内容! IRISの紹介! IRISの抱えている技術的課題システムを通してλ/20の波面精度を目指す 1 億分の1 度の角度精度を目指す 10 年間メンテフリーの近赤外線装置を目指す 2

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みさえちゃわんや
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1 TMT 第一期観測装置 IRIS の技術的課題 2013/12/18 鈴木竜二 ( 国立天文台 ) 1

2 内容! IRISの紹介! IRISの抱えている技術的課題システムを通してλ/20の波面精度を目指す 1 億分の1 度の角度精度を目指す 10 年間メンテフリーの近赤外線装置を目指す 2

3 InfraRed Imaging Spectrometer (IRIS) Quick Facts! TMT 第一期観測装置の一つ (IRIS, WFOS, IRMS)! AO を用いた近赤外域での撮像と面分光 NFIRAOS の後段に配置波長域 : ミクロンストレール比 :0.41(J), 0.60(H), 0.75(K)! 撮像モードピクセルスケール :4 ミリ秒 / ピクセル視野 :16.4 秒角! 面分光モード波長分解能 :4,000 10,000 ピクセルスケール :4, 9, 25, 50 ミリ秒 / スパクセル 3

4 InfraRed Imaging Spectrometer (IRIS) Unique Performances! 唯一 30m の回折限界性能を利用できる観測装置空間分解能 :10 25 ミリ秒点源への感度 ( 限界等級 ) D 4 : すばる望遠鏡の 200 倍! 高精度のアストロメトリ 30 マイクロ秒の相対アストロメトリ 2 ミリ秒の絶対アストロメトリ TMT/NFIRAOS/IRIS でしか達成できないユニークな性能 4

5 IRIS on NFIRAOS IRMS NIRES NFIRAOS IRIS 5

IRIS instrument layout Rotator and NFIRAOS interface

T (internal)= -30oC IRIS On-Instrument WFS (3) Cooled

T= ambient with active cooling Science Dewar

6 IRIS instrument layout Rotator and NFIRAOS interface Internal chamber cooled to match NFIRAOS chamber. T (internal)= -30oC IRIS On-Instrument WFS (3) Cooled to match NFIRAOS chamber T= -30oC Electronics Outside T= ambient with active cooling Science Dewar Cryogenic T= 77K 30K 120K 120K Cable Wrap T= ambient IRIS Overview 6

7 TMT.OPT.PRE DRF03 7

8 OIWFS Herzberg Institute of Astrophysics (HIA, Canada) 撮像モード光学系日本面分光モード光学系 University of California Los Angeles (UCLA) California Institute of Technology (CIT) TMT.OPT.PRE DRF03 8

9 IRIS 撮像系レイアウト! BaF2, IRFS, ZnSe の屈折系コリメータ (F/15)! 3 枚非球面 (Conic 面 ) の反射系カメラ (F/25.8)! 瞳径 :50 mm 1670 mm 検出器カメラ系入射ウィンドウフィールドレンズコリメータ瞳像望遠鏡焦点面大気分散補正系フィルター 9

10 TMT/IRIS のスケジュール早期建設段階建設段階オペレーション 2013/2 現在ドーム完成望遠鏡構造完成主鏡完成 On sky test PDR FDR 基本設計詳細設計製作 / テスト Pre-INTR HIA First light Pre-ShipR AIVR

11 TMT/IRIS のスケジュール早期建設段階建設段階オペレーション 2013/12 現在ドーム完成望遠鏡構造完成主鏡完成 On sky test PDR FDR 基本設計詳細設計製作 / テスト Pre-INTR HIA Firs Pre-ShipR AIV

12 IRIS 開発の技術的チャレンジ! システムを通して非常に小さい波面誤差 (30nm) を達成する光学系光学設計製作冷却下でのアラインメント振動 30nm の検証方法! 30 マイクロ秒 (1 億分の 1 度 ) の相対アストロメトリこれまでに達成されたことのない精度 10 マイクロ秒 = 1/400 ピクセル = 38nm の精度で天体の位置を決定天体の位置決定に関わる非常に多くの物理過程をモデル化補正! 非常に安定したシステム高精度のアストロメトリを達成するために 5-10 年間は装置を開けない高い機械的精度を長期間に渡って保持 12

13 システムを通して 30nm の波面誤差を目指す 13

14 IRIS 撮像系レイアウト! BaF2, IRFS, ZnSe の屈折系コリメータ (F/15)! 3 枚非球面 (Conic 面 ) の反射系カメラ (F/25.8)! 瞳径 :50 mm 1670 mm 検出器カメラ系入射ウィンドウフィールドレンズコリメータ瞳像望遠鏡焦点面大気分散補正系フィルター 14

