果もある。実際の画像でもこの効果は確か
められており、«sq バンド までは全くフリンジパターンが観測されない。²³­ バンド まで行くと7S# 多少のフリンジパターンが認められようになるが 、これは量にすると程度と極めて小さく、特別に用意したフリンジフレームを差し引くことをしなくても、ディザリングした画

6
@

2

第 章

45

像を複数重ね合わせると消えてしまう程度の大きさである。
' +!,PU
4|5UZ7[7
で採用したは 個のうち一つを除き全て高抵抗率のシリコン上で$& z ' 
£ の 層コーティングが施されている。
作られた素子であり、反射防止膜として、 £ 
Y4 z ´
残りの一つは通常ウェハーのものであり、 £  ~  £ による反射防止膜が施されている。全¼ての素子を高抵抗率のもので揃えたかったが 、コンソーシアムのための開発プロジェクトが終了してしまったため、入手できなくなった。

åe®


完全空乏型

°x2¯4xy

s

s

の開発

現在の素子の問題点と完全空乏型

±²±´³

の特徴

4|5U7
45
をはじめとする、現在広く天体観測で用いられている
は、最高
XtX の
R7 7J
近くに達するものの、その薄さのために赤外線領域で感度が急激に減少す
量子効率は
%
Y z
4|5U7 )QÜS) ´!QO^!M NÜ45
XtX のるという難点がある。Fのようなのように通常よりF

Y%z

高感度なものもあるが 、まだ改善の余地がある。空乏層の厚さは不純物濃度で決まるが 、中N
性子法と呼ばれる半導体素材技術の進展により、 型半導体であれば不純物濃度の極めて低
7 7 厚のウェハーを完全にい高抵抗のものができるようになってきた。これを用いれば 、.
[70
空乏層にすることができ、波長で以上の量子効率を得ることができるはずである。
45  ´´%á Q ´O^)C45BN
A
これを「完全空乏型」と呼ぶ。 型シリコンの場合、信号電荷（小B
数キャリアー はホールホールで、これは通常の素子の電子に比べて移動性が多少低い。こN45ô|SQ´DzZG)_のため、 型の完全空乏型
は Fを越えるような高速な駆動をすることはできないという欠点がある。しかしながら、天文用途では読み出しノイズを抑えるために通常
R7 7, }|Q´DzZG)_
数程度で駆動するので、この移動度の違いは大きな問題にはならない。
Z82 R7 77
7 7
また、素子の価格は 、およそ 万円から万円と非常に高価格である。これは
45
民生用の
に比べると生産数が多くとれないという理由もあるが 、裏面照射化の段階で
45
エッチングなどのな注意を要する工程が入ることにもよる。完全空乏型の場合、裏側から光を入射させても、入射面からすぐに空乏層が形成されているため、大幅な薄型化処理をする必要がない。このためエッチングの工程が省けるため、歩留まりが向上し 、ひいては$\%']Q* S+
7 7
価格の低下が期待できる。
のようにおよそ個という素子を入手しなけれ45ばならない場合、この「厚型」裏面照射の開発により、生産性を向上させることは極めて重要である。
°x2¯4xw

開発の進捗状況45

このような特徴を兼ね備える完全空乏型の開発に、我々は平成 . 年度より浜松ホトニクスと共同で取り組んできている。以下でこの開発の進捗について順を追って述べる A 表
2 # 2 B
、 . を参照のこと 。
表面照射 :;:=<

R7 Z2?`  6

 ピクセルのフォーマッ
まず最初に、素性のよく分かった浜松の標準品のマスク A
Z2=
7S[70B
6 R7_QCB
N
トでピクセルササイズ
用いて、抵抗率が中程度の A の 型半導体
E 1
45
2 
2 36
45
ウェハーの上にを試作した。図  にその外観図を、図にはの出力波形を示

2  
.

完全空乏型

5Q'!_)5
 ^
K .
 
K .

K @~
*¯
K
*
K 
*[2
K

2 "

45

@01

の開発

b|Y\
7 ¹
Þ¡¥@
7

- -- - 7
- -- - 7S
-- -017 - -@ 17S- - - - - 7S- - - - - 
UB45

|Y\
7 ¹
Þ ¥@
7S
-- - - - @7S
-- - - 7S
- - - @
7S6
-- - 7S- - - --0
7S
- - - --0~,) G]M NSG+çñ I¢ZQé


1
#

1
36


z

M G
çñé


.

6


- 

#6

K

´!´ )´´ßçÄQé
R7 V#77 7
7V#7 77
1
 7SV#77 7.
V#77 7
@
~ 
~ 



MO^QG

最初の動作可能素子 *
ZQK . と同じロット ß違いM_Q)G+G
改良
6ZN _*{ ³)
ß
へ移行
*¯
ZQ
Kと異なる ß
を採用
アンプ等さらなる最適化[70Z2?`  6

*

表の性能評価結果。KE 表面照射 AK
 ピクセル を除きフォーマットはZ2
b|Y\
|Y\
である。
、
はそれぞれ 、縦転送、横転送の電荷で、ピクセルの大きさは転送効率を意味する。 まだ精密な測定はしていないが 、浜松ホトニクスでの簡易計測では、
 7V#7 77程度は実現していることが分かっている。

