キヤノン 可視赤外線デバイス
Canon’s visible infrared device

Takashi. SUKEGAWA
Optical Products Operations
10.Decmber.2021

外公2111-00003

内容外公2111-00003

1. 最初に キヤノン製品と技術力

 内製切削加工機とポテンシャル
 切削方式

2. 回折格子 種類と対応波長
 反射型
 裏面反射（イマージョン InP,Ge,CdZnTe）
 グリズム(InP,Ge)
 適用例（METIS,東京大学,JILA,VLT)

3. 一体型ミラー（面分光用ミラー）
 面分光
 イメージスライサー
 一体型多面ミラー
 キヤノンブラック
 適用例(NAOJ,LASP)

4. まとめ2最初にキヤノン製品と技術力

https://global.canon/ja/technology/pdf/canon-frontier-2021-j.pdf

外公2111-00003

振動制御

位置決め4

切削による表面粗さ外公2111-00003

銅(Cu)

アルミニウムRSA-6061 T6

ゲルマニウム(Ge)0.40nm(RMS)

2.2nm(RMS)

1.6nm(RMS)

3.4nm(PV)57.0nm(PV)9.8nm(PV)0.36nm(RMS)

2.4nm(RMS)

1.5nm(RMS)

3.5nm(PV)50.6nm(PV)9.9nm(PV)

Zygo NewView 3D profiler
評価領域：70ｘ50μｍ

Zygo NewView 3D profiler
評価領域：70ｘ50μｍ

Zygo NewView 3D profiler
評価領域：50ｘ50μｍ①②

数字：同デバイス内の異なる箇所

5キヤノン内製切削加工装置

外公2111-00003

https://global.canon/en/technology/

位置安定性 ：< 2nm(RMS)
リニアリティ：< 10nm(RMS)
面粗さ：0.3nm(RMS)～(材料依存）

軸構成 ：5軸加工機 (直動3軸,回転2軸)
加工方法：シェイパー / フライカット

200nm

加工機外観（Canon HPより）Cross section(AFM)

3D view(AFM)

加工エリア（Canon HPより）

50,000 grooves/mm
間隔：20nm5,000 grooves/mm
間隔：200nm
6高品位切削プロセスの優位性

外公2111-00003

https://global.canon/en/technology/

除去加工

シャープな形状

切削格子断面（Canon）

レプリカ格子断面（比較例）

大型格子
立体構造
脆性材

1mm
*低負荷加工

100μm

5μm

自由形状
表面粗さ

面粗さ：0.9nmRMS
右ミラー評価領域□1mm

*高能率

高精細構造
汎用部品

多面、回折格子だけでなく、球面/非球面大口径ミラーなど
7

切削加工方法

外公2111-00003

シェーパー
工具を一方向に動かして加工～彫刻刀
加工方向

ダイヤモンド工具
ダイヤモンド工具

被切削材料

プリズム
切削方向
2012 SPIE Astronomical Telescopes +Instrumentation Sukegawa et al CANON Inc

フライカット
回転した工具を動かして加工
スピンドル

工具ホルダ

加工方向

回転
ダイヤモンド工具

プリズム

ダイヤモンド工具
ダイヤモンド工具

回転
プリズム

プリズム
加工方向

回折格子

種類と対応波長
VUVUV外公2111-00003

VLIRRW※製造/露光装置

切削方式＝材料除去なので良好な大型格子が製作可能
長波長で優位（赤外）

反射
透過

裏面反射/グリズム

1.0μｍ

キヤノン提供赤外透過材料実用範囲

20μｍ

CdZnTe(n=2.6)
Ge(n=4)
InP(n=3.2)
Wavelength (μm)

10

裏面反射(イマージョン）回折格子

外公2111-00003

回折面が屈折率nの媒質中であれば, 波長は 1/n になり、分散力（回折角）は n 倍になる。
理論分解能(R)ｎ≒1
反射型ｎ
裏面反射型（イマージョン）

効果・ｎ倍高い分解能 同性能で1/nにコンパクト
・同性能でも分散光束の拡がりが抑えられる(対反射）導入課題
・高価 ・表面/内部反射(迷光）のケア

11

切削回折格子と製造の流れタイプ：工程・材料外公2111-00003

使用環境
・室温／大気・真空・極低温／真空

切削格子加工成膜

直接切削反射型
基材
インバー材（加工面：Cu,NiPメッキ）
Zerodur（加工面：同上）
ゲルマニウム(Ge)/InP/CdZnTe

反射コート

レプリカ
基材
ULE、石英、BK7など

レプリカ反射型
反射コート

結晶切出

プリズム加工切削格子加工裏面反射コート

裏面反射型
基材：Ge/InP/CdZnTe
反射防止コート

透過型
基材：Ge/InP/CdZnTe
反射防止コート(両面）

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反射型 ～ 回折波面/効率平滑性(装置ポテンシャル)

外公2111-00003

360mm

回折波面平坦度60mm

6nm RMS 32nm PV

Master#26nm RMS 32nm PV

20025056mmMaster#1

Direction of Grooving

au (vs average)

