イメージスライサー型IFUの光学レイアウトの変遷とWFOS IFUの光学レイアウト
尾崎 忍夫（国立天文台）

2020/12/1,2

可視赤外線観測装置技術ワークショップ20201

内容• 面分光とは• イメージスライサー型面分光ユニット（IFU）の光学レイアウト• WFOS IFUの進捗• WFOS: 30m望遠鏡TMTの第一期観測装置の一つ、可視光撮像分光装置

2020/12/1,2

可視赤外線観測装置技術ワークショップ20202

内容• 三次元分光と面分光• イメージスライサー型面分光ユニット（IFU）の光学レイアウト• WFOS IFUの進捗

2020/12/1,2

可視赤外線観測装置技術ワークショップ20203

三次元分光（tri-dimensional spectroscopy）• データキューブを得る手法の総称• 三次元分光の手法• 面分光• 複数のバンドパスフィルター• スリットスキャン• スペクトロネビュラグラフ

• 中⼼波⻑可変ファブリペロー⼲渉計（チューナブルフィルター）• 京都三次元分光器• 面分光以外はデータキューブを得るために複数の露出が必要。

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

YλX

データキューブ4

面分光• 三次元分光の１種• １度の露出で面を一気に分光する手法• 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時間効率性• 世界では光赤外天文学の主要な観測手法になった。
• 日本ではまだまだ普及していない。
データキューブ
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

5面分光ユニット（Integral Field Unit; IFU）
• ３次元情報を２次元平面の検出器に写し込む役割を担うのが面分光ユニット（IFU)
IFU

3次元
データキューブ
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

検出器は2次元6

面分光ユニットのタイプ
京都三次元分光器

KOOLS IFU

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

FOCAS IFU

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ20207

内容• 三次元分光と面分光• イメージスライサー型面分光ユニット（IFU）の光学レイアウト• WFOS IFUの進捗

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

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イメージスライサー型IFUの光学レイアウト• 光学レイアウトはスライサーへの入射瞳位置とスライサー以降の光学系によってバリエーションがある。
• スライサーへの入射瞳位置• 無限遠（テレセントリック）• スライサー背後に瞳像虚像を作る• スライサー以降の光学系• 反射面数：２面、３面• 反射面形状：フラット、曲率あり

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3D• 4.2m WHT, 3.5m Cala Alto and 2.2m ESO telescope in Chile• SINFONI/VPL、KCWI/Keckが踏襲• 瞳ミラーが大きくなる。

スライサー：フラット

瞳ミラー：フラット2020/12/1,2

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Oxford SWIFT• 瞳ミラー上に瞳像を作ることで瞳ミラーアレイをコンパクト化
スライサー：フラット

瞳位置：スライサー背後

瞳ミラー：フラット2020/12/1,2

Tecza et al., 2006, Proc. SPIE, 6273, 62732L

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GNIRS IFU• Advanced Image Slicer layout (Content, 1997, Proc. SPIE,2871, 1295)

瞳位置：
無限遠（？）

イメージスライサー：
凹面• 瞳ミラー上に瞳像を結像させることにコンパクト化• FOCAS IFUで採用• ３つのミラーアレイともに曲率を持っているので製造・組立公差が厳しくなる。
• ミラーアレイ一体加工で一部回避• 外側の瞳ミラーで反射角が大きくなるので収差が大きくなる。
• FOCAS IFUでは軸外し楕円面にして対応

瞳ミラー
凹面
スリットミラー
凹面
擬似スリット2020/12/1,2

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SWIMS IFU

イメージスライサー：フラット• スライサーの背後に瞳像の虚像を作るようにすることで、スライサー反射面をフラットにする。

瞳位置：
スライサー背後• 複雑なスライサーの加工が容易になる。
• 特に一体加工する場合には大きな利点• スライサーへの入射光がテレセントリックでないので、データキューブにしたときのイメージにディストーションが生じる

瞳ミラー
凹面

• ３つのミラーアレイともに曲率を持っているので製造・組立公差が厳しくなる。

スリットミラー
凹面
擬似スリット• ミラーアレイ一体加工で一部回避

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瞳ミラー：
凹面

NIFS

スリットミラー：凹面• Concentric layout (Hart, McGregor and Bloxham,2003, Proc. SPIE, 4841, 319)• 瞳ミラーとスリットミラーをスライサー中⼼に扇形に配列させる。
• 右の投影図において、瞳ミラーでは元来た方向に反射するようにして、反射角を小さくしている。
• 大きなコリメーターが必要。

スライサー：
凹面• 専用分光器でしか機能しない。

• ３つのミラーアレイともに曲率を持っているので製造・組立公差が厳しくなる。
• ミラーアレイ一体加工で一部回避

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ202014疑似スリットの傾き

Dispersion direction

Dispersion direction
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15MUSE• 1分角の視野を24個の分光器で面分光

Henault et al., 2004,Proc. SPIE, 5492, 909

視野を２４分割するユニット
Caillier et al., 2014, Proc.
SPIE, 9147, 91475K
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Laurent et al., 2008, Proc. SPIE, 7018, 70180J
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

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MUSE：イメージスライサー• 12スライス×4• 凹面Laurent et al., 2008, Proc. SPIE, 7018, 70180J

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MUSE：
瞳ミラー• 凹面

Laurent et al., 2008, Proc. SPIE, 7018, 70180J
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