15 軸外し非球面の製作! 1 枚の球面鏡 +2 枚の軸外し非球面鏡からなる TMA! λ/20(5nm rms) で研磨したい! 出来れば安く海外より安く鏡 R (mm) Conic OAD (mm) CA (mm) Cam 凹 0 90 Cam2 630 凸 0.1? 80 Cam 凹

16 IRIS 光学系のアラインメント! 3 枚の軸外し非球面からなる TMA はアラインメントが難しい! 精度 :100um, 30arcsec à 0.1um! アラインメントに関する感度解析! 冷却光学系であるため頻繁な温度サイクルは避けたい温度サイクルに一週間かかる検出器は温度サイクルさせたくない! 常温での精度の追い込み性能検証 ( できれば )! 常温低温で変化しない ( 変化が予測できる ) 支持方法! 実現可能なアラインメントのシナリオを作りたい 16

17 振動対策! 露出中に光学素子が振動すると波面誤差を生む (PSF が振動して像がぼやける )! 光学素子が 50nm 0.02 秒角の精度で安定している必要! 光学素子の支持方法とのジレンマ固い構造 : 熱収縮によるストレスを解放できない柔い構造 : 振動に弱い! 精度の良い解析と測定による保証 17

18 30 マイクロ秒の精度のアストロメトリ 18

19 アストロメトリとは! アストロメトリ天球上での天体の位置を正確に決める ( 絶対アストロメトリ ) 天球上の 2 つの天体の距離を正確に決める ( 相対アストロメトリ )! 誤差の要因 2 ミリ秒 30 マイクロ秒カタログの誤差大気分散の誤差と補正誤差大気の安定性 AO の性能光学系の歪み補正誤差天体の位置検出誤差 etc. 大気望遠鏡 NFIRAOS IRIS 宇宙空間検出器 19

20 10-7 の精度で光学歪みを補正! 10 マイクロ秒 /17 秒角視野 =10-7 のダイナミックレンジ! ピンホールグリッドで光学歪みを補正 50mm の範囲でピンホールの位置を 20nm の精度で測定 -30 度の環境下! 広いダイナミックレンジ走査型電子顕微鏡 (SEM): サブ nm 精度 /100um のレンジ光学顕微鏡 : 数百 nm/ 数百 mm のレンジ! -30 度での測定! Self-calibration を検討 20nm 以下の再現性を持つ測定装置を self calibration 20

21 30 マイクロ秒は結構難しい! ガイド星の誤差固有運動の誤差色の誤差 + 大気分散! 大気の擾乱 Differential tip/tilt jitter Chromatic anisoplanatism Higher order residual ストレール比の安定性! その他の大気の影響 Achromatic differential refraction Atmospheric dispersion 透過率の安定性! Opto-mechanics な誤差波面センサーのガイドプローブ位置の誤差光学面の形状誤差 Instrument rotator 誤差迷光ゴースト! 天体の検出誤差 Photon nise Flat field ピクセルサイズの非一様性 Non-linearity Confusion PSF の非一様性推定誤差ピクセル間のクロストーク光学歪みの補正誤差 21

22 アストロメトリシミュレーター! 単なる誤差伝搬は現実的ではない相乗効果複数回観測することによってランダム誤差を減らす複数回観測することによってシステマティック誤差をランダム化する! アストロメトリの観測をシミュレーションすることの重要性どの誤差が効くか? どの誤差は消えるか? どのような観測が必要か? 22

23 安定した冷却駆動システムの構築 23

24 安定した冷却駆動システムの構築! 30 マイクロ秒の相対アストロメトリ精度を用いたサイエンスの幾つかは長い時間ベースライン (<10 年 ) を必要とする銀河系中心の巨大ブラックホール周辺における星の軌道決定! IRIS は 10 年間メンテナンスなしで動き続けるライフタイム回転量 :2,000,000 deg ライフタイム移動量 :4,000,000 mm! 冷却駆動系の難しさ潤滑剤熱収縮と精度 24

25 まとめ! システムを通して 30nm の波面誤差の達成軸外し非球面鏡を λ/20 で研磨海外に対抗できるくらい安く TMA のアラインメント! 30 マイクロ秒のアストロメトリの達成 10-7 の精度で光学歪みを補正アストロメトリシミュレータの開発! 非常に安定した冷却駆動系の構築 10 年間メンテナンスフリーの冷却駆動系! 人が足りない! 現在 3FTE 25

26 IRIS は TMT で最もユニークな装置です一緒にやりませんか? 26

27 レンズセルプロトタイプ製作! 熱収縮差による応力と位置変化を板バネで補償するレンズセルを設計応力解析 ( 接着剤パッドの素材形状決定 ) 接着剤パッドレンズの冷却試験レンズのインストール方法検討 120 mm dia. 27

