広帯域・大型・広許容入射角型の偏光光学素子の開発に向けて
川端 弘治 （広島大学宇宙科学センター）
SGMAP チーム（広島大）

可視赤外線観測装置技術ＷＳ2015

1目次
 可視近赤外域の偏光観測→素子の大型化、より広い許容入射角 偏光光学素子の実際
 SGMAP計画と３バンド広視野偏光撮像器必要となる偏光光学素子の検討
ワイヤグリッドタイプ偏光ビームスプリッタ
への期待
可視赤外線観測装置技術ＷＳ20152可視赤外域における偏光観測の原理
 ストークス・パラメーター(I, Q, U, V)を光強度（の変化）から換算する
偏光板（PA=ψ）

入射光(I0, Q0, U0, V0)ψ
出射光(I1, Q1, U1, V1)

ある軸の直線偏光成分のみ透過

入射光の偏光と偏光板の方位角PAに応じて、透過光強度が変化
Q0
I0 =I1(0度) － I1(90度)I1(0度) ＋ I1(90度)

U0I0 =

I1(45度) － I1(135度)
I1(45度) ＋ I1(135度)

検出器
強度I1(ψ) だけを測る

ただ、これでは4回の露出が必要で、その間に大気の透過率が変化すれば、それによる光量の変化が、そのまま測定誤差になってしまう。
可視赤外線観測装置技術ＷＳ20153

しばしば用いられる偏光測定光学系
互いに垂直な直線
偏光成分に分離(Io, Qo, Uo, Vo) 常光(I, Q, U, V)

extra-ordinary(Ie, Qe, Ue, Ve)
半波長板/λ/4波長板(方位角ψ)

偏光ビーム
スプリッター（ＰＢＳ）※位相差を発生

ordinary

異常光※入射光のI, Q, U, V を出射光の強度(の変化)に変換•（偏光板は片方の直線偏光成分を捨ててしまうが、）偏光ビープスプリッターは両方とも使えるように透過／反射する

半波長板のとき →直線偏光
Io = I / 2 ・ { 1 + Q / I cos( 4ψ ) + U / I sin( 4ψ ) } ・ ko ・ κ( t )Ie = I / 2 ・ { 1 - Q / I cos( 4ψ ) - U / I sin( 4ψ ) } ・ ke ・ κ( t )•未知パラメータが３つ ⇒ ψの２方位の測定で直線偏光パラメータを得られる•透過効率ko, keや大気透過率の時間変化 κ(t) が主な誤差要因となることが多いが、４方位以上の測定を行うことで、これらの係数を自己相殺でき、高精度の観測が可能

λ/4波長板のとき →円偏光
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4観測データ（偏光スペクトル）の例

e-ray

o-ray

ＬＩＰＳ（線スペクトル偏光装置） 秋田谷、池田ほか
佐々木（敏）ほか
ビームスプリッター： ウォラストン・プリズム
ビームスプリッター： ロション・プリズム
エシェル・スぺクトログラムが常光・異常光の2本ずつのセットでエシェル・スぺクトログラムが常光・異常光の2本ずつのセットで
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可視赤外線観測装置技術ＷＳ2015
OOPS（岡山偏光分光撮像器）

可視赤外線装置の近年の傾向
 望遠鏡口径の大型化
 大フォーマット検出器による広視野化 （多バンド化、広帯域化）

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望遠鏡
装置
検出器
（センサー）

口径が大きくなると比例してビームサイズが大きくなる
口径1m→8mで8倍2cm立方の複屈折結晶→16cm立方へ視野が広くなるとビームサイズが大きくなる ＋ 光線の傾きが大きくなる
平行光部の光線の傾きと装置の長さがトレードオフの関係にＦ値に反比例して開き角が大きくなる

可視赤外線観測装置技術ＷＳ20157可視赤外線装置の近年の傾向
 望遠鏡口径の大型化
 大フォーマット検出器による広視野化 （多バンド化、広帯域化）

偏光光学素子も、広帯域化、大型化・広許容入射角型化が求められる可視赤外線観測装置技術ＷＳ20158

偏光光学素子の素材・硝材
 複屈折性結晶

方解石、水晶など
 誘電体多層膜（基板は光学ガラス）
 ポリビニルアルコール系 ～偏光フィルム
 ワイヤーグリッド 液晶等

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9可視近赤外域でよく用いられる複屈折性結晶
方解石

水晶

Vが大きいほど常光・異常光の分離角の波長依存性が小さい＝ 広い帯域のフィルターを使用した場合でも色収差が小さくて済む

これらの光学パラメータ以外に、大きな結晶の手に入りやすさ、価格、脆さ／硬さ、加工のし易さ、熱ショックへの耐性、など固有の特徴
透明性・有効波長域の広さ、偏光能率の高さなど、有利な点が多い
但し、脈理・気泡の無い大型の結晶は、極めて高価で入手困難 10 誘電体多層膜
 メリット：扱いやすく、大型化が比較的容易
 デメリット：許容入射角が小さい、有効波長域がやや狭い ポリビニルアルコール系
 メリット：扱いやすく、大型化が容易、許容入射角が大きい デメリット：一方の偏光成分を吸収（＝捨てる）、有効波長域がやや狭い、面精度が悪め

