TMT第一期観測装置IRISの進捗
鈴木竜二（国立天文台）

1

お話する内容
IRISの概要
概要
光学系、機械系の検討状況
プ
プロトタイプによる性能検証プ
課題2IRISの概要

3

TMT on Mauna Kea

4

副鏡
第三鏡
高度角ベアリング
補償光学系

観測装置

観測装置
主鏡
ナスミス台

ナスミス台
ナ
台
基礎
礎

方位角ベアリング

副鏡
第三鏡
高度角ベアリング
補償光学系

観測装置

観測装置
主鏡
ナスミス台

ナスミス台
ナ
台
基礎
礎

方位角ベアリングInfraRed Imaging Spectrometer(IRIS) Quick Facts
TMT第一期観測装置の一つ（IRIS,第 期観測装置（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
後段 配置– 波長域：0.83 – 2.40ミクロン– ストレ
ストレール比：0ル比：0.41(J),
41(J) 00.60(H),60(H) 00.75(K)
75(K)

撮像モード
– ピクセルスケール：4ミリ秒/ピクセル
ピクセルスケ ル：4ミリ秒/ピクセル– 視野：16.4秒角  34秒角
面分光モ ド面分光モード– 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
リ秒7

InfraRed Imaging Spectrometer(IRIS) Unique Performances
唯
唯一30mの回折限界性能を利用できる観測装置
回折限界性能を利きる観測装置– 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
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

8

IRIS Layout

9IRIS Layout
赤外波面センサー
T= -30oC

Science Dewar
T 30K – 120K
T=Cable WrapC
T= ambient

180 cmm

サポート構造NFIRAOSとのI/F
T= ambient

10

IRIS Layout

11

IRIS Layout
赤外波面センサー
赤外波面センサ
NRC-H,Canada

撮像系
NAOJ JJapan
NAOJ,

UCLA, USA
Caltech, USA

面分光系

12

IRIS開発の技術的チャレンジ
非常に小さい波面誤差（40nm）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– 非常に長い光学系– 40nmの検証方法

30マイクロ秒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、大気、望遠鏡、AO、装置をキャリブレーション、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
13

装置開発の大体の流れ（一般的な場合）
実現性検討段階– 「こんな事をやりたいです」という提案を作る。

概念設計段階（＞１年）– 幾つかの設計を検討して、ベストな概念を選ぶ。

基本設計段階（＞１年）– これを作れば実現できますという設計を練る。

詳細設計段階（＞１年）– 製作（発注）できますという状態にする。

製作、組上げ（＞2年）– 製作（発注）する。出来たものを組上げて評価する。

試験観測（＞１年）– サイエンス観測ができる状態に仕上げる。

14

装置開発の大体の流れ（IRISの場合）
実現性検討段階（実現性検討段階（2005年開始）
年開始）– 「こんな事をやりたいです」という提案を作る。

概念設計段階（５年間）– 幾つかの設計を検討して、ベストな概念を選ぶ。

基本設計段階（４年目）今ここにいる。
基本設計段階（４年目）今ここにいる– これを作れば実現できますという設計を練る。

詳細設計段階– 製作（発注）できますという状態にする。

製作、組上げ– 製作（発注）する。出来たものを組上げて評価する。

試験観測– サイエンス観測ができる状態に仕上げる。

15IRISのスケジュール
2014

2015

2016

2017

PDR
基本設計

詳細設計

2018

2019

FDR

2020

2021

2022

2023

Pre-INTR
製作/テストテスト＠CITFirst ligh
テスト＠
HIA

テスト
@MK

Pre-ShipR

AIVR

ATCでのIRIS開発メンバー
P tD
PostDoc

Mechanical Designer
Mechanical Designer
Project Manager

M h i lD
Mechanical
Designeri

Mechanical Designer
SystemsyEngineerg

Optical Designer

17

InfraRed Imaging Spectrometer(IRIS) Quick Facts
TMT第一期観測装置の一つ（IRIS,第 期観測装置（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
後段 配置– 波長域：0.84 – 2.40ミクロン– ストレ
ストレール比：0ル比：0.41(J),41(J) 00.60(H),60(H) 00.75(K)
75(K)