した。光の量に応じて出力信号が変化していることが見てとれる。信号キャリアーがホール45なので、電荷がセンスノード に転送されたときに 、出力はプラス側になり、通常のと *V  U
反対になっていることが分かる。K .
K . と名付けられたこの最初のロットの素子の製
45
2 
作目的は 、基本的な動作確認であったが 、図 1 に示すように 、À 線画像まで取得することができた。これにより電荷転送効率やアンプノイズに大きな問題がないことが確認された。
R7 7V#7 77§程度あり、これは 
ピクセルに換算すると、面積比K . では飽和電荷量がR77 7 7 7`¢ Z28B 
207 7 774|5U7
で
¦
A 

¦
となり、
の半分であることが分かった。飽和電荷量が小さいと、積分時間を短く設定しなければならなくなり、積分を多数回に分割する必要がある。読み出し時間のオーバーヘッドが増えるため、観測効率が低下してしまう。この飽45
和電荷量の改善を目的に製作されたのが、K @~ である。浜松ホトニクスの標準的なは
相駆動である。 相駆動素子では、 相分の半分にイオン注入を行い、ポテンシャルがキャリアーに対して高くなるバリア相を形成する。イオン注入を行っていないほうを蓄積層と呼ぶ。飽和電荷量はこの蓄積相とバリア相のポテンシャルの差で決まるが 、イオン注入の条件
 7SV37 7 7
を複数試み、最適な条件を探した。この結果 K @~ では飽和電荷量を .
程度まで取る
7SV#77 7
ことができるようになった。これであれば 、最終デザインの 
角ピクセルでも |Y\程度が期待でき、目標を達成することができた。一方で K @~ はが縦転送、横転送とも
7S
に - - - - 以下という低い結果になり、この時点で将来に課題を残した。
¹ë±íl

ウェハーへの移行

2ô!N _*{

6Ü!N _*{

一方、この時期浜松ホトニクスでは従来のプロセスから
プロセスへ移行し2JN _*{
Z82 
つつあった。
の場合、一枚のウェハーに素子は 個しか載らず製造効率が低い。
[7 7
6J!N _*{個以上の単位の製造を目指すわけであるから、プロセスへの
我々は将来的には数移行は歓迎すべきことであった。しかしながら、ウェハーのサイズを変更するということは、
半導体製造装置をほぼそっくり入れ替えることを意味し 、プロセスの条件出しの一部をもう2S
一度やり直さなければならないため、仕事量は当初予定よりかなり増えてしまった。図 @

2

@ @

第 章

図

2 

E 表面照射完全空乏型

45

45

の試作品

6 N _*{
J
ウェハーにプロセスしたテスト素子を示した。
6C!N _*{
プロセスの最初の素子では安全をみて、抵抗率を落ちるが A したがって、空乏層のB
厚みは薄くなるが 、純度が高く、欠陥が少ないことが期待されるウェハー A ここでは少欠陥
B
2 #
*R
ウェハーと呼ぶ を採用した。この素子は Kと名付けられたが 、表に示したとおり、
|Y\
アンプノイズ等は問題ないレベルであったが 、肝心のは K @~ 程度の値に留まった A 図
2  0B
B- 。プロセス条件 A 主にイオン注入条件 を何種類か試してみたが、改善は見られなかった。

に

この時点で手詰まりになってしまったのだが、やれることはすべてやってみようと決め、少欠B* B
陥ウェハーより多少多くの欠陥が予想される A が抵抗率は高い ウエハーを使ってみた AK 。
2  /B
|Y\
7S
結果は図 - A に示したように、は著しく改善し 、垂直水平とも仕様値の -- - - -0 以
上を得ることができた。問題の少欠陥ウェハーであるが 、通常の 型半導体の製造では、浜N
|Y\
松ホトニクスにの経験によれば優れた特性を示していたとのことである。 型ではなぜ*が劣化したのかは現時点ではよく分かっていない。なお、K に採用した抵抗率が高いウェ|Y\ハーに関しては、 社のものを同時に試してみたが 、ど ちらもは問題がないことが分かり、これにより安定性が確認された。
 I
でのエネルギー分
その後アンプデザインなどいくつかの最適化が進み、現段階で  I
*[22 ![70B
45
解能が .01という数字が得られている A±K
図。完全空乏型は À 線検出器と
45
しても十分な性能を有していることが証明できた。こうして、素子の製造に関しては、
ウェハーとプロセスラインの条件出しを完了することができた。
空乏層厚の測定
空乏層の厚さは量子効率とモデルを比較して、計算で推定することができる。しかしこの方法は、不感層での光吸収量の不定性があり、あまり精度良い推定方法ではない。一方、硬À 線領域では不感層での吸収がほとんど 無視できるため、硬 À 線の検出効率を利用した方が

2  
.

完全空乏型

2 #6

図

E 完全空乏型

5Q'!_)5
6
»


» *
»

45

@ -

の開発

45

 |Y\
7 ¹
Þ ¥@
7S

-- - 7S-- - -

R7のアンプ出力 A プリアンプで

|Y\
7 ¹
Þ¡¥@
7S

- - - 7S- - - ~

Q G+(M N G+çÄ I¢Zé


#7
z



倍に増幅されたものを見ている。

M !G+
çÄQé
¯
K

.