回折効率平滑性85mm (355mm)

110%
100%
90%
050

100

150

Position(mm)30035013InP とは？

外公2111-00003

出典：ウィキペディア

基板上の形成したヘテロエピタキシャル構造を利用し、HEMTやHBT等の超高速半導体素子の基板として用いられる。通常InPより電子移動度が高いInGaAsを電子走行層として利用することが多い。近年は、Si上のCMOS、SiGe系HBTの性能が向上し、InP系デバイスは、耐圧、消費電力、動作速度、帯域の点で有利であるものの、回路設計や製造コスト上の比較劣位な点もあり、特殊な用途に限定されているようである。
光通信用途では、InGaAsPやInGaAlAsといった四元系混晶半導体材料をエピタキシャル成長することができるので、半導体レーザー、光変調器、光増幅器、光導波路、発光ダイオード、受光素子等の各種光通信用デバイスの基板として使用され、通常は格子整合する混晶組成がカバーする1.0–1.7μmの波長のデバイスに用いられる。特に光ファイバーの波長分散が最小になる1.3μm帯や伝送損失が最も少ない1.49–1.6μm帯のデバイスが多い。他の材料系に比べデバイスの信頼性が高いこと、すでに幹線系から家庭まで敷設されるようになりインフラが整備されていること、デバイス価格の低コスト化に後押しされる追い風の中で、さらにデータコム分野やデジタル家電向けへと拡大するものと期待されている。通信以外の用途では、これらの波長に対応する各種光センサーに用いられることもあるが、さらに格子整合しない1.9–2.6μm帯の受受光素子用基板にも利用され、水分センサー、分光器や輻射温度計測器などに用いられている。

イマージョン用材料としては..
・1.0μｍ～使用可能/Siより短波長で使用可能
・高い屈折率（n=3.2@1μｍ）
・良質な大型結晶（＞Φ4インチ）
・良好な切削性300mm

適材14InPイマージョン回折格子

外公2111-00003

Canon the First/Only in 2021x1000

0.11

Absorption Coefficient /10mm

・1.0μｍ～使用可能/Siより短波長で使用可能
・高い屈折率（n=3.2@1μｍ）
・良質な大型結晶（＞Φ4インチ）
・良好な切削性

0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03

0.02
0.01
0.00

1.40
1.38
1.36
1.34
1.32
1.30
1.28
1.26
1.24
1.22
1.20
1.18
1.16
1.14
1.12
1.10
1.08
1.06
1.04
1.02
1.00
0.98

Wavelength(μm)
2020 SPIE Astronomical Telescopes +Instrumentation Sukegawa et al CANON Inc

X5000

基底長76ｍｍイマージョン

Zygo NewView 3D profiler
評価領域：30ｘ30μｍ

2.2nm(RMS)
11.4nm(PV)15ゲルマニウム(Ge)イマージョン回折格子

外公2111-00003

3種の中で最も切削性が良好で最もパワフル(n=4）かつ大型結晶(Φ300mm）が入手可能
高屈折率 ＝ 反射型の置換には 相応の波面収差、面粗さが求められる

Ø 40 入射/出射面(研磨）9.4nm(RMS)
70.4nm(PV)Ø 40 格子面(切削)大気側リトロー計測(75度）

10.5nm(RMS)
78.5nm(PV)16

CdZnTeイマージョン

外公2111-00003

Canon the First/Only in 2021

三種の中で最も脆い材料だが、長波長(～20μｍ)で使用可能

成膜後（AR/HR)

倍率：x30

倍率：x300

2012 SPIE Astronomical Telescopes +Instrumentation Sukegawa et al CANON Inc

絶対回折効率（％）

80%
60%
40%
20%
0%
3990

#1(TE)
3995

4000#1(TM)
4005#2(TE)
4010#2 (TM)
4015

(nm)
4020

第43回光学シンポジウム 三宅/助川

17

グリズム/平面外公2111-00003

脆性材料切削回折格子として最も難しい

Out

In

ゲルマニウム

倍率 : x10,000

格子ピッチ : 2.174μm ブレーズ角 : 19.19 ° 15,000本/Φ30ｍｍ

9nm(RMS) 47nmPV

AR前ゲルマニウムInP

InP/平板タイプ

18

～

適用例紹介

～

19

Geイマージョン～ELT/METIS

外公2111-00003

https://metis.strw.leidenuniv.nl/Tibor Agócs, Takashi Sukegawa, et.al.“Ge immersed grating manufacturing and optical verification for the METIS high-resolution spectrograph”
SPIE 2020. 11451, Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation IVIFU

ELTMETIS【光学配置図】

Geイマージョン

平坦度 入出面
14.1nmRMS

格子面6.1nmRMS

回折効率ピーク(偏光平均）
62-72％@2.9-5.3μm

WFEIG=64.6nmRMS

20

Geイマージョン～東京大学/物性研/小林研究室

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https://yohei.issp.u-tokyo.ac.jp/index.html
Shuntaro Tani, Takashi Sukegawa, Takuma Nakamura, and Yohei Kobayashi“Extremely-high-order Ge Immersion Grating-based Spectrometer for Offset-free Precision Spectroscopy in the Mid-infrared Region"
CLEO-Europe/EQEC 2017Munich,Germany 24-29th June. 2017

