2021年6月4日
TMTに向けた開発ミニワークショップ

Second-Earth Imager for TMT (SEIT) 実現に向けた高コントラスト観測システムの開発
村上尚史（北海道大学），山本広大（京都大学），小谷隆行（ABC/国立天文台），河原創（東京大学），田村元秀（東京大学/ABC/国立天文台），SEICA & SEITメンバ
謝辞： TMT戦略基礎開発研究経費では、主に以下の研究開発を推進しました。ご支援に厚くお礼申し上げます。
• せいめい望遠鏡SEICAへのコロナグラフSPLINE搭載実機開発• 将来の高コントラスト観測技術（ポストプロセス技術など）の基礎研究

SEIT (Second-Earth Imager for TMT) の提案 ➔ PSI-blueへ合流• 構成： 極限補償光学・コロナグラフ・ポストプロセス系• 装置性能： 主星から離角0”.01-0”.02でコントラスト 10-8
• 主要なサイエンス目標：• 晩期型星ハビタブルゾーンに存在する地球型惑星の直接観測およびキャラクタリゼーション• e.g., O2はロバストなバイオシグネチャーと期待大気揺らぎTelescope✔ 大気揺らぎに起因する天体光波面を測定・補正✔ 主星（恒星）光を強力に除去

Thirty Meter Telescope (D = 30m)
Artist impression© NAOJ TMT Project/ 4D2U Project✔ コントラストのさらなる改善✔ 惑星光の分析

ExAO

CoronagraphPost-process system

資料情報： Courtesy of 山本広大（京都大学）

SEICA (Second-generation Exoplanet Imager with Coronagraphic Adaptive Optics)• 京都大学せいめい望遠鏡（口径3.8m)• TMTと同じ分割主鏡（18枚）、アクセスが容易• 極限補償光学・高コントラスト装置SEICA ➔ 2022年度FL目標• サイエンス目標： 木星質量の惑星 (> 0”.2) の直接観測・キャラクタリゼー
ション (YJH bands, goal 10-5~-6)• 技術目標： TMTでの惑星撮像装置に向けた先進技術の開発・実証• 分割主鏡に特化した高性能コロナグラフ• 高速変動する大気揺らぎの精密測定・補正 ・・など
From Kyoto Univ. SEIMEI Telescope Website
http://www.kusastro.kyoto-u.ac.jp/psmt/
Marois et al. (2010), Nature, 468, 1080

7MJup

10MJup

白円： 0.2”

9MJup
10MJup資料： Courtesy of 山本広大（京都大学）

SEICAの開発体制◆ 主に5機関/10名でそれぞれ開発進行中◆ 補償光学◼ 全体光学系：◼ 新方式波面センサ：◼ FPGA制御装置：

京都大学
京都大学
大阪電気通信大学◆ コロナグラフ◆ ポストコロナグラフ◼ コロナグラフ系：◼ スペックルナリング：◼ 惑星RV分光器：

北海道大学
北海道大学
東京大学/ABC

2020年度末

2021年度末◆ 開発場所: 京都大学 → せいめい望遠鏡ドーム
要素技術等の主な開発拠点
サイエンス

ポストコロナグラフ開発

コロナグラフ開発

補償光学開発東京大学
京都大学

ABC/NAOJ
北海道大学

大阪電気通信大学 4資料： Courtesy of 山本広大（京都大学）

SEICA全体図
望遠鏡光線

水冷定盤
(1400x1400
通年20℃)

Tip/Tilt
monitorImR
Tip/Tilt mirror
ADC

1400

WooferAO
TweeterDM(可変形鏡+ダイクロ)

WooferWFS
コロナグラフ(SPLINE)

TweeterWFS
(PDI)

カメラ
(C-RED2)

1400

Murakami & Baba, Optics Letters, 35, 3003 (2010).

SPLINE (Savart-Plate Lateral-shearing Interferometric Nuller for Exoplanets)• コロナグラフSPLINEの特長••••

シンプル・高安定な光学系（機械的稼働部がない）
アクロマティックな恒星除去（波長依存性が（少）ない）
任意の望遠鏡瞳に対応可能（分割主鏡に適応可能）
恒星のごく近傍に迫れる（小さなIWAを実現可能） ➔ 1.5λ/Dに設定（下表）P1(0o)

天体光P2(90o)

