近赤外線面分光ユニット
SWIMS-IFU:光学素子の完成と実験室での組み上げ, 性能評価
可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2021
櫛引洸佑 (東京大学),共同研究者
本原顕太郎(国立天文台,東京大学), 尾崎忍夫(国立天文台),山形豊(理化学研究所), 細畠拓也(理化学研究所), 竹田真宏(理化学研究所),森田晋也(東京電機大学), 大竹豊(東京大学), 都築俊宏(国立天文台),
高橋英則(東京大学), 小西真広(東京大学), 小山舜平(東京大学),加藤夏子(東京大学), 陳諾(東京大学), 穂満星冴(東京大学)

面分光⚫ 二次元の空間情報を保持したまま、視野全体を一度に分光する観測手法

Original Image by
ESA/Hubble & NASA,A Filippenko

3次元データキューブ

像の分割と並べ直し

λY

分光

再構築

X

面分光の手法⚫ 主に三つの手法

Bacon+1995

SDSS/MaNGA Webpageより

SWIMS-IFU イメージスライサー

Allington-Smith & Content 1998 (一部修正)

近赤外線での面分光
近赤外線観測の必要性⚫ ダスト減光の影響を可視光より受けにくい⚫ 高赤方偏移天体の静止系紫外-可視光の観測
近赤外線面分光の課題⚫ 観測視野が狭い AOを用いた高空間分解能観測は既存装置や将来装置で実現されている
VLT/SINFONI
8’’
8’’
NGC3110 (z~0.017)
Pan-STARRS, y-band image⚫ 観測波長帯域がバンドごとで狭い→ 広い範囲を効率的に観測することには不向き→ 広視野を広波長帯域で効率的に観測するIFUをSWIMSに開発

SWIMS(Simultaneous-color Wide-field Infrared Multi-object Spectrograph)⚫ TAO6.5m望遠鏡用第一期観測装置⚫ 近赤外線 撮像&分光⚫ 0.9-1.45, 1.45-2.5μm二色同時観測⚫ Φ9.6’の広視野撮像⚫ ~30天体のスリット多天体分光⚫ 2021A期より国立天文台すばる望遠鏡でPI装置として共同運用

広波長帯域のSWIMSに広視野IFUを製作⚫ SWIMSの光学系には変更を加えない⚫ 多天体分光マスクと同様にMOSUで焦点面に挿入する

4(2) 2Kx2K detector
for 0.9-1.45µm→ 面分光モードへとスムーズに切り替え、効率よく空間的に広がった天体の面分光
4(2) 2Kx2K detector
for 1.45-2.5µm

SWIMS-IFU⚫ イメージスライサー方式の面分光ユニット⚫ スライス幅をseeing(~0.4”-0.5”)に最適化し、近赤外線IFSの中で最大の視野を実現⚫ 反射角度の大きな両端の7チャンネルずつの瞳ミラーに楕円面鏡を採用することで、結像性能を悪化させずにコンパクトな光学系を実現 < 220 x 170 x 55 mm3望遠鏡からの光PO0TAO (6.5m)

PO1Subaru (8.2m)

波長帯域

0.9-1.45µm (Blue) & 1.45-2.5µm (Red)λ/Δλ1000-1500 (Blue) & 800-1400 (Red)

検出器数

42

視野16”.6 x 12”.813.5” x 4”.8

スライス数

26(CH-13~-1, +1~+13)12(CH-6~-1, +1~+6)

PO2

S1:スライスミラーアレイ

S3:スリットミラーアレイ

S2:瞳ミラーアレイ

SWIMSへSWIMS-IFU⚫ イメージスライサー方式の面分光ユニット⚫ スライス幅をseeing(~0.4”-0.5”)に最適化し、近赤外線IFSの中で最大の視野を実現⚫ 反射角度の大きな両端の7チャンネルずつの瞳ミラーに楕円面鏡を採用することで、結像性能を悪化させずにコンパクトな光学系を実現 < 220 x 170 x 55 mm3望遠鏡からの光PO0
TAO (6.5m)

PO1Subaru (8.2m)