Ｎ=1000@3.7 µm
3.7-5.3 µm

Absorption ＠ CO2

EGIG
Extremely-high-order
Ge Immersion Grating• 分解能＜4 GHz• 検出範囲＞50 nm• 検出速度 : 125 Hz(カメラ速度律速)21Geイマージョン～JILA/コロラド/Jun.Ye研究室

外公2111-00003

https://jila.colorado.edu/yelabs
K. Iwakuni, T. Q. Bui, J. F. Niedermeyer, T. Sukegawa, and J. Ye“Comb-resolved spectroscopy with immersion grating in long-wave infrared"
Optics Express Vol. 27, Issue 3, pp. 1911-1921 (2019)

光コムの構成光を個々で検出
追補：第一著者：岩國さんは電通大に在籍＠2021年時点

22グリズム＠VLTI/GRAVITY

外公2111-00003

https://www.mpe.mpg.de/ir/gravitySenol Yazici, Takashi Sukegawa, et.al.“GRAVITY upgrade with high-performance grisms with factor >2 enhanced throughput”
SPIE 2020. 11446, Optical and Infrared Interferometry and Imaging VII

平面AR

回折格子面ARVLTIGRAVITY【単体評価】【装置運用評価】

旧ZnSe製グリズム比
R500 : 2.2倍の効率Up
R4,000: 2.8倍の効率Up
23

一体型多面ミラー（面分光用ミラー）

面分光 INFUSEより引用

外公2111-00003

Emily Witt, Brian Fleming, Takashi Sukegawa', et.al.“INFUSE: assembly and alignment of a rocket-borne FUV integral field spectrograph”
SPIE 2021. 11821, UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XXII

25イメージスライサーの“深化”外公2111-00003

2013年
30μm

30μｍ
45面
平面
□1.4ｘ1.5mm

1.4mm

2020年
36μｍ
112面
平面
□2ｘ3mm3mm

250μm/26面 曲面□6.5mm

2mm
36μm

2021年

●1,000μm/28面 曲面/□50x28mm●300μm/55 非球面/□13.5mm
対応するコリメータは220ｍｍ
26

一体型多面ミラー

外公2111-00003

112面多面ミラー （□3ｍｍｘ2ｍｍ ｘ112面）

キヤノン一体型ミラー
・立体配置・隣接ミラー構造
・角度・位置精度(相対)：グレーティング精度・面粗さ：<2nm(RMS)～0.1μm,～0.001°

・自由曲面

55mm

55mm

イメージスライサー(黒色部：キヤノンブラック処理）

0.8mm

3mm

2mm

Design : University of Hawaii

Design : University of Hawaii

27キヤノンブラック

外公2111-00003

・広帯域（紫外/可視/赤外）＆射入射（＞70°）で極低反射を実現

・構造色で極めて安定 （ほとんどの金属表面に適用可）

無処理(インバー）
黒色化

入射角5度

拡大(反射率)

入射角5°

反射率(%)

反射率(%)

キヤノンブラック

計測器ベースライン

波長(nm)

無処理（金属）黒色化(キヤノンブラック）

波長(nm)

28

～

適用例紹介

～

29

イメージスライサー/NAOJ

外公2111-00003

https://www.nao.ac.jp/contents/about-naoj/reports/annual-report/en/2017/2017e_023.pdf
Y. Suematsu, T. Sukegawa, Y. Okura, T. Nakayasu, Y. Enokida, M. Koyama, K. Saito, S. Ozaki, S. Tsuneta“Development of micro image slicer of integral field unit for spaceborne solar spectrograph”
Proc. SPIE(2014). 9151, Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation

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DUV用イメージスライサー/LASP

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https://lasp.colorado.edu/home/
Emily Witt, Brian Fleming, James Green, Kevin France, Jack Williams, Takashi Sukegawa, Oswald Siegmund, Dana Chafetz“INFUSE: a rocket-borne FUV integral field spectrograph”
Proc. SPIE. 11444, Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray□6.5mm/26slicers/250um

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まとめまとめ外公2111-00003

1. 内製切削加工機により高品位なデバイスを提供しています.

2. 一般的な反射型に加え、高分散/大型化などの課題のある赤外線向けに3種類の材料の裏面反射（イマージョン）回折格子を提供しており、1.0μｍ～20μｍの広範囲で使用することができます. 波面性能は回折限界分光器の実現を可能とします.
3. 多面ミラーを一体で一括加工することで、一切の調整なく100面を超える多分割面分割ユニットを製作しています. 面分割スライサー
はｍｍ級からからμｍサイズまで幅広く製作が可能です。
構造サイズは300ｍｍ以上対応
キヤノンでは引続き超精密切削技術を生かしたデバイスを提供し、技術を通して世界の科学技術や自然科学の発展に寄与してまいります.

三連Geイマージョン回折格子

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ご清聴ありがとうございました.

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