2023.03.01 OISTER-WS

精密偏光観測装置POPOの開発状況
高橋 隼(兵庫県立大学)

PlanetPol: A High Sensitivity Polarimetre for the Direct
Detection and Characterisation of Scattered Light fromExtra-solar Planets

開発の背景と動機

J. Hough1, P. Lucas1, J. Bailey2, E. Hirst1, M. Tamura3, D. Harrison1

1: University of Hertfordshire; 2: Macquarie University, Australia; 3: NAO, Japan.
• 海外では「高速位相変調」という技法を用いて、10-6 (ppm)台の偏光度検出精度を達成する装置が実
fter commissioning on theatmosphere, and hence is limited onlyby photon noise. However, fractional
University of Hawaii 88-inch
用化されている (PlanetPol,HIPPI,
polarisations of a few parts in a million
telescope, PlanetPol
has been POLISHなど)。

A

used successfully on the WHT in Apriland October 2004. The instrument,
funded by PPARC, was designed andbuilt at the University of Hertfordshire.

PlanetPol is a stellar polarimetre
designed to measure fractionalpolarisations of 10– 6 or less. With thissensitivity PlanetPol should be capableof detecting the polarisation signatureof so-called hot-Jupiters. These areextra-solar planets (EXP) whosesize is approximately that of Jupiter
but with orbits that are 0.1AU or less(orbital periods of a few days). The
linear polarisation should vary withphase angle from zero at full phase toa maximum whose amplitude andposition depends on the nature of thescattering particles in the planetaryatmosphere. Measuring thepolarisation signature not only gives
a direct detection of the EXP, incontrast to the more usual indirect
detections by which most EXPs arediscovered, but can provide information
about the planet’s albedo and radius,and on the nature of the scatterers.
Further, from the position angle ofpolarisation the inclination of theare lower than most astronomical
polarimetres can achieve, althoughcomparable sensitivities have beenobtained before, albeit under somewhat
idealised conditions. Kemp et al. (1987,Nature, 326, 270) measured theintegrated light from the sun and gave
an upper limit for the fractional
linear polarisation of 2×10 – 7. However,Kemp et al. used a polarimetre that
directly viewed the sun, rather thanusing an intermediate telescope, andhence avoided the potential problemof telescope polarisation.

• 10 ppm以下の精度があれば、「月面地球照の観測による生命ホモキラリティ円偏光の検出」が可能となる。
PlanetPol has a classical design andtakes advantage of some of thetechniques pioneered by Kemp. It was
designed for use on a range oftelescopes, mounted at the unfolded
Cassegrain so as to minimise telescope
polarisation.
All high sensitivity polarisation
measurements to date have made useof photoelastic modulators (PEM) in
which a slab of non-birefringent
material is stressed using a piezo at
the resonant frequency of the slab, f 0,
thereby reducing the power needed to▲ PlanetPol

Figure 1. Top: Picture shows PlanetPolon the WHT, with left to right: Edwin
Hirst, Phil Lucas, Jim Hough, DaveHarrison and Jeremy Bailey. Bottom:
PlanetPol instrument.

modulation produced by dust on themodulator. The PEMs in PlanetPol aretypemade from fused silica,▲I/FS20
月面地球照（月にwith a PEM90 Controller, all
映る地球の光）manufactured
by Hinds Instruments.
A 3-wedge Wollaston is used as theanalyser, giving better image quality
than the more usual 2-wedge device.
Following the analyser are wheels withcolour filters and neutral density filters.
Two-element Fabry lenses image the液晶位相変調器 (LCM)• (ferro-electric) liquid crystal modulator: LCM• 電圧の切り替えで液晶の配列を変化させることにより、直交する偏光2成分に与える位相差（遅延）を切り替える。
• 典型的な変調速度 : 数10 Hz - 数100 Hz

光電圧 0
位相差 最大半波長板あり

電圧 大
位相差 最小半波長板なしhttps://www.meadowlark.com/liquid-crystal-variable-retarder-p-94?mid=4

A high-sensitivity polarimeter

先行装置: HIPPI

PMTが検出する光強度

about the optical axis using a Thorlabs NR360S NanoRotator(Bailey+2015)
Rotating
this system through 90◦ relative to the modulator heffect of reversing the sign of the modulation seen by the de液晶位相変調器 (LCM)
and provides a ‘second-stage chopping’ which helps to im
accuracy by eliminating some systematic effects (Kemp & B• 直線偏光2成分に位相差を与える1981). A similar system was used in PlanetPol (Hough et al.
• 「位相差なし」「半波長の位相差（偏光方位回転）」を
All the optics are antireflection coated for the wavelength
で数100Hzで切り替え
350–700 nm.
The instrument components are mounted on a standard 30
square aluminium optical breadboard that is attached by 90◦
ets to a mounting plate that bolts to the back of the telescope.
of the structural components, optical mounts and electronics
sures have been constructed by 3D printing in ABS plasti
instrument is therefore compact and lightweight (10 kg).
位相差ありliquidなしcrystal
ありmodulatorsなし
2.2 Ferro-electric

