京大極限補償光学：	  極安定環境を目指した恒温槽の開発	
松尾太郎、夏目典明、木野勝（京大）、 	  京大惑星探査装置グループ	京大3.8m補償光学装置：	  極安定環境を目指した恒温槽の開発	
紹介する恒温槽は使用しません	

松尾太郎、夏目典明、木野勝、 	  京大惑星探査装置グループ	

概念図	CPU	Slope	  Sensor	500-­‐700nm	

Telescope	

FPGA	Phase	  Sensor	

700-­‐900nm	

Low-­‐order	  AO	High-­‐order	  	  AO	

Coronagraph	

WF	  measurement	  on	  science	  detector	

光学系配置	要求仕様の導出	
暗領域	(θcosα+Δθx,	  θsinα+Δθy)	

y	

明領域	

指向誤差	
(Δθx,Δθy)	

主星	
惑星	星の視半径	θ*	α	  x	

コロナグラフ概要	

明領域	 暗領域	 明領域	恒星の全フラックスに対するリーク量	11⎞2 ⎛ πbf =T (θ , α ) B* dΩ =sin ⎜ (θ cos α + Δθ x )⎟ B* dΩ∫∫⎝ λ⎠
F* disk
F* disk
F*:	  全フラックス量、b	  :	  シア量、T:コロナグラフの透過率、B*:	  恒星の輝度分布 	要求仕様	
青：透過率がsin^2のコロナグラフ	  赤：透過率がsin^4のコロナグラフ	

可変形鏡
素子数	

フレーム コントラスト	
レート	

#1	 1000	

5kHz	2x10^(-­‐6)	

#2	 4000	

20kHz	

1x10^(-­‐7)	

○	  コロナグラフへ入射する許容可能な	  指向誤差：	  #1では、8mas	  #2では、4mas	  200mm高のマウントアルミ（2.3E-­‐5/K）を採用	  する場合、5mKの温度ムラで10mas。	  

Contrast	  at	  1λ/D	

○ 極限補償光学に由来する波面エラーに	  よるコントラストの劣化	  1000素子	
4000素子	

指向誤差(秒角)	

SHWFS	

青：Woofer光学系	  緑：Tweeter光学系	  赤：コロナグラフ光学系	  橙：検出器	  光源	

熱源	光学系	
光学系	
コロナグラフ	  リオストップ	
高コントラスト	  光学系	

PDIセン
サー	

恒温槽コンセプト	
○熱源を風下に集中。	  
○温度一定の風で熱を除去。	

青：Woofer光学系	  緑：Tweeter光学系	  赤：コロナグラフ光学系	  橙：検出器	  風下	

風上	

400	
光軸高さ:	  200	
光学定盤	

1000	

2000	

岡山温度環境：	  0	  –	  30	  ℃	  	400	

周囲壁面：	断熱壁	

900	

1300	

シミュレーションで用いた恒温槽全体図

2600	
1200	

温度分布シミュレーション23	○条件：	  	  − 保持温度20度。カメラ温度35度。	  
− 風速0.1m/s。	  
− 温度分布	  ○温度のムラは風下に集中。	  	   熱源を風下に置く事で温度の	  保持可能。	

20	

光軸高さ（z = 200 mm）断面	

カメラ1中心を通る垂直断面	風速シミュレーション	
• カメラの近傍	

○光学素子、カメラのない所では、	  風は風上から風下へ層流。	  
○カメラ周りでは風向、風速が乱される。	  
波面の劣化。	

物のすぐ近くは気流が乱される 	  波面計測試験	○目的：	  乱流の発生による波面の乱れの評価。	  
○概要：	  日本スピンドル社（尼崎市）の恒温槽で波面の揺らぎを	  i-­‐Fizeau	計測。	
○方法：	  恒温槽内部に置かれた平面鏡(φ80)に	  i-­‐Fizeauから出た平行光を当て、	  その光路で発生する波面揺らぎを	  
積分値として評価。	  
風下	

風上	実験風景	

環境	○風速、物体（カメラ）あり・なし、熱源（カメラON・OFF）あり・なしで	  環境を変えてデータを取得。 	
データ番号	 風速	  (m/s)	 物体	熱源	

1	  0.1	

なし	  なし	

2	0.3	なし	なし	3	0.1	あり	なし	4	0.3	あり	なし	

5	0.1	あり	あり	

6	0.3	あり	あり	
風下	

実験風景	

風上	データリダクション	
• 計測方式：	  	  	   偏光を用いて参照光と被計測光の位相差を0,	  PI,	  PI/2つけた3つの干渉像を同時取得。	  
• フレームレート：	  	  	  	  	  	  30Hz	  • データ制約：	  	  	  Tip/Tiltは除去。	  
平面鏡の歪みは除去。 	  
（振動は同時取得により除去されている)	  0	PI/2	

PI	
計測画面	

データの考察	80	

○ 赤の箇所（平面鏡の歪み	  が大きい）は除いてデータを評価。	  
○ 3つの干渉像の強度が	  異なるため、縞(青の点	  線)が残存。		  

平面鏡の歪みが大きく、	  歪み量の除去が難しい所	

結果1	

風の向き	

○	  データセット	  #5	  	  	  	  	  -­‐	  風速	  0.1m/s、カメラあり、熱源なし	  ○	  考察	  	  -­‐	  波面が乱される領域はカメラから	  10mmの距離で限定的。	  	  	  	  	  -­‐	  シミュレーション結果と範囲において	  ほぼ一致	  カメラ	

青：π、緑：0、黒：-­‐π	

結果2	
風の向き	

○ データセット #4- 風速 0.1m/s、カメラあり、熱源なし

カメラ	

○ 考察
- 風速0.1m/sの場合とほぼ同じ結果。
- 風速が大きくなることによる影響なし

青：π、緑：0、黒：-­‐π	

結果3	○	  データセット #3	  	  	  	  	  	  -­‐	  風速	  0.1m/s、カメラあり、熱源あり	  風の向き	

カメラ	○	  考察	  	  -­‐波面乱れの範囲は平面鏡全体に	  拡大。	  

青：π、緑：0、黒：-­‐π	結果まとめ	
データ番号	

風速	  (m/s)	

物体	

熱源	

波面揺らぎ	  (rms)	

要求仕様	

備考	

1	  0.1	なし	  なし		  	  <	  λ/20	○	2	0.3	なし	なし		  	  <	  λ/20	○	

3	0.1	あり	なし		  	  ~	  λ/18	

○	

カメラから10mm以遠のデータを使用	

4	0.3	あり	なし		  	  ~	  λ/18	

○	

カメラから10mm以遠のデータを使用	

5	0.1	あり	あり		  	  ~	  	  λ/8	x	

カメラから10mm以遠のデータを使用	

6	0.3	あり	あり		  	  	  ~	  λ/8	x	

カメラから10mm以遠のデータを使用	

まとめと今後	
• まとめ	  -­‐	  	  熱源を取り除くための風を用いた恒温槽装置で波面の揺らぎを計測。	  
-­‐	  	  熱源のある環境では、カメラ（センサー）周辺で揺らぎが大きく、要求仕様のλ/20は満たさない。	  
• 今後	  -­‐	  	  スペース技術を応用した、真空	  +	  MLI	  +	  水冷により光学系の温度を一定に保つ方式で検討を進める。