Savart Plate

Lyot stop

Imaging lensDetector

Shear s

IWA = λ/(4s)位相0光波干渉の様子D

打ち消し合う干渉ビーム
横シフト s
位相πSEICASEIT/TMT

IWA0”.100”.012

D

3.8m

30m

S

0.64m

5.1m

SEICA搭載用2チャンネルSPLINEの提案
偏光分離プリズムを用いた2チャンネル構成 ➔ 光量スループット向上
From
Tweeter DM

楔形方解石プリズム

Savart板 (LB4)
レンズ

Image sensor

Lyot stop

Bright出力（強め合う干渉出力）
Null出力（恒星光が除去）
無偏光入射
偏光分離 ビーム分離＋ 横シフト

Bright出力
位相0

偏光選択

ビーム
横シフト

室内試験で得られた射出瞳像打ち消し合う
光波干渉

位相π

SEICA/SPLINE作業工程
FY2014

偏光プリズム製作開始（偏光分離プリズム＆Savart板）

FY2015

偏光プリズム製作完了(偏光分離プリズム残り)、光学収差解析

FY2016

仮組み、室内試験、要求アライメント精度見積もり

FY2017

安定性評価、ホルダ・調整機構の仮製作

FY2018

ホルダ・調整機構の本製作、アセンブル(仮組み)、安定性評価

FY2019リヨストップ設計・製作

レンズ系製作、アセンブル (モジュール化)

FY2020

FY2021

アセンブル (継続)、 SEICAとの接続

FY2022

SEICAとの接続 (継続)、ファーストライト(目標)偏光プリズム製作／収差解析
偏光分離プリズム（方解石）

偏光プリズム製作完了

サバール板
(LB4)

収差の影響は十分に小さい

9

SEICA/SPLINE作業工程
FY2014

偏光プリズム製作開始（偏光分離プリズム＆Savart板）

FY2015

偏光プリズム製作完了(偏光分離プリズム残り)、光学収差解析

FY2016

仮組み、室内試験、要求アライメント精度見積もり

FY2017

安定性評価、ホルダ・調整機構の仮製作

FY2018

ホルダ・調整機構の本製作、アセンブル(仮組み)、安定性評価

FY2019リヨストップ設計・製作

レンズ系製作、アセンブル (モジュール化)

FY2020

FY2021

アセンブル (継続)、 SEICAとの接続

FY2022

SEICAとの接続 (継続)、ファーストライト(目標)SPLINE/SEICA仮組み
ファイバ光源SPLINE実機・アライメント機構→ アライメント手順の確立

①

入射瞳
②

SPLINE

LB4サバール板③
Y④

アライメント用望遠鏡

ZX

CMOSカメラアライメント用望遠鏡 (Borg 77ED II)：
射出光線が平行になるように（すべての像が同じ位置に重なるように）、各プリズムをアライメント

要求アライメント精度の評価／室内実証試験
アライメント精度評価

実証試験結果（瞳面観測）

各プリズムのアライメント誤差

Laser (λ = 670nm)

天体光波面傾斜 or
偏光制御誤差Contrast (PSF peak): 6.0×10-3

SPLINEコントラスト劣化
目標コントラスト（ピーク）サバール板(Y軸回り)

10-1.5

Xenon lamp (λ ~ 500-700 nm)±0.22分角

プリズム①②（Y軸回り・相対位置)±1.94分角

プリズム①（Z軸回り）
プリズム②（Z軸回り）±135分角
±99分角黒田真之佑，村上尚史，他，日本天文学会2016年秋季年会V235a

Contrast (PSF peak): 1.7×10-2
目標コントラスト(10-1.5) クリア

SEICA/SPLINE作業工程
FY2014

偏光プリズム製作開始（偏光分離プリズム＆Savart板）

FY2015

偏光プリズム製作完了(偏光分離プリズム残り)、光学収差解析

FY2016

仮組み、室内試験、要求アライメント精度見積もり

FY2017

安定性評価、ホルダ・調整機構の仮製作

FY2018

ホルダ・調整機構の本製作、アセンブル(仮組み)、安定性評価

FY2019リヨストップ設計・製作

レンズ系製作、アセンブル (モジュール化)

FY2020

FY2021

アセンブル (継続)、 SEICAとの接続

FY2022

SEICAとの接続 (継続)、ファーストライト(目標)安定性・環境温度依存性の評価
測定コントラストピークコントラスト(×10-2)

2.0

モデル化したコントラスト

温度安定化後に予想されるコントラスト

1.51.0

初期コントラスト=1.3×10-30.50.0
測定環境温度

環境温度(deg. Celsius)

28

安定化した環境温度モデル（縦の実線は午前0時を示す）

272625240246

経過日数8101214■ SPLINEコントラスト劣化（変動）の要因
温度変動によるホルダのたわみ ➔ SPLINEへ入射する天体光波面にtiltがつく？
黒田真之佑, 村上尚史, 他，日本天文学会2017年秋季年会

ホルダ・調整機構・アセンブル

偏光分離プリズム
LB4 Savart plate

Calcite prism pair
(Polarizing beam splitter)

Calcite prism pair
(Polarizing beam combiner)

偏光分離プリズム（方解石）

偏光分離プリズム
サバール板(LB4)＋ リレーレンズ製造完了

SEICA/SPLINE作業工程
FY2014

偏光プリズム製作開始（偏光分離プリズム＆Savart板）

FY2015

偏光プリズム製作完了(偏光分離プリズム残り)、光学収差解析

FY2016

仮組み、室内試験、要求アライメント精度見積もり

FY2017

安定性評価、ホルダ・調整機構の仮製作

FY2018

ホルダ・調整機構の本製作、アセンブル(仮組み)、安定性評価

FY2019リヨストップ設計・製作

レンズ系製作、アセンブル (モジュール化)