数ms
Two different FLC modulators have been used with HIPPI. T
非偏光is an LV1300-AR-OEM device from Micron Technology.1 I
signed for the 400–700 nm range and is 12.7 mm in diameter h
偏光 cell. The second is an MS Series polar
in a 25 mm diameterrotator from Boulder Non-linear Systems (BNS) designed
wavelength range 425–675 nm and is 22 mm in diameter
15 mm useful aperture. Both devices are designed to be hal
retarders at a wavelength near
500 nm, and depart from hal
時間
光電子増倍菅(PMT)away from this wavelength as discussed further in Section 3modulators are very similar in their operation an
光強度時系列の「段差」から※ 位相変調以上の光検出速 The twovide good polarization modulation with a ±5 V drive wav
度が必要なので、通常の However,偏光度を求める
we have found the BNS modulator to produce much
CCDは不適（測定は1光路で完結）
Figure 1. Schematicof HIPPI optical system (not to scale).
PMT diagramPMTlevels of instrumental
polarization, and it is therefore curren

POPO開発計画• HIPPI をモデルとして、高速位相変調型の装置 POPO (POlarimeterfor Precise Observations) を開発する• 目標精密度は、直線偏光度で ppm台、円偏光度で~10 ppm• 高速「位相変調＆光検出」→ 秒以下の時間分解能も達成可• HIPPIで使われるPMTは空間分解能を持たないという欠点あり• 近年、CMOSカメラ等の高速カメラの進化は著しい➡ POPOでは、光検出器をPMTから高速カメラに置き換え、撮像機能を持たせることを目指す。
POPOは (高い検出精度 or 高い時間分解能) and 撮像機能を持つ特徴的な装置になる。
→ 地球照以外にも様々なサイエンス• 年次計画• 21年度: 撮像機能なし/直線偏光のみで開発• 22年度: 円偏光測定機能の追加• 23年度: 撮像装置化

POPO光学系

瞳測光系

SO• 最終的には、2光路とも撮像系にする構想

Mを取り付けたC• 当初、撮像系には仮のCMOSカメラ (ZWO製)

2b系に分かれ、それぞれ独立に計測

ズンレ• ウォラストンプリズム(WP)で瞳測光系と撮像

T

32a90 cm

PMズ
ンレズ
ンレPW)
1(Rズンーレタル
ィ
フり絞野M

視LC

30 cm

撮像系

直線偏光・非撮像 試験観測
2021年9月になゆた望遠鏡に取り付け、ファーストライトを達成

Stokes q (%)

灰色: 個別測定点
青色: 10区間にビニング▲ なゆた望遠鏡に取り付けられたPOPO

視野確認用 画像
平均値: 9.4e-04(0.094%)
標準偏差:5.2e-03(0.52%)
PMT出力
標準誤差: 2.1e-05 (21ppm)~10分▲ 無偏光標準星ξ02 Cet (R=4.3mag)
試験観測から得たストークス q~10分の観測で標準誤差~20 ppm が得られた

2022年度の進捗

2022年度の目標・計画• 目標1: 部分的な撮像装置化• 仮カメラをANDORのCMOSカメラ「Zyla 4.2 Plus」に交換し、1光路で偏光撮像観測ができるようにする。
• 目標2: 円偏光観測機能の追加• LCMの後方に 1/4波長板挿入機構を追加する。

TPM

1/4波長板挿入機構を追加

ZWOカメラをANDOR Zyla に交換

SO

M

CLCM

直線偏光撮像 試験観測

木星

露出時間: 50 ms• カメラの交換後、2022年7-8月に試験観測を実施

偏光観測ではない普通の撮影→(フルサイズ 2k x 2k)~2ʼ• 偏光撮像観測の設定例• 位相変調: 200 Hz• 撮像速度: 200 fps (5 ms/枚)}~0.05秒分 (~10枚) 動画

1秒分 (200枚) 動画

トワイライトVega

同期~12”• 露出時間: 3.9 ms• 読出領域: 200 x 200 pix• ビニング: 4 x 4 pix (0.2”/binned-pix)