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MUSEのIFU• ミラアレイは２つだけ。
• ２つとも曲率を持っている。
• 製造・組立公差は３つの場合よりは緩くなるが、フラット２面構成よりは厳しい。
• 汎用分光器にも使えるかもしれない。未確認• スライサーはF比を変えないが、瞳位置を変える。
• 瞳ミラーはF比も瞳位置も変える。

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ202020

内容• 三次元分光と面分光• イメージスライサー型面分光ユニット（IFU）の光学レイアウト• WFOS IFUの進捗

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

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WOFS IFU開発体制
WFOS-Jリーダー
宮崎 聡（ATC/TMT-J）
WFOS IFU担当
尾崎 忍夫（Subaru）

機械設計
浦口史寛（ATC）
清水 莉沙（ATC）

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光学設計
尾崎 忍夫（Subaru）
都築 俊宏（ATC）

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

8.3×3 arcmin2

Wavelength
coverage

310 – 1,000 nm

Observation modeLong slit spectroscopy

NIAOT: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology

IIA: Indian Institute of Astrophysics• 今後、その他の機関も参加予定

2018/04/04

Field of View

Imaging
Multi slit spectroscopy

Spectral resolution

R~1500, 3500, 5000 for 0.75” slit width

23

現在のコンセプト

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From the telescope

Current concept of WFOS IFU

疑似スリット
虚像

望遠鏡焦点面拡大光学系

WFOS IFUのメイン光学系は二つの平面ミラーから構成されている。
FOCAS IFUでは３面の曲率を持った面から構成されていた。
これにより誤差要素が少なくなり、各誤差要素に対する公差を低くした。

瞳ミラー
フラット

イメージスライサー
フラット
To WFOS main optics

瞳ミラー

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拡大光学系からの光

可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

イメージスライサー

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WFOS IFU parameters• 出来るだけ広い視野をとれるように最適化

27 arcsec

Magnification factor ofrelay optics

1.1

4.125

Slice width (mm)

3.60

1.80

3.60

1.80

Slice width (arcsec)

1.5

0.75

0.4

0.2

FoV (arcsec x arcsec)

20 x 27

20 x 13.5

5.87 x 7.2

5.87 x 3.6

出来るだけ視野を広くしたモード

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GLAOを想定

20 arcsec
20 arcsec

5.33 arcsec

可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

3.6 arcsec

18

7.2 arcsec

Slice number

13.5 arcsec• ２つのイメージスライサーと２つの拡大光学系を切り替えることで４つの視野・サンプリングを実現

5.33 arcsec

26

FM4FM1

FM3
CamM3

ColM2

ColM4
CamM4
CamM1

Baffle
ColM3

FM5

ColM1
Baffle

FM6

CamM2

FM2

光学レイアウトx1.1

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

27

FM4
CamM3

ColM2

ColM4

Baffle

FM5

FM1

FM3

CamM4
CamM1
ColM3

ColM1
Baffle

FM6

CamM2

FM2

光学レイアウトX4.1252020/12/1,2

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メカ概念構造
Science FOVInterface to RSTR
瞳ミラー

X4.125
opticalbenchx1.1
opticalbench

スライサー

Mass: 350 kg
3.6 mm
1.8 mm

各瞳ミラーに調整機構をつけることで、瞳ミラーホルダーの製造公差を低減させる。
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Optical IFUs on other ELTs
ELTGMTGMACSMANIFEST is a fiber feeding module andprovides an IFU capability for GMACS.
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HARMONI

MANIFESTHRMONI for ELT is mainly for near IR, but
its sensitivity extends to optical range.

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Comparison with GMACS/MANIFEST
and HRMONI• HRMONI focuses on a fine spatial sampling for a narrow field.
• GMACS/MANIFEST provides a single IFU mode with φ6” FoV(Lawrence et al., 2016, Proc. SPIE, 9908, 99089O). There is no otherdetail information.

• The spatial sampling of 0.25” is taken from an old proceeding (Goodwin et al., 2012,
Proc. SPIE, 8446, 84467I).

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考慮すべき３種類のボケ
望遠鏡焦点面検出器共役面
虚像面
望遠鏡焦点面検出器共役面

スライスミ
ラーの虚像

２，虚像面と検出器の共役面とのずれによるボケ （スライス⻑さ方向空間分解能の劣化）

瞳ミラー

瞳ミラーから見た像面
スライスミラー３，スライスミラーの虚像と検出器共役面とのずれによるボケ（波⻑分解能の劣化）

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Relay optics

１，スライスミラー反射面と像面とのずれによるボケ（スライス幅方向の空間分解能の劣化）

スライスミラー可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

像面32

スライサー段差での迷光

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

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迷光解析で得られた疑似スリットイメージ
ログスケール。Path01が⻘、Path02,03が緑、Path04が赤。

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Oxford SWISTの例

Tecza et al., 2006, Proc. SPIE, 6273, 62732L
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まとめ
• 面分光とは１度の露出で面を一気に分光する手法• 面分光ユニット（IFU)とはスペクトルが重ならないように、視野を分割し再配列する光学系のこと• イメージスライサー型IFUは検出器受光面を最も有効活用できる。
• イメージスライサー型IFUの光学レイアウトはスライサーへの入射瞳位置と、スライサー以降の光学素子の面数・曲率の有り無しで様々なバリエーションがある。

• WFOS IFUは公差を緩くするためと、WFOS内のスペースから、フラット２面構成をベースラインとしている。
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020

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