波長帯域

0.9-1.45µm (Blue) & 1.45-2.5µm (Red)λ/Δλ1000-1500 (Blue) & 800-1400 (Red)

検出器数

42

視野16”.6 x 12”.813.5” x 4”.8

スライス数

26
(CH-13~-1, +1~+13)12(CH-6~-1, +1~+6)

PO2

S1:スライスミラーアレイ

S3:スリットミラーアレイ

S2:瞳ミラーアレイ

SWIMSへSWIMS-IFU機械系デザイン
困難な点 = とにかく小さいこと⚫ 数mm直径の小さなミラー&レンズ⚫ アライメント機構を取り付けることができない→ 超精密切削加工による一体加工で以下のような機械系を実現

From Telescope
PO1PO0+S154mm

S3
PO2
S2170mm

220mm

超精密切削加工
nmオーダーの動作精度を持つ超精密加工機: ULG-100D(5A) (芝浦機械)⚫ 高精度な鏡面形状: 平面、球面、楕円面、その他自由形状⚫ 一体加工で高精度な鏡面の位置と角度 → アライメントの負担を大幅に軽減⚫ 高精度ダイヤモンド工具を用いることで切削のみで十分な面粗さを実現より良い面粗さを期待し特殊アルミ合金RSA6061(RSP technology)を使用
理化学研究所 先端光学素子開発チーム(山形豊チームリーダー)との共同研究
R=0.5mmボールエンドミルによるスリットミラーアレイ(26球面)の加工

R=1.0mmボールエンドミルによる瞳ミラーアレイ(12球面+14楕円面)の加工

R=2.0mmバイトによるPO0平面鏡のシェーパー加工

特注平刃工具によるスライスミラーアレイのシェーパー加工

超精密切削加工
nmオーダーの動作精度を持つ超精密加工機: ULG-100D(5A) (芝浦機械)⚫ 高精度な鏡面形状: 平面、球面、楕円面、その他自由形状⚫ 一体加工で高精度な鏡面の位置と角度 → アライメントの負担を大幅に軽減⚫ 高精度ダイヤモンド工具を用いることで切削のみで十分な面粗さを実現
より良い面粗さを期待し特殊アルミ合金RSA6061(RSP technology)を使用
理化学研究所 先端光学素子開発チーム(山形豊チームリーダー)との共同研究
R=0.5mmボールエンドミルによるスリットミラーアレイ(26球面)の加工

R=1.0mmボールエンドミルによる瞳ミラーアレイ(12球面+14楕円面)の加工

R=2.0mmバイトによるPO0平面鏡のシェーパー加工

特注平刃工具によるスライスミラーアレイのシェーパー加工

超精密加工による製作完了⚫ すべてのパーツが完成 → 組み上げ&光学試験

PO1(超精密加工ではない)納品済み(2021/8)

PO0+S1:スライスミラーアレイ
完成 (2021/1-4)
ベース
面出し加工完了(2021/9)

S3:スリットミラーアレイ
完成 (2019/2-3)

S2:瞳ミラーアレイ
完成 (2020/10-12)

PO2
完成(2021/4)

PO0+スライスミラーアレイ:
加工における難点
小さなRSA6061材料ひとつに二種類のミラーを作成する
PO0 + スライスミラーアレイの完成品

PO0 :SWIMS-IFUへと光を導く最初のミラー⚫ X軸周りに48.5degの角度を持った平面鏡

42.5mmPO0⚫ ~ 14 x 16 mm2

スライスミラーアレイ: 天体像を分割する⚫ 0.52 x 18 mm2の26個の短冊状平面鏡⚫ それぞれに異なった二軸周りの角度を持つ(Y軸方向に向いた法線を座標系ごとZ軸周りに各ミラーごとの角度だけ回転し、新しくできたX軸周りに5.5deg回転する)⚫ それらの角度が~0.01degという厳しい公差

Z軸周り角度スライスミラーアレイ
Z軸周り回転後のX軸周り角度

ZYX

PO0+スライスミラーアレイ:
解決策
スライスミラー用の特注工具

二種類のミラー→ 二種類の工具を同時に加工機に装着し、両者で座標を共有する

5.5deg2倍速

0.52mmスライスミラーの幅と角度→ 幅0.52mm、刃先角度5.5degを持つ
特注工具を使用

B-axis→ 加工機では一軸(B軸)周りの回転のみで必要な二軸周りの角度を実現
スライスミラー角度の厳しい公差→ 工具による加工痕を測定し、その角度が±0.01degの精度で5.5degになるように取り付け角度を手作業調整
特注工具
5.5 deg ?