偏光「撮像」のファーストライトを達成

1枚毎に明暗が切り替わる ➡ LCMとの同期がとれている像が横に伸びるのは
WP分離角の波長依存性による

直線偏光撮像 試験観測
• 天体: 無偏光標準星
γ Boo (R=2.9 mag)
• 撮影速度: 200 fps

ﬂux (ADU)• 観測データ• 撮影枚数:120,000枚 (~10分)• 読出領域: 304 x 304 pix• ビニング: 4 x 4 bin

~10分
0.25%

• 画像処理: 直近のスカイ画像を差し引く（だけ）• 測光: 画像内の全ピクセルのカウン
トを単純加算Stokes u• 解析

灰色: 個別測定点
青色: 10区間にビニング

平均値
4.0e-04
標準偏差 2.3e-03
標準誤差 9.3e-06

簡易解析だが、標準誤差 ~10 ppm を得た~10分

1/4波長板挿入機構の実装• 1/4波長板は円偏光を直線偏光に変換する• 電動フィルターホイールで挿入待避• 1/4波長板の遅軸方位は基準方位に対して45• ついでに、半波長板（遅軸方位=22.5 ）も装填
• 直線偏光方位を45 回転させる➡ q 観測 と u 観測の切替時間を短縮
半波長板

1/4波長板2023年春に円偏光試験観測を予定

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2台目高速カメラの選定・入手
iXon Ultra 897:
The market leading backilluminated EMCCD, now
accelerated to 56 fps.

• 候補機種:The iXon Ultra 897 platform takes the popular
back-illuminated 512 x 512 frame transfer
sensor and overclocks readout to 17 MHz,
pushing speed performance to an outstanding
56 fps (full frame), whilst maintaining single
photon sensitivity and quantitative stability
throughout. New Optically Centred Crop Mode
unlocks unparalleled frame rate performancefrom centrally located ROIs, ideal for theparticular speed and sensitivity requirements ofsuper-resolution microscopy.

• ANDORのEMCCDカメラ「iXon Ultra 897」
• EM = electron-multiplying = 電子増倍• 浜松ホトニクスのCMOSカメラ「ORCA-Quest」• デモ機を室内実験で比較

The iXon Ultra maintains all the advanced performance
DWWULEXWHVWKDWKDYHGHɔQHGWKHLQGXVWU\OHDGLQJL;RQUDQJH
such as deep vacuum cooling to -100°C, extremely low
spurious noise, and Andor’s patented EM gain recalibration
technology (EMCA™). Count Convert functionality allows realtime data acquisition in units of electrons or incident photons
and OptAcquire facilitates one-click optimization of thisversatile camera to a variety of application conditions.

iXon vs Quest
10000

Active pixels (H x V)

512 x 512

3L[HOVL]H :[+ƅP

16 x 16

Image area (mm)8.2 x 8.2

Active Area Pixel Well Depth (e-)

180,000

Max Readout Rate (MHz)Frame rates (fps)1756 (full frame) 11,074

Read noise (e-)<1 with EM gain

QE Max>95%

Additional features of the iXon Ultra include plug and play USB
connectivity, a lower noise conventional CCD mode and an
DGGLWLRQDO&DPHUD/LQNRXWSXWRɓHULQJWKHXQLTXHDELOLW\WR
GLUHFWO\DFFHVVGDWDIRUȑRQWKHɕ\ȒSURFHVVLQJLGHDOO\VXLWHGWR
data intensive applications such as adaptive optics or superresolution microscopy.

1000

Stability Plot

SNR.H\6SHFLɔFDWLRQV

100

200 fpsで比べると iXonのほうが Quest よりもSNRが良い

EM Gain stability in the iXon Ultra 897 @ 55
fps. 500 frame kinetic series; frame transfer(overlapped) acquisition; 17.8 ms exposure
time; x300 EM gain.

10200 fps
100 fpsiXon (exp=4.9ms, w/ EM)
iXon (exp=4.9ms, wo EM)
Quest (exp=2.5ms)
Quest (exp=4.9ms)(同じ撮影速度のとき、露出時間が iXonの方が長いから)

3

10.1

1

10

100

1000

ND transmittance (%) =入射光の強さ

iXonを選定・入手した。

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進捗まとめと今後• 進捗• 2光路のうちの1つに、ANDORのCMOSカメラ「Zyla 4.2 Plus」を取り付けた• 2022年7月、直線偏光撮像観測を初実施• R=2.9等、~10分連続観測で、標準誤差 ~10 ppm• 円偏光観測のため、1/4波長板挿入機構を実装した• 2台目のカメラとして、ANDORのEMCCDカメラ「iXon Ultra897」を選定・入手した• 今後• 2023年春: 円偏光撮像観測を初実施• 2023年末まで: 2台目カメラを取り付け、完全な撮像装置化• 2023年度でハードウェアの開発に区切りをつけたい
14謝辞
本研究は以下のご支援を受けております。
ご支援ありがとうございます。

• 兵庫県立大学 特別研究助成金• 住友財団 基礎科学研究助成• 国立天文台 共同開発研究• ひょうご科学技術協会 学術研究助成• 日本学術振興会 科研費基盤C

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