´!´ )´!´ßçÄQé
207SV37 7 7207SV37 7 7

2 

UB45

表 .E 裏面照射 A»の性能評価結果。フォーマットは Z2  ルの大きさは
である。

R `


¯

5+ *[7 7 ¹^4B
Açñ[¢Z{ ^¢Z }|'é
#
.
37




B

MO+

暗電流抑制成功
短波長感度改善
計測中

ピクセルで、ピクセ

45

開発のパートナーである京都大学理学部物理学教
測定精度が向上する。そこで、この| QIB
室において、 線源 Aを用いた計測が行われた。比例計数管で À 線源の絶対強度
7 7Z
を計測し 、この校正された À 線を、ウェハーの抵抗率から空乏層厚が .
以上が期待さ45
 '!ZQI
7J
れるに照射し 、À 線イベントの個数を数えた。
の検出効率はを越え、確7 7Z
かに空乏層は .
以上あることが確認された。
裏面照射 :;:=<
ここまでは、電荷転送効率等素子の基本的な特性向上の過程について記述してきたが 、こ45
れは工程数が少ない表面照射を用いて行われてきた。この開発と平行して量子効率の45の開発も進めてきた。
向上を図るための裏面照射
裏面照射にするための工程は、入射面（ 裏面）を平滑化するための機械的なポリッシュから始まる。次に、逆バイアスをかけるための電極外部電極とのオーミックコンタクトを取る
N/
ために不純物濃度の高い層をイオン注入により形成し 、さらに酸化膜を形成する。こ

-

7

2

第 章

(a)

45

(b)
Mn Kα
189e

2 

図 1E 最初の試作品である K
B
取得

 U 
 B
/B  7 ¹ . の À 線画像 A とそのエネルギースペクトル A
A @での酸化膜は受光面保護に加えて、反射防止幕の役割も果たす。
¯ ` ¯
裏面照射のテスト素子は組み立て工程の都合で 
フォーマットでピクセルササイズ
Z2f
2  ¯B
45 *
角のマスクを使用した A 図。最初に K .
と等価なウェハーとプロセスで45を製作し 、この裏面照射工程を施した。この素子はとしての基本動作は確認でき、常{ MO+M !MS,M' 
2 !R
É 5^温においてで量子効率を計測してみると、図
の» K
で示したよ
7S2 7S 
7j
うな結果を得ることができた。 
から -0
までの幅広い領域で 、@
以上の感

7
度を有していることが分かった。また、我々の狙い通り波長でも大きく改善し 、約 1
2 ¯
45

の量子効率が達成できた。なお図には、比較のため従来型と完全空乏型表面照45射の量子効率も示してある。
しかしながら、この最初の素子の暗電流は表面照射素子よりも極端に高いことが判明した
2 
0B+B
A 図 .lA 。各工程ごとに暗電流のパターンを調べたところ、ポリッシュの段階で筋上に暗電流の高い領域がすでに発生していることが分かった。次の工程ででこの領域が拡大し 、暗電流が高い領域が全面に及んでしまっているようである。ポリッシュ後にエッチングを施してみたが 、暗電流を減少させる効果は見られなかった。
暗電流の増加は、ポリッシュ工程でデバイス活性領域が重金属に汚染されたことに起因していると我々は推定した。この重金属を除去するためには、シリコンウエハ内部に故意に欠陥層（ゲッタリング層）を形成することで 、これらの重金属を吸い寄せてやる必要がある。
これによりデバイス活性領域をクリーンにすることができるはずである。ゲッタリング層形
成方法を数種の方法を試し 、我々は光入射面に歪を発生させる方法を選んだ。この工程を施
É62  B.A に示したように、ほぼ問題のないレベル
したテスト素子 »を試作したところ、図2S!¯
É 5U
まで暗電流を下げることができた。この素子の量子効率は図の» Kとして示した。
É 5*» Kに比べると波長全域に渡って低くなっているが 、これはゲッタリング層が不感層であるため、そこで光が吸収されてしまったからである。
É 5*次に我々は、» Kの量子効率に近づけるために、ゲッタリング層形成のプロセス条件の検討を行った。ゲッタリング層があまり薄すぎると、ゲッタリング効果が十分でなくなっ2  
.

完全空乏型

図

2 

@SE

45

6;N _*{-の開発

ウェハーにプロセスしたテスト素子 AÉR `¯;Z2 

ピクセル

2 [2

 

BÉ6¯Uてしまうため、最適化が必要であった。いくつかの試作品を経て、図に » - 、»
2 ¯
É 5^と示した量子効率程度までは改善した。この短波長側の量子効率は、図
の» K
A 暗電
B
ÉUY\545B
流が高いサンプル の量子効率には及ばないものの、ほぼ »A 従来型の裏面照射程度の数字までは届いており、十分満足のいく結果を得ることができた。
°x2¯4x2¯

今後の

±²±´³

開発スケジュール
N

45

ここまで述べたとおり、我々は高い抵抗率を有する 型ウェハーを用いたの製造プ
ロセスと、その裏面照射化のプロセスの開発を完了することができた。次はこれらの技術を
Z82 7 7
77 6
 年度に開発を進め、利用して、素子の開発に進む予定である。
年の春までにR7 
Y%z
個の素子をそろえ、のF
XtX の素子を置き換えることを当面の目標にしている。これまでのテスト素子に比べて格段に大きくなるが 、浜松ホトニクスには従来プロ
Z82 セスでの素子の製造経験があるため、大型化で深刻な問題は発生しないと考えている。
Z82 45$&%'()^ 
なお、を搭載するパッケージについて、での採用を考えて、多数の
2JG+S SOOC ´!
$\%']Q* S+
45
素子が配置できるようににする予定でいる。
のパッケー
#2
ジデザインについては、第 .
章で議論した。