FY2020

FY2021

アセンブル (継続)、 SEICAとの接続

FY2022

SEICAとの接続 (継続)、ファーストライト(目標)Lyotストップ設計• Lyotストップ••

副鏡

光波干渉が起きない部分（白い領域）をブロックすることで、原理上、恒星光を完全に除去
厳密解をに設計・評価(FY2017) ➔ 簡略型を検討 (FY2019)
スパイダ

セグメント間エッジ

主鏡有効口径3783mm副鏡有効口径1059mmスパイダ、エッジ太さ5mm

横方向分離

京大岡山3.8m望遠鏡瞳縦方向分離

SPLINE射出瞳像（計算値）

Lyotストップ設計・製作
せいめい望遠鏡瞳

SPLINE出力（実験）

せいめい望遠鏡瞳を模擬した光学マスク（2018年度製作）

Lyotストップ厳密解

簡略型Lyotストップ

黒田真之佑，2017年度修士論文

吉田光希，2019年度修士論文

水平方向コントラスト特性

恒星像（シミュレーション）

1

吉田光希，2019年度修士論文

0.1

Bright output

Contrast

0.01

10−310−4
10−510−6
1010−6Log contrast

0.01−7Null output
05

1015

Angular separation (λ/D)

目標コントラスト(10-1.5) クリアの見通し ➔ Lyotストップ製作完了（2020年2月）

20

SEICA/SPLINE作業工程
FY2014

偏光プリズム製作開始（偏光分離プリズム＆Savart板）

FY2015

偏光プリズム製作完了(偏光分離プリズム残り)、光学収差解析

FY2016

仮組み、室内試験、要求アライメント精度見積もり

FY2017

安定性評価、ホルダ・調整機構の仮製作

FY2018

ホルダ・調整機構の本製作、アセンブル(仮組み)、安定性評価

FY2019リヨストップ設計・製作

レンズ系製作、アセンブル (モジュール化)

FY2020

FY2021

アセンブル (継続)、 SEICAとの接続

FY2022

SEICAとの接続 (継続)、ファーストライト(目標)SEICA/SPLINEアセンブル
TT Cam & Pupil viewer(not shown)

From Telescope
OAP1

OAP2 (not shown)
OAP3

W-WFS

OAP4

TT mirror

WDM
TDM(not shown)

T-WFS(not shown)

OAP5

Sciencecamera

SEICA/SPLINEアセンブル• FY2019までの開発項目•••

SPLINEモジュール化• 光学系全体をベース板に設置
リレーレンズ系アセンブル• ホルダ・マウント類の製作を含む• 集光レンズ・コリメータレン
ズは2018年度に製作済み
瞳モニター導入を決定（Lyotス
トップ設置用）• FY2021年度（以降）の開発項目••••

瞳モニタ系（機械系・光学系）
製作
温度安定化カバー製作
ExAO撮像モード (w/o SPLINE)の検討
SEICA接続に向けた準備（京都大学へ移送など）

From TDM
SPLINE
Lens
Au mirror

Lens

Au mirror

Lyot stop

Target @ focus

Lens
Filter wheel

Pupil monitor

Science path

TMTに向けて検討・開発中の先端進技術の例• 極限補償光学• FPGAによる補償光学制御• 直接位相計測型波面センサ

大気揺らぎ• コロナグラフ• ナル干渉型コロナグラフSPLINE• 焦点面位相マスクコロナグラフ• ポストプロセス• スペックルナリング、焦点面波面センシング、惑星RV高分散分光器、差分撮像技術

Telescope

ExAO

Coronagraph・・・など
Post-process system

まとめ• TMT戦略経費での活動• せいめい望遠鏡SEICA搭載を目指したSPLINEの開発• TMTと同様の分割主鏡で有効、小IWAを目指せるなどの利点• [完了] 偏光プリズム製作、アライメント精度要求の見積もり、光学収差解析、装置仮組み、Lyotストップ設計・製作 など• [推進中] レンズ系構築、SPLINE実機モジュール化 など• [今後] 瞳モニタ構築、ExAO撮像モード検討、モジュール化完了・京都大学へ移送、極限補償光学との接続、ファーストライト（2022年度目標）• ポストプロセス技術開発• 例： SLMを用いたスペックルナリング技術の基礎研究• せいめい望遠鏡/SEICAでの目標• サイエンス目標： 木星質量惑星の直接観測・キャラクタリゼーション• 技術目標：TMTでの惑星撮像装置に向けた先進技術の開発・実証

謝辞： TMT戦略基礎開発研究経費のご支援に、厚くお礼申し上げます。