撮像モード
– ピクセルスケール：4ミリ秒/ピクセル
ピクセルスケ ル：4ミリ秒/ピクセル– 視野：16.4秒角  34秒角
面分光モ ド面分光モード– 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
リ秒
18IRIS広視野化
2011年12月 概念設計段階終了
コミュニティからの要望– 広視野化（30広視野化（30” x 3030”以上）の要望以上）の要望– 高コントラスト機能の要望

概念設計の抱える問題– 面分光モードのADC問題– AOをoff axisに最適化した時のストレール比低下問題

2014年4月から広視野化の検討を開始
34秒角の光学設計を日本が提案– 第一期観測装置候補のWIRCを実現

201 年10月
2014年10月のTMT
S C
SAC、TMT
Boardで承認
承認– お金にシビアなTMTでコスト増の提案が通るのは稀！

19

IRIS広視野化

20

IRIS広視野化

34”
17”

21

光学系、機械系の検討状況

22

基本設計段階の納入物
各段階 初め
各段階の初めにTMTと契約を結ぶ（Workと契約を結ぶ（Package））– Statement of work
– 納入物

基本設計段階の納入物– 主要な仕様を満たす光学設計
波面誤差（＝結像性能）
Throughput– 主要な仕様を満たす機械設計
重量
サイズ（パ ケ ジ グ）
サイズ（パッケージング）
固有振動数
地震に対する耐久性
23

光学設計（Double TMA）
“C”
C : conic surface

NFIRAOS focal plane
TMA camera
Entrance window
CC1010 mmm

CC

TMA collimator

CCPupil(95 mm dia.)di )H4RG detectors
1890 mm24

光学設計（Double TMA）
非球面（コニック面）６枚の全反射系– Double Three Mirror Assemblies– CoCollimator
ato TMA + Ca
Camerae a TMA

最も高いthroughputを実現する解17.1”
波面誤差：6 nm
公差解析終了– 0.1 mm（1σ）– 1 arcmin（1σ）

WFE(RMS)
7.5 nm

17 1”
17.1

製作実現性検討中– 業者さんと議論– 組上げ、アラインメント、性能検証プラン作成

25

4.5 nm機械設計
冷却駆動機構 光学素子支持機構の基本設計完了
冷却駆動機構、光学素子支持機構の基本設計完了– 構造解析
– 熱解析（冷却速度、冷却による変形）
熱解析（冷却速度 冷却による変形）

26

機械設計
パッケージング（エンベロープI/F）の基本設計がほぼ完
パケ ジ グ（ベプ ） 基本設計が ぼ完
了分光器系とのI/Fが進行中

TMT.OPT.PRE.11.051.DRF03

27

振動解析
IRIS全体の振動解析が進行中– 1000年に一度の地震に耐える（~4gの加速度）– 振動による光学性能の劣化を防ぐ
OIWFS(point mass & spring)Interface structure(beam element)

RotatorDewar capImager( i t mass & spring)(pointi )G10 cylinder
Radiation shieldAl cylinder
IFSs(point mass & spring)

Vacuum shell

I/F Plate

Cooling plate(2D non-structuralmass)

I/F Plate

Cooling plate(2D non-structural mass)

28

振動解析
2nd mode 19
19.7Hz
7Hz

3rd mode 23
23.8Hz8Hz

swing

swingup down

4th mode 25.4Hz

5th modeode 27.3Hz3

6th mode 27.8Hz

Local deflection

rotationrotation

1st mode 16.7Hz
16 7Hz29

プロトタイプによる性能検証30

プロトタイプ
冷却駆動機構– 基礎データ構築
ベアリング モ タ
ベアリング、モーター、潤滑剤、センサーの選定、評価
潤滑剤 センサ の選定 評価– システムとしての性能評価
XYステージ、回転ステージ、Geneva
テ ジ、回転 テ ジ、drive機構
機構– 耐久試験