-



2

第 章

(a)

2 

0B

*¯

45

(b)

|Y\

K
図 -SE À 線画像 A
ではが低いため、À 線イベントが上側に流れている。出力ア
ンプに近い部分を拡大しているためシリアル（ 横）方向の転送不良はあまり見えていない。
B *A K  で転送不良が改善した。

MnKα
137 eV

2 R7

EK

*)2



ZQI

N

の À 線エネルギースペクトル。 の F ó6 のエネルギー分解能は .01
QI
36JRB
^R7 7 ¹+
で、ほぼ読み出しのノイズ AÉ
で決まっている。測定は
で行った。

図

2  
.

完全空乏型

45

- .

の開発

図

2 

E 裏面照射完全空乏型

45

の試作品

BI-FD-1

BI-FD-2(BI-6)

BI-STD
FI-FD

FI-STD2 ¯

45

ÉY\5ÉUY\5E 各種
E 従来型表面照射、»E 従来型裏面照図の量子効率を示した。K
É 5
É 5
É 5^射、K K E 完全空乏型表面照射、» K E 完全空乏型裏面照射。ただし 、» K
は暗電流が
É 5
非常に高く、ゲッタリング層を形成して対策を施した » K
では暗電流は低く抑えられたÉY\5
ÉU'Y\5、»
は、ともに浜松ホトニクスの市が量子効率も落ち込んでしまった。なお、K販品である。

-

2

2

第 章

(a)
2 

0B

45

45

(b)
7 ¹ 

B

R7

.SE\A 対策を施す前の裏面照射
図の暗電流画像 A
で測定 。通常の 倍以上高Bく、図は暗電流によりピクセルが飽和してあふれている様子を示している。 A 裏面にゲッ 7 ¹ 4B
タリング層を形成した素子の暗電流画像 A .
。やや暗電流が高い傷のようなものが残る
&R7 7 ¹ 
が、まで冷却すると消えるため問題ない。

BI6-2

BI9-2
BI9-1

2 [2

45

E 完全空乏型裏面照射
図の量子効率。ゲッタリング層の最適化を行い、暗電流を抑えながら短波長側の感度を改善する条件を探した。

-0

第 章


}

}

~

用エレクト ロニクス

45

天体観測用のモザイクの読み出し回路には、多チャンネル、極低雑音等、民生品にない要求仕様があるため、市販されているユニットを組み合わせて構成することは一般に困難である。この特殊用途に対応するために、世界のいくつかの天文台、研究機関において、読#B
み出しエレクトロニクスが開発されている A 第 . 章参照 。ところが 、生産台数がそれほど 多くないため、一般の電気製品のような安定性、信頼性の確保が難しいのが現状である。
このため読み出しエレクトロニクスのトラブルにより、観測が中断するという事態はどこの
望遠鏡でもそれほどめずらしくない。ところが 、すばるのような @級の望遠鏡では一晩のR7 77運用コストは万円に近く、観測の中断よるインパクトは極めて大きい。安定性、信頼性を確保するには、自前でエレクトロニクスの開発を行い、すみずみまでその特性を理解しておく必要がある。そうしておけば 、万が一トラブルが起こったとしても、すばやく対応で
きるし 、またそのトラブルから学びエレクトロニクスの改良をしていくことが可能となる。
45
こうした考え方に基づき、国立天文台では、名古屋大学、東京大学と共同で、をはじめとする検出器の読み出しエレクトロニクス開発に、精力的に取り組んできた。これらのエレクトロニクスは、国内の木曽観測所、岡山観測所を始めさまざまな天文台で使われており、また、すばる望遠鏡においてもすべての可視光観測装置でこの独自開発のエレクトロニ
クスが実際に運用されている。
本章ではまず天体観測用読み出しエレクトロニクスの構成を概説し 、次に国立天文台を中
QG+GHSV
M N0O
FLK
心に開発されたエレクトロニクス Fについて述べる。そして最後に、これら$\%()^ 
45の開発経験をもとに、のための読み出し回路を検討した。

feRg


検出器読み出しエレクト ロニクス

45

45

は電荷転送を行うための決められたクロックをに送ることで電荷の量に比例す
るアナログ信号が出力される。この信号をデジタイズしてコンピューターに取り込むことで画像を得ることができる。読み出し回路は主に、デジタル部、とアナログ部に大別される。
¸xybxy

デジタル部

デジタル部は、クロック発生回路、フレームメモリ制御回路よりなる。
クロック発生回路

45



R7

電荷転送をするためには、の駆動方式（ 主には 相駆動か . 相駆動か ）によるが本程度のクロック信号を送らなければならない。この節ではクロック波形をどのような回路で作成するかを示すが 、特にデジタルとしての波形をどのように発生させるか、つまり「 」

