2014/08/12	  岡山UM	

京大3.8m望遠鏡における高コン
トラスト惑星探査装置	  (SEICA)	
松尾太郎（京都大学）	

内容	
• SEICAの科学的意義	  -­‐	  	  2020年代の系外惑星研究と照らして	  • 昨年度の岡山UMからの進捗	  • エラーバジェットと予想性能	

太陽系外惑星の科学的意義	

惑星の質量（木星質量）	

1995年以前の惑星系の描像	

主星からの距離（AU）	

太陽系外惑星の科学的意義	
2014年4月現在の惑星系の描像	
宇宙観への影響	
惑星の質量（木星質量）	

1つの太陽系	  ↓	1129の惑星系	  	  (1814の惑星)	

●：間接的に発見された惑星	  ●：直接観測された惑星	  主星からの距離（AU）	

2020年代系外惑星科学の3本の柱	
1.	  太陽系を含めた多様な惑星系の起源・進化の理解	
2.	  惑星で起こる物理・化学現象の包括的な理解	
3.	  地球生命の居住可能性の理解と宇宙における生命現象の探査	

2020年代系外惑星科学の3本の柱	
1. 太陽系を含めた多様な惑星系の起源・進化の理解	  	  	  	  	  	  太陽系惑星形成論 ! 汎惑星形成論	
2.	  惑星で起こる物理・化学現象の包括的な理解	  太陽系惑星科学 ! 系外惑星学	
3.	  地球生命の居住可能性の理解と宇宙における生命現象の探査	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  地球生命 ! 地球生命の相対化	  （生命観の変革）	

SEICAと2020年代系外惑星科学の関係	
1. 太陽系を含めた多様な惑星系の起源・進化の理解	  	  	  	  	  	  太陽系惑星形成論 ! 汎惑星形成論	
2.	  惑星で起こる物理・化学現象の包括的な理解	  太陽系惑星科学 ! 系外惑星学	
3.	  地球生命の居住可能性の理解と宇宙における生命現象の探査	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  地球生命 ! 地球生命の相対化	  （生命観の変革）	

SEICAだけでは、直接3に結びつかないが、それに至る重要なステップ。	

内容	
• SEICAの科学的意義	  -­‐	  	  2020年代の系外惑星研究と照らして	  • 昨年度の岡山UMからの進捗	  • エラーバジェットと予想性能	

地上観測	
温度・(圧力)ムラ	  (<1℃)によって屈折率分布が	  生じ	  (~10-­‐6)、位相の遅れ・進みが発生.	
歪んだ波面	

δ n (λ ) = α (λ )

P
1δ
T+αλ
δP()
2TT

大気乱流が及ぼす効果	  ①強度変動	  (隣の光との干渉)	  ②到来方向の変動（屈折率の変動）	  ③星像の広がり（高次の収差の形成）	  赤外光	補正された波面	分光装置	
可変形鏡	

検出面	
可視光	計算機	

Large	  Binocular	  Telescope	  (LBT)	  波面センサ	のOn-­‐skyテスト	  (LBT	  p本研究の範囲	
ress	  release)	  補償光学装置	
歪んだ波面	

大気ゆらぎにより乱れた波面を	  計測・補償するシステム	  波面計測 ! 計算 !波面補償	

補正された波面	 赤外光	コロナグラフ	  装置	
可変形鏡	
可視光	
計算機	

波面センサ	

問題提起	••

平面波は綺麗なPSFを結像.	  
波面に僅かな歪みがあるとPSFと同じ	  形状の光を結像.	  " 散乱光として観測.	  	  • 歪みの空間周波数で散乱光の結像位置が決定.	  
綺麗な平面波	0nm	  (左)と4nm	  (右)の波面歪み	  がある場合の焦点面イメージの	  シミュレーション	

平面波+波面エラー(低次)	   平面波+波面エラー(低次+高次)	  瞳面	フーリエ変換	星像	
焦点面	  強度分布	

惑星像	

星像+惑星像	

星像+惑星像	  ＋スペックル(低次)	

星像+惑星像＋スペックル(低次)	  ＋スペックル(高次)	

前回の岡山UMからの進捗	
• 地上における高コントラスト装置の設計指針の確立。	  
− 補償光学系と高コントラスト光学系の関係性の理解	  − 波面計測と波面補償の理解	  • 実験・製作の進捗：	  − 低次波面の補償光学実験の成功	  − 高次波面センサーの設計・要素検証	  SEICA	  仕様	
仕様	

波面誤差	
AO residual WFE inbaseline design 	 Low spatial frequency (< 2 cycles / 20 nm	 pupil) 	 
Middle spatial frequency 	 
15 nm	 AO residual WFE
in goal design 	 27 nm	 High spatial frequency (> 12 80 nm	 
cycles / pupil)	 

27 nm	 

5 nm	 

高コントラスト用補償光学系	  システム設計	
λ:	  観測波長	  (cm)	  h:	  歪みの大きさ	  (cm)	  f:	  空間周波数	• 検出器に入射する波面誤差	  htotal ( f ) = hunfitting ( f ) + hdelay ( f ) + hsensor ( f ) + hchromatism ( f ) + ...