光学系– 冷却光学系支持機構
接着剤の選定、冷却時のアラインメント評価– 高精度軸外し非球面鏡の試作– コーティングの試作– 冷却時の鏡の変形評価– 高反射率低波面誤差鏡の製作

31

プロトタイプ
冷却駆動機構– 基礎データ構築
ベアリング モ タ
ベアリング、モーター、潤滑剤、センサーの選定、評価
潤滑剤 センサ の選定 評価– システムとしての性能評価
XYステージ、回転ステージ、Geneva
テ ジ、回転 テ ジ、drive機構
機構– 耐久試験

光学系– 冷却光学系支持機構
接着剤の選定、冷却時のアラインメント評価– 高精度軸外し非球面鏡の試作– コーティングの試作– 冷却時の鏡の変形評価– 高反射率低波面誤差鏡の製作

32

冷却駆動機構、冷却光学系支持機構の試作

33

高精度軸外し非球面の製作／測定
高精度軸外 非球
高精度軸外し非球面の製作（Precision
製作（Asphere））– 軸外し量: 405 mm– コニック定数: -0.278
0 278– 曲率半径 : 1400 mm (凹面)– 基板サイ
基板サイズ: 140 x 140 mm ((CA: 116 x 116 mm))
– 基板材: Zerodure– 面精度仕様: 6 nm (rms)– 面粗さ仕様: 0.5 nm (rms)– 価格：40,000 USD

高精度軸外し非球面の製作（パ ル光学）
高精度軸外し非球面の製作（パール光学）– 面精度（測定結果）: 4.7 nm (rms)  WFE of 9.4 nm (rms)34高精度軸外し非球面の製作／測定35

高精度軸外し非球面の製作／測定36

高効率光学系実現のための試作TMTの観測は4千万円／一晩
観測は 千
晩  1,000円／秒
秒1%/面のFresnel lossが10面あったら~10%のロス  4百万円／ 晩万円／一晩
コーティングにお金をかけても十分payする。

37

高効率光学系実現のための試作

38高効率光学系実現のための試作

39

多層膜反射コーティング試作（昭和オプトロニクス）
基板：合成石英
平均反射率（測定結果）：
99 7% over
99.7%
o er 00.84
84 – 2.40
2 40 umm40

多層膜ARコーティング試作（昭和オプトロニクス）
基板：合成石英
平均透過率（測定結果）：0.4%/

面 over 0.84 – 2.4 um

TMT.OPT.PRE.11.051.DRF03

41

Kバンドフィルター試作（日本真空光学）
平均透過率（測定結果）
平均透過率（測定結果）：
98% over 0.84 – 2.4 um

42

高反射率低波面誤差鏡実現のための試作
多層膜コーティングはある程度までは層数を詰めば性能
多グ あ度数 詰 ば性能が良くなる。
基板と膜材との熱膨張率の違いによ て基板がゆがんで基板と膜材との熱膨張率の違いによって基板がゆがんでしまう。
A
B
IRIS撮像系は波面誤差の仕様が厳しいので基板を歪めたくない。
基板の歪みを直す方法– 基板を厚くする。
– 裏面に補正コ裏面に補正コーティングをする。
ティングをする。
– アニーリングする

高反射率低波面誤差鏡を実現する
高反射率低波面誤差鏡を実現するプ
ロセスを確立したい。

C43

課題

44

今後の課題Double TMA光学系の組上げ、アラインメント、評価手光学系 組上げ
イ
評価手法の定量的な検討– 鏡単体の調整、評価
鏡単体の調整 評価– Collimator, Camera単体の調整、評価– 常温での調整、評価
常温調整、評価– 低温での調整、評価

振動解析– 鏡が動くと星像がボケる~100nm,100~0.1
0 1 arcsecの振動の振動45