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日本天文学会2022年秋季大会

Z209c
JASMINE望遠鏡光学系：
変遷と現在ノミナルモデル
国立天文台
JASMINE Project
鹿島 伸悟
他 JASMINEチーム

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背景• JASMINE望遠鏡光学系は、開発当初は口径30cmの3枚鏡(改良型コルシェタイプ)であった• これは、カセグレンやリッチー・クレチアンに代表される2枚鏡システム
では、原理的に像面湾曲と非点収差が補正できず、軸外の性能が著しく劣化するからである• JASMINEは位置天文観測を主とする望遠鏡であり、一度に撮影できる領域は広いほど良いため、画角が取れない2枚鏡は、元々候補にも挙がっていなかった• その後、検出器がTeledyne製のものから国産に変更となり、それに応じて口径が40cmへと拡大された• 口径が大きくなりコストが増加したため、像面を傾けることを前提に2枚鏡の検討も行ったが、あまりコストをげることにはならなかった• そのため、やはり3枚鏡で行くことになったが、コストを下げるため、ミッションが立するギリギリまで口径を小さくし、現在は口径36cmとなっている

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検出器変更1• 当初より、この分野の検出器としては唯一無二のTeledyne H4RGを想定していたが、唯一無二というのはリスクでもある• そこで、予てより地上望遠鏡用として国立天文台で開発が行われて来た国産検出器を宇宙用化し、搭載する方向で開発を進めている• 但し、H4RGとはピクセルサイズもピクセル数も異なる為、光学系の大幅な見直しが必要となる• 具体的には、Teledyne H4RGがピクセルサイズ10m、ピクセル数4096x4096、開発中の国産検出器はピクセルサイズ15m、ピクセル数1280x1280となる• そのため、ほぼ同様の視野を得るには国産検出器を3x3=9個を並べる必要がある• 当然、光学系の焦点距離は大幅に長くする必要があり、また、ピクセル当たりの光子数の問題で、口径も大きくする必要がある• 一番簡単なのは、光学系を先端フード含めて係数倍することであるが、これでは到底フェアリングに納まらないため、新規設計が必要となった

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感度域
15μm画素1280素子 19.2mm(19.2*3+3.3+6.5)/2=33.7

隙間 3.3mm・3x3の配置としては色々なものが考えられるが、「対称性」を重視し、右図のようにした
・この時、最大半画角は0.265度となり、従来のJASMINEより少し小さくなる
・実際はこのような焦点面構成となるが、設計(収差補正)は赤丸で示した外接円内で行っている

感度域
15μm画素1280素子 19.2mm

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隙間 3.3mm

隙間 6.45mm (6.5mmとして計算)

19.2*1.5+3.3=32.1

画角換算(f=7292.3)
レイアウト3x[mm]
y[mm]
033.7
32.1
032.1
32.1

x[deg]
0.000
0.2520.252

y[deg]
0.2650.0000.252

max[deg]0.265
0.2520.357

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従来の光学系• コニック面3面+光路折り曲げミラー3枚構成• 高さ方向に長く、このまま相似拡大するとフェアリングに治まらない

サンシールド

M2

余裕がない

蓋

M1

先端フード

M4

M6M5
M3

余裕がある

小型標準バス6

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光学系変更1
フェアリングは横方向には余裕がある
ため、光路折り曲げミラーのレイアウトを変えて、縦長から横長に変更した

424.8

主鏡(M1)口径φ400mm

M58

2
63

7909.3

M2M3
M4
484.5

679.6

9192.31

jas40x42 oal=680 obs=0.29/0.23 imd=1750

Scale:

0.13

kas

MM26-Aug-20

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検出器変更2• 国産検出器の検討が進み、ピクセルサイズを15mから10mへ高精細化する目処が立ったため、下図のようにそのレイアウトも変更となった• 9枚モザイクでは、中央の検出器の電極の関係で1カ所だけ隙間が大きくなっているが、4枚モザイクでは、綺麗に対称に配置できる
感度域
15μmx1280=19.2mm

隙間 3.3mm

隙間 6.5mm

従来

隙間 3.3mm

等倍比較

感度域
10μmx1920=19.2mm

感度域
隙間 3.3mm
10μmx1920=19.2mm

現行8

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光学系変更2検出器Box
M5★コストダウンを狙い
極力シンプルな2枚鏡光学系も検討した

3枚鏡光学系

315mm

M1M2

M4M3940mm

2枚鏡光学系
M1
M21550mm

検出器Box9

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2枚鏡の像面：像面湾曲の相殺• 前述のように、2枚鏡システムでは原理的に像面湾曲が補正できないため、4枚の検出器をピラミッド状に配置することを考えている• 像面湾曲は大凡球面となるため、像面を球面にできれば相殺できるが、それは不可能であるため、せめて90度対称に4個の検出器を傾け、像面湾曲に対する平均像面にするということである• ただ、これを行っても、非点収差と像面湾曲の残渣は残り、どうしても4隅は所望の性能にできないため、正8角形的な範囲で性能が出ていれば良しとした• ピラミッド形状に関しては、CodeVのユーザ定義面という機能を用いて4角錐面を作成し、これを用いてモデリングした

実際の角度は2度程度

4角錐面

正8角形視野10

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波面収差比較
2枚鏡ストレール比
正8角形内でSR≧0.85(4隅はSR0.76)