-

6
7

第 章

45

用エレクトロニクス

と「 」の 値の組み合わせを時系列で発生させるためにど のような回路を用いるかについ
て述べる。
45
を駆動するためのクロックは一般にいくつかの決まった短いパターンの繰り返しの組み合わせとなる。そのためメモリに蓄えられた短いパターンをプロセッサーによって指定した順番に組み合わせたり繰り返させたりする仕組みを採用している。
メモリは不揮発性の z4£F を使う場合や、電源を切ってしまうと消えてしまうが 、アクセ
ス速度が速い z&~F を使用する場合がある。地上用観測装置の場合は、別途ホスト計算機が装置全体を制御するので、スイッチ投入後にホスト計算機からパターンメモリをダウンロー
ド することができるので、より細かく柔軟にクロックパターンを出力させられる z\~F を使う場合が多い。
ÚÐ
短いパターンの組み合わせを行うプロセッサーには 、一般的なを使う場合や、シグ
5S 
ナル処理用のを使う場合、K~ を使う場合がある。検出器の駆動速度やパターンのÚÐ
複雑さ、種類の多さ、また許容されるハード ウェアのサイズによって構成を選択する。
5S
は細かいクロックパターンを出力するためには動作周波数が足りない。
は z\~F アクセスやループを 動作で処理することができることが普通で、クロックを出すために必要な処理速度を持っている。K  ~ を使う場合は、回路規模を小さくしたい場合、より高速な動作を要求する場合に都合がよい。
フレームメモリ制御回路
フレームメモリとは得られた画像データを一時保存するためのメモリをいう。画像データは一般に非常に大きく、ホストコンピューターでの処理が追いつかないため一時保存してお5
くための領域が必要となる。フレームメモリ制御回路は ~変換器から取り込んだデータを
5
5z\~F に保存すること、そして z&~F に保存された画像データをホストコンピューターに転送する機能が必要となる。また可視光から近赤外までの観測装置では必要とはならないが 、赤外線の検出器を使用する場合は複数の画像を足したり引いたりするリアルタイム演算機能
を、ここに載せる場合がある。
U
フレームメモリ回路の構成は、民生品用に開発された ~を用いる方法、K  ~ で独自
5S
の回路を構成する方法、を用いる方法などがある。必要なデータ転送速度やリアルタイ
ム演算の必要性などが回路構成を決める際の条件となる。
データ転送方式
フレームメモリからホストコンピューターへのデータ転送方式にはいくつかの物理媒体が8 28 8 2ある。最も簡便な方式は zやz@0 に代表される差動信号を用いた方法である。このR7 R7 7=
[7
7
 G
方式は回路がシンプルで、かつ数 程度の距離を . F
で転送することができる。また、光ファイバーを用いた方式もあるが 、これはデータをシリアルに変換して 対の光ファイバーを用いてデータを送受信する。この方式は転送元と転送先の電気的に分離されるため、ノイズコントロールが容易になるというメリットがある。また転送速度も最近で[7   G
は最大程度まで高速化している。
その時点で最も高速な物理媒体を使い、データ転送時のプロトコルは独自に決めるというやりかたが 、以前は多く採用されていた。高速なデータ転送を実現する汎用品がなかったからである。しかしながら、最近では汎用のイーサネットを用いる場合も多い。イーサネット



 

-01

検出器読み出しエレクトロニクス

は一般用コンピューターの周辺装置として市販品が多く、価格も安いからである。また技術[7 S Gのハード ウェアが市販品としてそれほど 高くない価格で入手可の進歩も早く、今や 能である。
¸xybxw

アナログ部

アナログ部はクロックド ライバー、プリアンプ、サンプリング回路、~5

から構成される。

クロックド ライバー

45

45

7

クロックド ライバーはにクロックを送る回路を指す。
の駆動クロックは との 値からなる信号であるが 、波形は台形に近い整った形としなければいけない。クロック
7波形の生成は と の電圧レベルをアナログスイッチで切り換え、抵抗とコンデンサーで台形に近い形にする。その後、オペアンプでバッファする場合（アクティブド ライブ ）とバッ
45
ファを通さずに直接に接続する（パッシブド ライブ ）方法がある。
プリアンプ

45

45

から出力される信号出力を、近傍で増幅するアナログ回路である。
プリアンプは
45
7³I
の出力は
前後と一般のオペアンプの動作電圧範囲を超えるのでプリアンプへの入
力はコンデンサーを介して接続する ~カップリングを用いる。一般的な ~カップリングでは抵抗 z とコンデンサー を用いるので、z と で決まる時定数で信号がなまってしまう。そこで読み出し速度と精度を両立するため z を無限大とする。実際にはプリアンプの入力電圧はコンデンサー自身や配線の漏れ電流とオペアンプ入力部のバイアス電流のため徐々
にド リフトしてしまうため、定期的に のリセットを行う仕組みを採用している。またプリY
アンプ用オペアンプはバイアス電流の少ない K
入力の物を採用している。プリアンプでR7
45は . 倍から 倍の増幅を行う。通常はのできるだけ近傍にプリアンプを設置し増幅した後、少し離れたサンプリング回路に送る。
相関  重サンプリング回路（ :=< ）