PO0用のRバイト: R=2mmPO0+スライスミラーアレイ:
解決策
スライスミラー用の特注工具

二種類のミラー→ 二種類の工具を同時に加工機に装着し、両者で座標を共有する

5.5deg2倍速

0.52mmスライスミラーの幅と角度→ 幅0.52mm、刃先角度5.5degを持つ
特注工具を使用

B-axis→ 加工機では一軸(B軸)周りの回転のみで必要な二軸周りの角度を実現
スライスミラー角度の厳しい公差→ 工具による加工痕を測定し、その角度が±0.01degの精度で5.5degになるように取り付け角度を手作業調整
特注工具
5.5 deg ?

PO0用のRバイト: R=2mm

PO0+スライスミラーアレイ:
性能評価
スライスミラー表面パターン

面粗さ RMS値

工具送り方向

⚫ PO0 = 6-10nm < 要求10nm⚫ スライスミラー = 9-20nm > 要求10nm→ RSA6061の素材由来のもの？
RSA6061で必ず良好な面粗さが得られるわけではない？

工具送り方向形状誤差 P-V値⚫ PO0 = 239nm < 要求300nm⚫ スライスミラー(一部) = 85 - 228nm < 要求300nm

CH-1

CH-13

PO0+スライスミラーアレイ:
性能評価
スライスミラー角度
非接触三次元測定機 (8CH)⚫ Z軸周り残差= -0.002 ~ -0.001 deg< 公差 0.013deg

YX

Z軸周り角度残差

Z軸周り回転後のX軸周り角度残差
黒実線=公差 ±0.01deg
黒破線=平均 0.0014deg
黒実線=公差 ±0.013deg
黒破線=平均 0.0006deg
グレーの影=データの±1σ標準偏差⚫ Z軸周りは全CHで公差内⚫ X軸周りは測定精度不足だが、平均値は公差内に含まれるスライスミラーのチャンネル番号

X軸周りの角度残差

Z軸周りの角度残差⚫ 面フィットσ~3um

Z軸周り回転後のX軸周り角度Z⚫ X軸周り残差=0.007 ~0.015 deg~ 公差 -0.01deg
X線CT測定(東大精密工学専攻大竹豊准教授)

Z軸周り角度

グレーの影=データの±1σ標準偏差

スライスミラーのチャンネル番号

SWIMS-IFU 組み上げ調整
超精密加工を使用
項目

精度

備考

ベースプレートの面出し加工

高さは<3μm
平面度 1-2μm

ベースプレートを取り付ける面の平面度の影響

瞳ミラーアレイ&スリットミラー
アレイの取り付け面加工

面と鏡面の間の位置精度が加工機の精度で保証される ~数μm-

超精密加工で厚みを調整したシム~1umの精度で厚み調整可能-

SWIMS-IFU 組み上げ調整
超精密加工を使用
項目

精度

備考

ベースプレートの面出し加工

高さは<3μm
平面度 1-2μm

ベースプレートを取り付ける面の平面度の影響

瞳ミラーアレイ&スリットミラー
アレイの取り付け面加工

面と鏡面の間の位置精度が加工機の精度で保証される ~数μm-

超精密加工で厚みを調整したシム~1umの精度で厚み調整可能-SWIMS-IFU 光学試験
光源 (可視光)