3枚鏡ストレール比
検出器全面でSR≧0.99

2D Strehl Ratio

2D Strehl Ratio

jas40xcas19py45deg pyramid det 45deg rot

jas40necx5v vertical m2~m3=940 dis=4000.9989

1.00000.5000 dgwl = 1300[nm], xan = +/-0.25000000, yan = +/-0.25000000
Max.SR = 0.99934061, Min.SR = 0.98759320

設計値では回転対称

0.95000.95

0.4950 dg

0.5000 dg

0.97500.87980.4950 dg
refocus = 0.100, ade = 0, bde = 0, pyramid = -2.019
wl = 1300[nm], xan = +/-0.24748737, yan = +/-0.24748737
Max.SR = 0.99893656, Min.SR = 0.76058834

設計値でも方向性をもつ

0.76060.76

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2枚鏡のコスト• ミラー枚数が5枚から2枚に減るため、ミラー製造費はかなり安くなるが、全体の中でミラー製造費が締める割合は大きくない• コストに効くのは、組み立て調整・測定等に関する工数である• 但し、組み立て調整でドミナントになるのは、パワーのあるミラーだけであり、その点では3枚から2枚にしか減っていない• 且つ、2枚鏡では、像面湾曲を相殺するため、検出器がピラミッド状に配置されるが、この時、その頂点位置を光学系の光軸(中心)位置に精度良く合わせる必要がある• また、像面がフラットな3枚鏡に比べて、検出器の傾きにも敏感である• 更に、軸外性能を干渉計等で測定する際、画角(像高)に応じて像位置をずらす必要があり、非常に煩雑且つ高精度な制御が必要となる• これらの理由により、メーカーでのコスト見積もりで、2枚鏡にほとんどコストメリットがなかった• そうであれば、わざわざ性能の悪い2枚鏡を採用する理由はないため、当初の3枚鏡に立ち返った12

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光学系変更3• 前述のように、コストダウンのため口径は36cmに縮小した• また、M1とM4を一体化して、組立調整費用を抑える案も再浮上したた

め、M1/M4一体型・別体型の2種類を設計した• 一体型は主鏡ユニットの製造は若干難しくコストアップするが、組立工数が減ると思われるため、全体としてはコストダウンする可能性がある• 但し、正確にはメーカーでの見積もり検討結果を待つ必要がある
9M1/M4一体型

982M1/M4別体型

2M13673M167M4M4

jas36t2x1_rd_monte for rd tol

8

Scale:

0.20125.00

MM

kas

3-Sep-22

jas36t1x1z40_125_rd_monte

Scale:

0.20125.00

MM

kas

6-Sep-22

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一体型と別体型のトレードオフ• コストに関してはメーカー検討待ちであるため、光学性能に関するトレードオフを下記する• マイナス要因を赤字にしたが、明らかに一体型の方が良好である• 補遺で後述するが、一体型の主鏡ユニットも、従来より製造しやすい形状に変更しており、若干のコスト増だけで製造は可能と考えているため、もちろん全体のコスト次第であるが、一体型をノミナルにしたいと考えている
項目

一体型

別体型

設計性能

ほぼ全視野でSR=1

SR>0.99

副鏡による遮蔽率

0.350.35

M4の穴による影響

問題無し

光線とのクリアランスが厳しい

製造公差

別体型より少し緩い一体型より少しきつい

M1/M4製造難しい

問題無し

地球直達迷光

問題無し

問題無し

バルジダイレクト迷光

問題無し

若干漏れこむ可能性あり

地球散乱迷光

問題無し

問題無し

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補遺1：M1/M4ユニット• 光学系変更1のM1/M4ユニットと光学系変更3のそれとの比較図を下記する• 1の方では、M4に相当する反射面の角度が大きくなっているが、3ではかなり小さくなっていることが分かる• 容易に想像が付くと思うが、製造上はできるだけこの角度が小さく、突出していない方が作りやすい• 但し、このユニット全体として、中央部に光束が通る穴を開ける必要があり、遮蔽率及び迷光回避の観点からM4の穴はできるだけ小さい方が良いため、穴もテーパー状のものとなり、この観点でも一体ユニットは製造が難しくなる
M1

M1
M4

M4

Taper Hole

光学系変更1光学系変更3

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補遺2：M4穴のクリアランス• 下図は、一体型と別体型のM4穴部分の光路拡大図である• 別体型は、主鏡と副鏡による集光位置を主鏡から遠ざける必要があるため、どうしても投影倍率が大きくなり、有効径も大きくなる• そのため、穴の径も大きくなり、M3で反射した光束の内側光線とのクリアランスが小さくなる• 穴が小さいと光束を蹴ってしまう可能性があり、一方穴近傍の反射面は面精度を出しにくいため、このクリアランスがあまり小さいと問題となる• 更に、穴が大きいと迷光が増えるという副次問題もある

結構厳しい

一体型別体型16

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補遺3：遮蔽を考慮した光路図
 一体型の方の光路図である
 光線遮蔽は、副鏡とM4穴の2カ所で生じるが副鏡での遮蔽の方が大きくなるようにしている
中抜け光束になっていることが分かる

前頁の図はこの部分の拡大図
108.70jas36t2x1_ape typ.2 M1/4 uni body

Scale:

0.23

kasMM

20-Aug-22