45



5

の信号出力はプ リアンプで増幅された後、相関 重サンプリング回路（
）を通
5
5
して ~
変換器でデジタルデータに変換される。
は検出器信号出力部のリセットノイズ
5を除去する役割がある。回路構成としてはリセットレベルと信号レベルの 回を ~変換した後、デジタルで引き算を行う方法、サンプルホールド 回路を用いてアナログ信号として引き算を行う方法がある。またアナログ演算の方法にはサンプルホールド 回路でリセットレベ
ルをホールドし 、信号レベルとの差をオペアンプによるアナログ演算回路によって行う方法
や、オペアンプとコンデンサーを用いた積分回路を用いた演算を行う方法がある。地上用観測装置でよく用いられている方法は最後に述べた方法で、アナログ信号の状態で演算し演算!
。
回路にオペアンプとコンデンサーを用いた積分回路を用いる方法である（ 図  ）

- @

第 章

45

用エレクトロニクス

VDD
7

3

CCD OUTPUT
500PF/POLY

CDSBIAS[0..1]

2

CDSCTL[0..2]

CDSCTL[0..2]

CDSBIAS0 R?
2K
R?

CDSCTL116
14

2K
5

1
4

R?
10K

CDSBIAS[0..1]
U?
OPA627
6

P?

U?B
IN2
S2 D2
DG611

15

7

U?A
DCR
VSS

3
R?
R?
500

6 CDS_OUT
VDD

R2

1K

2

U?
OPA62763R?

2CDSCTL216
14

2K

U?B
IN2
S2 D2

OPA627

15
S8

DG611

5

1
4

2K

CDSBIAS1 R?
2K
R?

5

DG611
Logic SW
0 OFF
1 ON

U26

VSS
2
13
12 VDD
VCC

1
4

IN1
S1 D1
V- V+
GNDVL

7

R?
200

1
3
4
5

R10
50

1000PF/POLYU?BVSSCDSCTL0

R?

16
14

IN2
S2 D2
DG611

15

2K

図

!

E 積分式

5

回路簡略回路図

アナログ・デジタル変換器（ ðf<L: ）5

によってデジタルデータに変アナログ信号はプ リアンプ、相関 重積分回路を経て ~R6 !O換される。現在、地上用観測装置ではのデジタルデータに変換している。数年前まで
5
R77Sb SZ, ´!R¢ZG)_[B
は チップに収まったモノリシック ~はまでしか製品が存在しな
A
7 7Sb
かった。実際すば る望遠鏡の 期装置で利用されたのはハイブ リッド タイプの の5であった。ハイブリッド タイプはサイズが大きく消費電力も大きいうえ、高価であっ~5た。しかし最近になって高性能なモノリシック ~が利用可能になり、多チャンネルを小型に納めることが非常に容易になってきた。
直流電源
検出器を高精度に制御するためには低ノイズな直流電源が必要である。これまでは変圧トランスとリニアレギュレーターを使った電源ユニットを用いていた。重さ、サイズ、消費電力を考えると、市販のスイッチング電源を利用を考えた方がよい。
複数の素子の読み出し 方式について

45

モザイク
カメラのような複数の同じ検出器を駆動するためには、それらの検出器をどのように接続するかという構成が 、回路を考える上で重要になる。最も基本的にはそれぞれの検出器を独立に駆動することである（ 以下、独立駆動と呼ぶ）。この場合は検出器駆動に必要なエレクトロニクスが検出器の数だけ必要になる。同じ検出器を駆動するためには重複する部分まで複数用意することになり、装置全体が大きくなってしまう。その一方で、互いの検出器の干渉が少なく、検出器が つの場合と同様な性能を得やすいというメリットがある。
独立駆動とは別の構成として、複数の検出器を順番に つずつ読み出す方式がある（シーケンシャル駆動）。検出器と読み出し回路の接続はアナログマルチプレクサを使い順番に切り替えることにより、読み出し回路と接続する検出器は常に つの状態で全ての検出器を順番に読み出していくのである。この方式は読み出し回路は 個分で済むが、読み出し時間が
"
z
45
検出器の数だけ要することになる。図  は国立天文台 東京大学モザイク
カメラの駆動方法を示す図である。検出器を切り替えるアナログスイッチをクライオスタット内の冷却#


すばる標準読み出し回路 E"FQG+GHJI+M N0O*

と FLK

- -

部におくことにより、線数を減らすとともに冷却部への熱の流入を減らしている。

図

"

E シーケンシャル駆動

A')8W S_*{ tQO´É|

- -

J
~

SbB

. つ目の方法は複数の検出器を同時に読み出すが 、読み出し回路は検出器の個数よりも少なくして読み出す方法（ 並列駆動）である。検出器と読み出し回路の接続は可能な限り並列に接続することによって実現する。こうすることにより、全ての回路を検出器の数だけ用意する必要はなくなる。シーケンシャル駆動、並列駆動では同じ線に複数の検出器がつながることになるので、お互いの検出器が悪影響を与えてしまうこともありえ、この点に配慮しながら回路設計を行わなければならない。

fePd

すばる標準読み出し 回路 w

¸xwxyF)G+GH=I

デジタル部 qC¶n)uとm-;|d¢¡7£

S +!,PU

（図  . ）はの観測効率を改善することを主な目的として開発され2 ' +!,PU
QG+GHI
前後であったの観測効率は Fに置きかえたことによた。それまで 77=)GG+H
り @ を実現した。現在ではすばる望遠鏡の全ての可視光装置で、デジタル部は F
Iに置き換えられた。
)G+GHJI
4

