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）	

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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

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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：0.83 – 2.40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
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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）∝D4：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IRIS on NFIRAOS	

IRMS

NIRES

IRIS

5

NFIRAOS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= ambientwith active cooling

Science Dewar
Cryogenic
T= 77K
30K––120K
120K	

Cable WrapT= ambient

IRIS Overview

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TMT.OPT.PRE.11.051.DRF03

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OIWFS	
Herzberg Institute of
Astrophysics (HIA,Canada)	
撮像モード光学系	

面分光モード光学系	

日本	

University of California
Los Angeles (UCLA)	
California Institute ofTechnology (CIT)	

TMT.OPT.PRE.11.051.DRF03

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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	

入射ウィンドウ	

望遠鏡焦点面	フィールドレンズ	

コリメータ	

カメラ系	瞳像	

大気分散補正系	

フィルター	

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TMT/IRISのスケジュール	2012	 2013	 2014	 2015	 2016	 2017	 2018	 2019	 2020	 2021	
早期建設段階	

建設段階	
オペレーション	

ドーム完成	

2013/2現在	

望遠鏡構造完成	
主鏡完成	
On sky test	

PDR	
基本設計	

詳細設計	

Pre-INTR	FDR	
製作/テスト	

テスト
＠CIT	

テスト＠
HIA	

テスト
@MK

First light	

Pre-ShipR	 AIVR	TMT/IRISのスケジュール	2012	 2013	 2014	 2015	 2016	 2017	 2018	 2019	 2020	 2021	
早期建設段階	

建設段階	
オペレーション	

ドーム完成	

2013/12現在	

望遠鏡構造完成	
主鏡完成	
On sky test	

PDR	
基本設計	

詳細設計	

Pre-INTR	

FDR	
製作/テスト	

テスト＠CIT	

テスト＠
HIA	

テスト
@MK

Firs

Pre-ShipR	 AIV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
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システムを通して30nmの波面誤差を目指す

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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	

入射ウィンドウ	

望遠鏡焦点面	フィールドレンズ	

コリメータ	

カメラ系	瞳像	

大気分散補正系	

フィルター	

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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)	

Cam1	

1500 凹	

0	90	

Cam2	

630 凸	0.1?	

80	

Cam3	

1100 凹	-0.28	

405	CA (mm)	

120	15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。
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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

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30マイクロ秒の精度のアストロメトリ

18アストロメトリとは	2ミリ秒	

! 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

30マイクロ秒	

宇宙空間	IRIS	NFIRAOS	望遠鏡	大気	

– 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.

検出器	
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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 calibration20

30マイクロ秒は結構難しい	!

– 光学面の形状誤差– Instrument rotator誤差– 迷光、ゴースト

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!

!

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

Opto-mechanicsな誤差– 波面センサーのガイドプローブ位置の誤差– 光学歪みの補正誤差21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

安定した冷却駆動システムの構築

23

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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

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IRISはTMTで最もユニークな装置です	

一緒にやりませんか？	

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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.	

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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

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	

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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
30成分を取り除いた残差	IRIS撮像系レイアウト	
1670 mm	
検出器	

入射ウィンドウ	

望遠鏡焦点面	フィールドレンズ	

コリメータ	

カメラ系	瞳像	大気分散補正系	

フィルター	

31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	

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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 calibration33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

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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）	
⎛ λ ⎞⎛ 32 ⎞Θ(α ; p ) = ⎜ ⎟⎜ 2 3 ⎟∑ ∫ dr A(r )rp j (r + h jα )⎝ D ⎠⎝ π D ⎠ j!

光学歪みのフーリエ成分	*⎛ λ ⎞⎛ 32 ⎞F [Θ(α ; p )](κ ) = ⎜ ⎟⎜ 2 3 ⎟∑ h −j 2 F [A(r )r ] (κ h j )× F ( p j )(κ h j )⎝ D ⎠⎝ π D ⎠ j!

光学歪みのパワースペクトル	22⎛ λ ⎞ ⎛ 32 ⎞*Φ Θ (κ ) = ⎜ ⎟ ⎜ 2 3 ⎟ ∑ h −j 2 Φ p j (κ h j )F [A(r )r ](κ h j )F [A(r )r ] (κ h j )⎝ D ⎠ ⎝ π D ⎠ j!

円形開口のフーリエ変換	

光学歪みの補正誤差（ナイキスト周波数以上の成分）	
224 J 2 (πDν )⎛ λ ⎞ ⎛ 2 ⎞
σ 2f − f c = ∫dκ
Φ
=2dν
Φ(ν)
⎜⎟⎜⎟Θ (κ )i−1∫∫
κ ∞ > (2 d )−1πDν⎝ D ⎠ ⎝ π ⎠ ν ∞ >( 2 hi d )ナイキスト周波数	2

形状誤差のパワースペクトル	面精度、面粗さとPSD	

PSD (nm^2)	

​𝑃↓(𝑘) =𝑎×​𝑘↑𝑏 	

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Distortion Calibration Error
Contribution by Surface
NFIRAOS windows, original specs

Calibration Error, µ arc sec

NFIRAOS windows, revised specs
Foldmirror 1
IRIS input
window

Cameramirrors 2
and 3

Collimatorlens 1

Surface number in optical train37