スライサー型面分光ユニットを開発してみて尾崎

2019/2/25,26

第8回

忍夫（国立天文台）

可視赤外線装置技術ワークショップ

1

内容


イントロダクション


面分光とは



FOACS IFU紹介FOACS IFU開発を通して見えてきた技術課題

将来へ向けて2019/2/25,26

第8回

可視赤外線装置技術ワークショップ

2

ハイパースペクトルイメージング

データキューブを得る測定手法の総称

医療やリモートセンシングなど多様な分野に応用されている。



天文分野では３次元分光（tridimensional spectroscopy）



手法は様々


スリット分光器でスキャン（時間がかかる）



複数枚のフィルターで撮影（時間がかかる、波長分解能悪い）

複数のダイクロイックミラーで光を波長方向に分けて撮影 （波長分解能悪い）

面分光ユニットを使用 （視野または波長範囲が狭くなる）

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3

面分光


１度の露出でデータキューブを得られる手法


天候変動の影響を受けない均質なデータ



貴重な望遠鏡時間を有効に活用できる2019/2/25,26

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4

面分光装置Kyoto 3DIIでの観測例
NGC1052の[OIII]5007 イメージ
コントアは電波1.4GHz
Sugai et al., 2005

3 arcsec

3 arcmin-1162 km/s

-1075 km/s

-769 km/s-463 km/s-157 km/s

149 km/s

455 km/s

761 km/s

NGC1052の各速度成分のイメージ
空間分解能 ~0.4” ; R~1200
Sugai et al., 2005, ApJ, 629, 131

面分光ユニット

面分光ユニット
検出器は2次元2019/2/25,26

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3次元
6
データキューブ

面分光ユニットのタイプ

マイクロレンズアレイ

ファイバーアレイ（＋マイクロレンズアレイ）

イメージスライサー

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イメージスライサー型
面分光ユニット
Top view
瞳ミラー

Side view

ピックアップミラー望遠鏡

拡大光学系スライサー

分光器へ

スリットミラー擬似スリットFOCAS IFU


遠方銀河などの淡く広がった天体の観測を目的とする。


反射面に高反射率誘電体多層膜ミラーを採用することで高いスループットを達成している。



ベストシーイング程度の適度に粗いサンプリングを採用することで、淡く広がった天体への感度向上を狙っている。

既存装置を利用することで少ないコストと労力で面分光機能を実現する。

TMT第一期装置 可視光撮像分光装置WFOS用IFUのための実証試験もかねる。

Slit mask

IFU

Mask stacker
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FOCAS IFU First light!

March 2, 20182019/2/25,26

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公差設定
 結像性能 瞳ミラー・スリットミラーが全ての光を拾う
 隣り合う擬似スリットが重ならない

 分光器内光学系でのケラレ量を最小にする

スライスミラー

瞳ミラー

スリットミラー

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角度0.005°以下

横ずれ0.05mm以下

角度0.03°以下

横ずれ0.06mm以下

角度0.03°以下

横ずれ0.04mm以下

各ミラーに対する個別の誤差要素の許容誤差

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この二つが厳しい

ミラーサイズを考慮すると角度精度は3-4µmのアライメント精度に対応

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IFU単体スループット


Mean: 85.0%

Median: 87.3%



予想スループット（ケラレなし仮定）


コーティング＋レンズ内部透過率



ケラレ

~87%

~95%

8%



設計 ~3%（視野角）



公差込み ~5% 程度の増加

Goal

Ch01, 02, 23
Right end of Ch13
Defects of Ch10
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予想スループット（ケラレなし仮定）~95%

誘電体多層膜ミラーの反射率が良かった。

2019/2/25,26

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スループット低下要因１
スライサー組立精度


試作と実機で大差ない

Ch23を除いて最大8%のケラレ に相当Ch23 12％のケラレに相当

実機組立では試作時での経験から工程を改善させている。

Ch23
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スライスミラーの反り

Tan-1 (5um / 5mm) ~ 0.06 度

スライスミラー基板単体の反り~0.4 um PV

積み重ねて抑えることでスライスミラーが徐々に反るような変形が生じる？



スライスミラーは23枚

0.4um × 12 = 4.8um

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スライスミラーの瞳結像性能


レーザーをビームエクスパンダ－でスライサー全面に当たるようにして、瞳結像性能評価した。

確かに押さえつけることで変形が起こっている。

組み立てた状態

ばらした状態

Zemaxでの予想

スループット低下要因２
スリットミラーオプトメカ製造誤差
~4%のケラレ増加に対応

組み立てられないことはない

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スループット低下要因３
拡大光学系折り曲げミラー


折り曲げミラーアライメント誤差のため、視野の角でケラレ6.5mm径

スループット低下要因４
Ch10のエッジの欠け
剥離部分

褶曲部分

120µm

ガラス板

コーティングガラス板

コーティング
応力がかかって褶曲している部分。

典型的な疑似スリット像

Ch10の疑似スリット像
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20

スループット低下要因５
実験室の光学試験手法


望遠鏡からの光を模した入射光

IFUからの射出光方向測定方法



これから検証

21

Goal

スリットミ
ラーオプトメ
カ製造誤差
光学試験手法

スライサー製
造誤差

設計＋公差

Ch01, 02, 23
Right end of Ch13
Defects of Ch10

折り曲げミ
ラーのアライメント誤差

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Wide Field Optical
Spectrograph (WFOS)

TMT第一期観測装置の一つ



国際共同開発

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UCSC (US), Caltech(US), NIAOT (China), IIA (India), NAOJ(Japan)


NIAOT: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology

IIA: Indian Institute of Astrophysics

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WFOS IFUへ向けて


スライサー


材料をヤング率の大きなセラミックにする

オプティカルコンタクト、もしくはやんわりと押さえる（技術試験、技術開発）



エッジ処理（技術試験）



アライメント調整・確認手法の見直し

光学設計の工夫で公差を緩くする。



業者との作業分担をどうするか？

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