F
はクロック発生ブロック（ » ）、画像取得ブロック（ K  » ）の ブロックから
5S|M ,M N
pNsN)N NSá
F構成されている。市販のボード に独自開発の F
（
）を載
5S
| 6;ÚÐせて用いる。この
ボード は @を採用したコンピューターと共に用い、オペレー
!N8|
5S
ティングシステムには Xを採用した。高速なリアルタイム制御を可能にするを使用することにより、オペレーティングシステムにリアルタイム性能は必要としない。インター!N8|
ネットを通してもっとも容易に情報を得ることができる Xを用いることで、プログラム
開発やコンピューターのメンテナンスなどが非常にやりやすくなっている。さらに、市販のデバイスド ライバを用いることにより、オペレーティングシステムのバージョン間の互換性
N8|
ではバージョンが変わるごとにデバイスド ライバの使用が変わるこを維持している。Xとが珍しくないが 、市販デバイスド ライバがこの違いを吸収することにより、独自開発部分

R7 7

第 章

45

用エレクトロニクスに変更を加える必要はない。
)G+GHI
R6 7 7 7¢ZG)_
では 台のコンピューターでの画像データを処理することがで
F

FL»
5S
b|
きる。これはボード のインターフェースの転送速度に依存している。通常は取得
5S
QG+GHJI
した画像データは
ボード 上のフレームメモリに一時保存した後、Fコンピュー
ターのメインメモリあるいは、ネットワーク接続された別のホストコンピューターへ転送する。このホストコンピューターとの接続は広く使われているイーサーネットを用いるが 、現
 G
[7
 G
在では 
の転送速度が安価に利用できるだけでなく、 も市販品が入手可能になりつつある。画像データは、最終的には観測室のホストコンピューターに接続された大容量ストレージシステムに保存することになる。



図  .SE 国立天文台ハワイ観測所で開発された検出器読み出し回路のデジタル部 F

QG+G+;I



#

すばる標準読み出し回路 E"F¸xwxw

アナログ部 
M N0OPQG+GHJI¤8¥§¦©¨«ª

と FLK

R7S

w
207

2

+M N0O*' ]Q*S +!,

45（ 図  ）は読み出し口を合計 個備えるを制御するこº の$&%'()^ 
の読み出し回路のプロトタイプという位とを主な目的として開発した。また$&%'()^ 
+M N0O*
置づけでもある。
では基本回路は FLKを踏襲し 、さらに小型軽量化をすすめる予定でいる。
M N0OPFôK
では 、すば る望遠鏡観測装置のこれまでの読み出し 回路とは異なり、処理可能45
な読み出し口数の制限をなくし 、許容されるデータ転送レートの範囲で多くのを読み出すよう柔軟に構成を考えることができる。また低ノイズと高速読み出しを両立できるよb³IZ |2 L45
5
うプリアンプ、相関 重サンプ リング回路や ~変換器を見直した。
社の452 2Z （@ ）を用いた読み出し試験では 出力を使用し 、読み出し時間  秒でノイズは . 
、読み出し時間  秒でノイズ  を実現している。
45
また、完全空乏型を追加回路なしで駆動できるよう、出力アンプのドレ インバイア
 7³I
7³I
ス用に .
までの負の高電圧、バックバイアスのための正の高電圧を まで発生させる
I5b5
ことができる。これらの高電圧は  を使ってオンボード のコンバーターから発生させることができる。

FôK

2

図

E 国立天文台ハワイ観測所で開発された検出器読み出し回路のアナログ部 FLK½¬®­ Á¯ÎÉÊ#Ó|ÌUË°¯ ÇÓ
乏型

¯±¯³²

¯±¯³²

¯±¯³²

+M N0O*

のを、浜松の完全空乏型に置き換えたものをこう仮称している。浜松の完全空¬®­ ÁÌUÎ ¬®­ Á¯ÎÉÊ#Ó|Ì
は ´ 素子あたり µ 出力となるため、全体で µp¶ 出力になる。

R70

第 章

¸xwx2¯

45

用エレクトロニクス

世界の検出器読みだし 回路の現状
45

S5·Ð

世界で天文観測用に用いられている読み出し回路はサンディエゴ 州立大学の
|M N0O^M ´´!) 
I Y
45

、 £
X の
用標準システムとして用いられている K
z\~ と呼ばれるシステムが代表的である。また最近では £\~&£ による FL£ ££ が今後の £&~&£ の標準システムとなるべく開発が続けられている。以下でそれぞれのシステムについてその特徴を簡単にまとめる。

<¸·M ()UO [_*{GO^MZ: ¹(í]ï¼»½¹V¾z¾î¿» 米サンディエゴ 州立大学の zºXらによって開発され 、~N M,!_[´ )G+)+_*{ô)+G)VN _
社から市販品として購入することができる。世界で最z45S5·Ð |M N0O^M ´´!)も多くの台数が稼働している
コントローラーと思われる。
は最高性能を追求するのではなくコストと性能のバランスをとっているという点に特徴がR7
ある。これは、以下のクラスの望遠鏡プロジェクトや天文台主導で開発された読み出しシステムとは異なる点である。例えば 、最も新しいシステムでも、データ転送
%8O^R¢³G
Z82 45
R7が最高であり、の場合 個程度までしか対応することが速度は =Fô»
できない。