ハロゲンランプ

1. ハロゲンランプ+拡散版+絞り+レンズ=すばる望遠鏡を模したF12.2の光

2. He-Neレーザー(633nm)+エクスパンダー=光軸に平行な光束

SWIMS-IFU→ PO1レンズを位置調整したのみで要求精度を達成

He-Neレーザー
レンズ

拡散板
絞り
カメラ取付用電動レール

内容

必要精度

結果

疑似スリット撮像

26CH分の疑似スリット像を取得し、その幅を確認

0.04”=設計値0.4”の10%< 10% → OK

瞳像撮像

瞳ミラー上に結像する瞳像を取得し、想定外のケラレがないか確認

定性的な評価想定通り → OK

スライスミラーアレイ撮像

スリットミラー側から光を入れ、PO0側から見えるスライスミラーアレイ像に想定外のケラレがないか確認

定性的な評価想定通り → OK

射出光線方向確認

SWIMS-IFUから射出される光の方向が設計からどれだけずれいているか確認

4mm/1m→ ケラレ悪化~3%~2.3mm/1mのずれ→ ケラレ悪化は≲2%→ OK疑似スリット撮像⚫ 疑似スリット像の中心&両端付近で幅を測定⚫ 設計からの残差を評価: (𝑤measured − 𝑤design )Τ𝑤design→ 要求精度 < 10%⚫ 残差は10%以内 → OK
⚫ 右側が細い→ スライスミラーの段差のケラレと定性的に一致CH+13

瞳像撮像
CH+6⚫ 疑似スリットに垂直に1mmスリットを当てて、瞳ミラー上の瞳像を測定⚫ PO1レンズが小さいことによる想定されたケラレのみ→ OK

CH+1
CH-1

PO1-2でのfootprint

1mmスリット

スリット長さ疑似スリット像

CH-6@SubaruCH

CH-13

スライスミラーアレイ撮像
1. PO1レンズ鏡筒によるケラレが見える → CH+12, +13

2. スライスミラーの段差によるケラレが見える⚫ 左側でスライスミラー間の影が広く見える → スライスミラーの段差が下にある側⚫ 大きい部分ではスライス幅の~23%の幅
1. レンズ鏡筒によるケラレ

CH+13

1. レンズ鏡筒によるケラレ

CH-13
2. スライスミラー段差によるケラレ

2.スライスミラー段差によるケラレ

40.08mm

射出光線方向⚫ レールに沿った基線長1mに対してスリット長さ方向(X)、分散方向(Y)にどれだけ光線が動くか→ 設計値と比較→ 要求精度 4mm/1m

前921mm後X

前Y⚫ X, Y方向ともに平均で-2.3mm/1mのずれ→ SWIMS内の瞳位置でのケラレ悪化は視野の大半で≲2% → OK

IFU

後SWIMS-IFU 今後の計画
SWIMS-IFUの光学素子開発と組み上げ調整は完了→ 最終測定やハワイ輸送の準備を進める⚫ 試験項目は詳細検討中⚫ SWIMS内でのロボットアームでの取り扱い試験⚫ キャリブレーションデータ取得(フラット、Tr-Arランプ)

SWIMS-IFU

SWIMS

2021年12月

2022年1月

2月

3月

• 接触式
3次元測定• X線CT測定• 真空ベーキング• ハワイ輸送• SWIMSへのインストール• 各種試験

• 21B共同利用(1/6~31)• 22A共同利用(2/3~2/12)• 3/27 Engineering• 22A共同利用(3/27~4/17)

Summary⚫ SWIMS-IFUは既存の近赤外線面分光装置の中で最大視野16”.6x12”.8を持つイメージスライサー方式の面分光ユニットである。
0.9-2.5umを一度分光できるSWIMSに面分光モードを追加し、空間的に広がった天体をより効率的に観測することができる。
⚫ 装置内での収納や取り扱いのため、全体がコンパクト(<220 x 170 x 60mm3)で数mmサイズのミラーが複雑に並んだ光学系とする必要がある。
この光学系を高いアライメント精度を保ちながら作業負担を軽減し製作するため、超精密切削加工による一体加工で光学素子開発を進めてきた。
⚫ SWIMS-IFUの光学素子は2021年9月までにすべてが完成した。
特にPO0+スライスミラーアレイは様々な角度を持った二種類のミラーを一体で加工し、その公差も厳しいものであったが、加工手法を確立し、ほぼ精度内で製作することができた。

⚫ 組み上げはPO1レンズを位置調整したのみで、光学試験で要求を満たす結果となった。
今後はSWIMSへのインストール作業を3月に行う予定である。