補償光学系の要素技術開発

2012/2/23 @ Mitaka
Shin Oya (Subaru Telescope)Outline
補償光学(AO: Adaptive Optics)• システムの構成要素• 新しいAOシステム• 新しい要素技術

補償光学系とは補償光学系とは• 光波面の歪みをリアルタイムで補正して回折限界像を取得

w/o AO

w/ AO•天文学と眼科医療で応用が盛ん
天文学と眼科医療で応用が盛ん
網膜海王星

w/o AO

w/ AO

w/o AO

w/ AO

AOの基本構成
AOの基本構成参照光源
Natural Guide Star(NGS)

DM

RTC

WFS

AOの基本構成
AOの基本構成
人工参照光源

LGS

補償光学系の構成要素• 基本要素は、3つ + 1つ = 4つ– 波面センサ(WFS:波面センサ(WFS W
Wave FFrontt Sensor)S)– 可変形鏡(DM: Deformable Mirror)– リアルタイム計算機(RTC: Real Time Computer)– レーザーレ ザ• 関連の深い要素技術– 光学素子の加工技術– オプトメカ
観測装置として完成させるためには、いわゆる天体観測装置のオプトメカが非常に大切(ガイド星捕捉機構 像回転機構)のオプトメカが非常に大切(ガイド星捕捉機構、像回転機構)– シーイング測定

波面センサ(WFS)
波面センサ
(WFS)
光検出器は、光の強度を測る。位相を直接は測れない。
⇒ 位相情報を強度情報に変換して検出する。
シャックハルトマン

ピラミッドセンサ(ナイフエッジテストの要領)

曲率センサ

可変形鏡(DM)
可変形鏡(DM)
積層アクチュエータ

ピエゾ タイプ

バイモルフ

すばる望遠鏡のAO
すばる望遠鏡のAO• マウナケアの典型的なシーイング： 0.5” @ K-band• 8m望遠鏡の回折限界： 0.06” @ K-band

AO36 ⇒ LGSAO188• 多素子化のメリット– 性能向上
SR:0.3 → 0.6 @K-band

LGSAO188– 短波長でも有効• レーザー化のメリット– スカイカバレージ
数% → 数10%
単一曲率WFS + 単一バイモルフDM
視野が広がった訳ではない

AO36

AO方式の発展
AO
方式の発展
より細かいゆらぎ補正

要素技術の発展が原動力(素子数増)
HiCIAO/SCExAO

Wide field AO(Subaru ngAO)
詳しくはUMで!
RAVEN

LGSAO188

より多くのゆらぎ層(可変形鏡・波面センサ数増)

視野を広げる• 大気の3次元構造を考慮しないといけない• そのために複数のガイド星が必要

トモグラフィー

広視野AO
広視野
AOの方式の方式

GLAO

MOAO

FoV: >10分角分角
シーイング改善(fwhm: ~ 0.2")
サ ベイ
サーベイ可FoR: 3~5分角
FoV: 数秒角
回折限界
既知天体

可変副鏡で
接地層ゆらぎのみ補正

各天体の方向のみ補正
複数WFS

複数WFS

開ループ
開ルプ
天体ごとにDM

広視野撮像分光装置

Subaru (広視野を活かす)

IFU分光器TMT (大口径ほどFoR広い)新しい要素技術:: WFS
新しい要素技術
波面検出原理は基本的には同じ• オープンループ
オ プンル プ
– 特にMOAOで必要– 波面検出のダイナミックレンジが必要– システムの較正が重要• 検出器
EM-CCD (数百Hz)
最近CMOSも性能が向上
天文の場合、基本的に光子不足
読み出し雑音を考えると現状では、読み出し雑音を考えると現状ではまだEM-CCDの方が有利

新しい要素技術:: MEMS新しい要素技術
MEMS-DM
基本原理は、静電力で「引き」、機械的バネ(張力)で「戻り」
単一メンブレン式
単メンブレン式
OKO

二段メンブレン式
Boston Micromachines

分割三脚式Iris AO新しい要素技術:: DM (voice coil)
新しい要素技術
可変副鏡(ASM: Adaptive Secondary Mirro)超多素子、エミッシビティを増やさない

ALPAO社 (メンブレン＋micro voice coil)
変形量が大きい277actuators
D 24.5mm
D=24.5mm(1.5mm間隔)
1ms settling
隣同士で3m差の変位可能

ESO/VLT: 1170 actuators
D=1.12m, t=2mm (9kg)の薄いガラス

リアルタイム計算機(RTC)
リアルタイム計算機(RTC)
性能向上、価格低下
Concurrent• AO36 ～2000万円– MAXION: 2CPU(R4400MC,200MHz)
2CPU(R4400MC 200MHz)– MaxOS– VME base

• LGSAO188 ～300万円– iHawk: 4CPU(OpteronQuad,3.3GHz)
4CPU(OpteronQuad 3 3GHz)– RedHawk (RedHat linux base)– PCIe base

簡易AOには普通のLiunx PCでもOK制御が複雑な次世代AOはDSP/FPGA専用ボードか?

計算機関係• ハードウェア
GPGPU
並列演算による高速化• 計算アルゴリズム
トモグラフィ

新しい要素技術:: 光学素子
新しい要素技術
アイデアを形にできるデ を
き• LGSAO188: WFSのレンズレットアレイの ン
ットア イ

高次WFS 188素子

低次WFS: 2x2素子 4x4素子• SCExAO: コントラスト向上のための重要部品向上 ため 重要部品

Phase-Induced Amplitude Apodization

Spider Removal Plate新しい要素技術:: レーザー
新しい要素技術
色素 ⇒ 固体和周波(～5W) ⇒ ファイバー(～50W)
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アラインメント不要
良好なビーム品質
熱が集中しない
部品点数少、市販(通信・加工)
アンプと倍波ユニット分離

小型高出力アンプ方式
・1178nmの倍波 (ESOで実用化)
seed(1178nm LD) + pump(1120nm Raman)

・2波長別々にアンプして和周波
ex. 1/938nm + 1/1583nm

今後の開発今後の開発:: テーマ
多様化するニーズ多様化するズ•地上大型望遠鏡(30m、8m)
地上大型望遠鏡(30m、8m)
30m望遠鏡時代、広視野化が新たなテーマ–TMT:
TMT MOAO(多天体化の効率
MOAO(多天体化の効率、大口径ビーム活用)
大口径ビ ム活用)–すばる: 可変副鏡(GLAO広視野による相補性、他)•大学、中・小望遠鏡
小型安価 実験室実験からオンスカイ試験へ
小型安価、実験室実験からオンスカイ試験へ

•スペース
能動光学

•高コントラスト高コントラストSCExAO(Subaru)、SEIT(TMT)、SPICAコロナグラフ

今後の開発今後の開発:: 課題•• 技術– 既存技術・製品の有効活用、専門家との協力
既存技術 製品の有効活用 専門家との協力
シーズも多様化している– 多様化する目的に応じたシステムを組み上げる経験
多様 すを組げ 経験
簡易な実験、最終版で高精度な設計、調整、較正• 人材– 情報交換・交流
情報交換 交流– 若い人の参加

今回の研究会
天文台滞在型研究員制度