I Y
45
z\~ は X の標準
読み出しシステムとして開発された。 - -0 年こ SGz&~ は ろから開発が開始され 、当時の最高性能を追求している。KのファイÀ

lÁÃÂÅÄ

À8Æ

ð

K



バーリンクによってデータ転送を行う。またホストコンピューターにはリアルタイム
I%|
M 'G}£ であるを用いている。しかし 、その後は小規模な改良にとど まり新たなシステムが開発はされていないようである。すばる望遠鏡のファーストライト時に用QG+GH;++B
いられていた F
A 以下を参照 と性能的には似たものとなっている。
Ç=ð;ÁÃÈDÁ
77S
Á

Ç

R7

Ç

この読み出しシステムはクラス望遠鏡の立ち上げが一息ついた45

年前後から開発が始められた。可視光
のみではなく、赤外線 次元検出器を制御することも念頭に置かれている。特徴は観測室と焦点の間を市販ボード を使用したファイバーリンクを使い、観測室に設置した市販コンピューター上のリアルタイム £ で赤外線検出器制御に必要な演算を行わせるところにある。
lÁ;Á

7

国立天文台を中心として、 - - 年初頭から開発が続けられてきた読み出しシステムのデジ)GG+H)GG+HJQG+G+
¢タル部 Fと呼ばれる。FとFはそれぞれ国立天文台 東京大学が開発し45)G+GH++)GG+H I
たモザイク
カメラ 号機、 号機を契機に開発が勧められた。F、Fは
#!
)GG+HI
すばる望遠鏡に搭載することを念頭に開発され 、第 で述べた Fまで進化した。
+M N0O
アナログ部はすばる用に - - @ 年に FLKとしてシステム化されて、すば るで使われ 、第##M N0OP
に述べた FLKに発展した。
)G+GHz+M N0O
F
FLK
システムはすばる望遠鏡以外でも、日本の天文観測コミュニティーで広く)G+GHjIz
M N0OJ
FLK
使われており、事実上の標準システムになっている。最新の Fの世代では、他の世界の他のシステムに比べて、多チャンネル読み出し 、低雑音、読み出し速度、コ
ンパクトさ、読み出し構成の柔軟さなど 、どの点を見てもひけをとらないシステムになっている。

 Ø$\%']Q* S+ .
エレクトロニクスの検討fe®
¸x2¯4xyÙÛÚÜkaqm\hjilklmon[p

q

R7
.

エレクト ロニクスの検討

要求仕様$\%']Q* S+

45

45á

で採用が予定されている浜松ホトニクス社製完全空乏型
は、個2あたりの読み出し 口は 個で画素数は @ F ピ クセルであり、想定している読み出し 速度はR7 7Z'S}|)´H¢ZG+Q_[7 7Ü }|)´H¢ZG+Q_
R6 !Oである。そこで 、 読み出し口当たり
でデータとして取$\%()^ 
$\%']Q* S+
得することを前提にの読み出しシステムの提案を行う。なお、
V R6
%8O+
7
FL»
全体では 画像は @のサイズになり、これを秒で読み出すことになるので総[207S
%'O+R¢ZG)_
データレートはになる。
@0FL»¸x2¯4xw

読み出し 回路の構成$\%']Q* S+
2
45
6
6
45
は 読み出し口のを 1 個使用する計画である。この 1 個の
2
2 2
45

を グループに分けて駆動する。 グループは個ので構成され 、読み出し口は .
)GG+HI個である。画像データサイズが非常に大きいのがホストコンピューター、F
をそれぞ

R6 7
%8O^ z³G+)_)GG+;IFô»
れ 台とする（ 図   ）
。Fで処理可能なデータ量は 台あたりおよそ
7 7 0%8O^ zZG+Q_
であるので、 台用いることで、.
以上のデータを処理することができることにFなり、十分に要求を満たすことができる。
¶O^{ Q+N O
焦点から観測制御室までの画像データ転送は専用のを用いる。現在もっとも一般¯7
0%8O^[¢ZG+Q_  G
的なの光ファイバを用いた場合は最大程度の転送速度しか達成できF)GG+HáI
ないため、Fのデータ処理速度よりもこのネットワーク速度がボトルネックとなる。
[7  S G4¶O^{ Q+N Oも利用可能となってきているので、数年後にはこのネックは
しかし徐々に解消されるだろう。
5
67=,¹`o207=
M N0OP5
FôK
では チャンネルの、~周辺回路をに収めたモジュール
36を開発した（ 図  ）。今後、ブラインドビアと @ 層基板を用いて同じサイズに チャンネル
6 7= ` 2 7=, `7=
2を収める予定である。さらに 段に重ねることによりの体積にÐ
[7 7J, ` R6 7J
[6チャンネルが収められる。これにより . ユーロサイズ（）に チャン
5
5
R6
Ð
ネルの
、~
周辺回路を収められる。この チャンネル . ユーロサイズ基板を用い
2 2
45
ると、 グループ
個のは 枚で制御可能である。
$&%'()*' +!,
こうしてみたように、デジタル部  アナログ部ともに、の読み出しエレクト
ロニクスは、現在我々が有する技術の延長で十分対応が可能であると考えている。

R72

第 章



図  E$&%'()^

45

読み出し回路の構成

用エレクトロニクス Ø$\%']Q* S+ .
エレクトロニクスの検討

図

36

EbFLK

M N0OP

FLK


~

R7

5

[_*{

モジュール