異なる空間周波数の依存性	

• コントラスト	  ⎛ πh ( f )⎞Contrast ( f λ ) ∝ ⎜ tot⎝
λ ⎟⎠2• 波面誤差の最小化のための方策：	  − 空間的に小さいスケールの歪みまで補償.	  
− 計測・補償時間を最小化	  − 高精度計測が可能な位相センサーの採用	  SEICA	  概念図	●	  地球大気および光学系で発生する波面誤差を補正。	  
− コロナグラフまでの波面誤差を計測・補正	  (AOの役割)。	  
− ポストプロセスで残留波面誤差を極限まで補正	  	  (コロナグラフの役割)。	  AO	  概念図	●3段階で計測・補正	  − T/T	  センサーは広視野（3’	  x	  3’）を活かしてAGを兼ねる。	  
− 高次になるにつれて、視野の低減、計測・補正精度の向上、	  速度の向上。 	

補償光学の波面センサ	
• 波面センサは二つの方式に大別：	  ー 形状計測：波面の歪みを形状として計測 (例.	  SHWFS,	  CWFS	  etc..)	  ー 位相計測：波面の歪みを位相として計測 (例.	  Pyramid,	  PDI,	  SEICAセンサー	  etc..)	
位相計測	

形状計測	
計測対象の波面	計測対象の波面	理想的な波面	理想的な波面	
ああああ	

ああああ	

理想的な波面に対する形状計測	  ○傾きは形状の1次微分	  ○曲率は形状の2次微分	

理想的な波面に対する波面の	  進み・遅れの計測	

形状計測	  vs.	  位相計測	
傾斜計測	

感度	

• 空間周波数ごとのセンサ感度	  高	-­‐	  形状センサ：位相導出に1回（傾斜）、2回（曲率）の積分。	  	  	  	  	  "感度は低空間周波数(Tip/Tilt)で悪化。	  
-­‐ 位相センサ：ダイレクトに位相を導出。	  
低		  	  	  	  " 感度は空間周波数に無依存。	  
低	• ダイナミックレンジ	  -­‐	  形状センサ：高いダイナミックレンジ	  -­‐	  位相センサ：計測波長の1波長程度	  ダイナミックレンジ	

位相計測	

空間周波数	(Verinaud	  2004	  改変)	低空間周波数の感度	

形状計測		  	  	  	  >>	  λ	×	

位相計測		  	  	  	  ~	  1λ	○	高	高次波面センサー：方式	
方式:	  ●	  同時に4つの干渉縞を計測	  Reference	  light	
Pol.	  vector	

Incident	  beam	⎛ I 0 − Iπ ⎞ϕ = arctan ⎜⎝ I π /2 − I − π /2 ⎟⎠利点:	  ●	  エネルギー損失	  ~	  0%.	  
●	  計測範囲： 隣り合う測定点が1λ	  以下であれば、原理的に無限大。	  	  	  	  	  # 同じ位相測定タイプのnon-­‐	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  modulated	  pyramidは0.5λ.	  	  ●	  光学系を工夫する事で振幅誤差も同時に計測可能.	  

Pinhole	  PBS	
¼	  wave	  plate		  Pinhole	  PBS	Aberrated	  light	  Pol.	  vector	

光学系デザイン	
● サイズ:	  250	  x	  100	  mm	  ●	  	  	  2回の瞳再結像光学系.	  
（PBS以後の光学系収差は測定誤差にならない。	  
被検光と参照光は同じ光路のため。）	  	  ● 計測誤差	  (キャリブレーションなし)：	  ~	  20nm	
Pinhole-PBS	  Savart plate	  瞳	Incident beam f/30	  焦点	Re-imaging lenses
x0.27	  250 mm	  瞳	High-speed
CMOS sensor	  補償シミュレーション	
d	e	
外乱を93%以下に抑圧	●	  	  補償デバイスのシステム	  	  	  	  	  	  	  同定試験	  -­‐	  デバイスの線形性	  -­‐	  過渡特性 	  ●	  補償シミュレーション	  -­‐ 大気を入力、	  	  -­‐ 1kHzのサンプリング	  "100Hzで外乱を93%以下に	  抑圧	+20 dB
0 dB

≒0dB

-60 dB

青：ゲイン	  赤：位相	0 deg-20 dB-40 dBfs = 1kHz

-20 deg-90 deg-180 deg

PSFコントラスト	• エラーのバランスが同程度になるように設計。	  
• （補正できない色収差）で内側のコントラストが制限。	

AO補正無し	センサーノイズ	
高空間周波数成分	
時間遅れ	
色収差	

検出コントラスト	
IWA:	  0”.13	  (~	  1.5	  λ/D	  in	  H	  band)	  	IWAで1時間コントラスト：10-­‐6	  "要求仕様を満たす	  SEICAの1分積分とSEEDSの	  1時間積分の性能が同程度	  1分のコントラスト	
1時間のコントラスト	

まとめ	
• SEICAは地球型系外惑星のサイエンスに至重要なステップである。	  
• 地上高コントラスト装置の設計方針について目処をつけた。	  
• 要求仕様である0.1秒角で10の-­‐6乗コントラストを達成できる見通し。