28 Cold stop stage プロトタイプ製作! 要素技術の低温における特性調査を受けシステムとしての性能を評価リニアスライドベアリングボールねじモーターセンサー池之上ポスター Cold stop (not on board) Motor adaptor Linear slides for Y stage Linear slides for X stage 28

29 表面形状と光学歪み! 光学面が理想的な球面の場合光学歪みは低次 (3 次 5 次 ) の多項式で表される! 実際の光学面は形状誤差を持つ à 光学歪みは形状誤差の空間周波数に対応した不規則な形状になる! この影響は焦点面に近い光学系ほど大きい光学面が理想的な球面の場合光学面が形状誤差を持つ場合 29

30 表面形状と光学歪み IRIS 撮像系の光学歪み左の光学歪みから3 次の多項式で表される成分を取り除いた残差 30

31 IRIS 撮像系レイアウト 1670 mm 検出器カメラ系入射ウィンドウフィールドレンズコリメータ瞳像望遠鏡焦点面大気分散補正系フィルター 31

32 Beam Wander 効果! 瞳位置がずれると像の位置が変わらないのに光学素子上の光束 (beam) がずれる (wander) à 光学歪みが一意に決まらない前置光学系の射出瞳前置光学系の焦点面 IRIS の光学系 32

33 10-7 の精度で光学歪みを補正! 10 マイクロ秒 /10 秒角視野 =10-7! ピンホールグリッドで光学歪みを補正 50mm の範囲でピンホールの位置を 40nm の精度で測定 -30 度の環境下! 広いダイナミックレンジ走査型電子顕微鏡 (SEM):0.1nm 精度 /1um のレンジ光学顕微鏡 : 数百 nm/ 数百 mm のレンジ! -30 度での測定! Self-calibration を検討 40nm 以下の再現性を持つ測定装置を self calibration 33

34 軸外し非球面試作品の PSD 測定! 一般的に光学表面の形状誤差を指定する公差面精度と面粗さ! 表面形状誤差の空間周波数の一部の情報しか表さない! Power Spectrum Density (PSD) 要求が厳しく捉えられ不要に見積もり金額が高くなりかねない! PSD の形は光学面の研磨の方法によるものと思われる! 面精度と面粗さを指定した研磨面の PSD を測定したい! IRIS 撮像系で用いる軸外し非球面の一枚 (camera 3) を製作 34

35 形状誤差と光学歪みの補正誤差 (Ellerbroek 2012)! 光学歪み ( 射出瞳における波面の tip/tilt 成分 ) + = Θ j p j h j A d D D p ) ( ) ( 32 ) ; ( 3 2 α π λ α r r r r ( ) [ ]( ) ( ) [ ] ( ) ( )( ) j j j j j h p F h A F h D D p F κ κ π λ κ α = Θ * ; r r ( ) ( ) ( ) [ ]( ) ( ) [ ] ( ) j j j j p j h A F h A F h h D D j κ κ κ π λ κ * r r r r Φ = Φ Θ ( ) ( ) > > Θ Φ = Φ = 1 1 ) ( ) ( 4 ) ( 2 2 h d i d f f i c D D J d D d ν κ κ ν π ν π ν ν π λ κ σ! 光学歪みのフーリエ成分! 光学歪みのパワースペクトル! 光学歪みの補正誤差 ( ナイキスト周波数以上の成分 ) 形状誤差のパワースペクトル円形開口のフーリエ変換ナイキスト周波数

36 面精度面粗さと PSD P (k) =a k b PSD (nm^2) 干渉計が測定できる波数波数 (wave/mm) 表面粗さ測定器が測定できる波数 36

37 Distortion Calibration Error Contribution by Surface NFIRAOS windows, original specs Calibration Error, µ arc sec NFIRAOS windows, revised specs IRIS input window Fold mirror 1 Collimator lens 1 Camera mirrors 2 and 3 Surface number in optical train 37

<4D F736F F D20838C A838B8A54944F8C9F93A28E64976C8F F76322E646F63>

<4D F736F F D20838C A838B8A54944F8C9F93A28E64976C8F F76322E646F63> TMT 可視光分光撮像装置 (WFOS/MOBIE) 用大口径レンズ及びレンズセルの概念検討一式仕様書平成 25 年 4 月国立天文台 1 総説国立天文台はアメリカカナダ中国インドと協力して次世代超巨大望遠鏡 Thirty Meter Telescope(TMT) 計画を推進しているこの望遠鏡はこれまで最大の望遠鏡の主鏡口径である10mを大幅に超える30mとなる可視光分光撮像装置

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