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11 ワイヤーグリッド メリット：扱いやすく、大型化が比較的容易、許容入射角が大きい デメリット：有効波長域がやや狭い、一方の偏光成分（反射成分）は波面精度が悪く使えない（＝捨てる）、（その一方で、近年、技術向上により両方の偏光成分が利用可能な製品や、有効波長域が広い製品が実用化されつつある）
 液晶
 メリット：電場により偏光特性の高速変調が可能
 デメリット：有効波長域がやや狭い、大型化がやや困難

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12大型波長板の例

広島かなた1.5m/HONIRの波長板（λ/2）

ESO VLT 8.2m/FORS2の波長板（λ/2, λ/4）

すばる 8.2m/FOCASの波長板（λ/2, λ/4）９分割（平行光部で使用）
可視域 (350-1000nm?)
有効径 ～12cm

４分割（平行光部で使用） 一体もの（収束光でも使用可）
可視近赤外域 (450-2300nm)
可視域 (360-1200nm)
有効径 ～9.2cm
有効径 ～12cm

いずれもPancharatnum型の超広帯域（2層×3組貼り合わせ） 有効径10cm以上は分割タイプ（平行光部でしか利用できない）
 許容入射角 <~5°

可視赤外線観測装置技術ＷＳ201513

大型偏光ビームスプリッタの例

ESO VLT 8.2m/FORS2のウォラストンプリズム

すばる 8.2m/FOCASのウォラストンプリズム

水晶製 有効径 ～11cm
厚み ~10cm

 分割タイプは利用不可
 これほど大型の結晶で利用可能なものは水晶、フッ化マグネシウムなどごく一部
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142m望遠鏡＋広視野光学系＋偏光解析撮像系・・・専用化~14等より明るい恒星 数百万個の可視3バンド偏光サーベイ
初の全（半）天偏光サーベイ → カタログ化
 天の川銀河の詳細な三次元磁場構造（円盤面、ハロー） Gaia, JASMINE衛星による恒星の高精度距離計測との融合
 低周波の全天偏波マップやALMAの超精細偏光マッピングとも相補的
 星周域・SNRにおける磁場の圧縮・乱れ、外縁部の磁場、磁場の起源…

新しい偏光天体の発見（連星系、ＡＧＮ等）
 恒星の光球形状や活動性・質量放出の統計的研究
 SDSSのスペクトルカタログなどとの相乗効果

星間ダストの統計的性質
 前景 星間偏光の高精度見積もり（ＣＭＢ、系外銀河・超新星）ほか）
 前景 星間吸収の高精度見積もり（Rvの位置依存性）
：
15：

：

予算化はまだ装置設計を進めている

偏光ベクトルの全天マップ （棒の長さ５°が偏光度1%に対応）

9286
685 stars (distance( d > 100(all)3000
63468065pcpc) )4654
2891300known)
1000

Heiles (2000)

90b (deg)

60300-30・サンプル数がまだ少ない
・距離毎に分解すれば３次元的磁場構造へ-60-90180120600l (deg)Tangential
B; Planck 2015 (Planck collab.+ 2015)16-60-120-180

銀河面領域
4°×4°

高銀緯領域
4°×4°
赤丸：V=14等
より明るい星（SGMAPで観測）
黒四角：既存のカタログにエントリされている星既存カタログの星はゼロ

既存カタログの星は14個のみ

サンプル数が ~104 個 → ~106-7 個 に大幅拡大
17

With 40s×4 exposures, ⊿p=0.2% @V=14.0mag、 ⊿p=0.1% @V=13.0mag
Seeing 1.8”, Sky 18mag/arcsec2, total efficiency 20%

1 set of observation takes 4.6 minutes (with overhead), 100 sets in one night
Survey speed: 46.4 deg2/day

1. Galactic plane survey– |𝑏𝑏| < 30°, 𝑙𝑙 = 0 − 220°（12000 deg2）– 12000/46.4  taking 0.71 yr– Weather factor 0.333 → 2.14 yr

2. Mid-high latitude survey– 𝑏𝑏 = +30° − +90° 𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑙𝑙 and 𝑏𝑏 = −90° −− 30° 𝑎𝑎𝑎𝑎 + 60° ≤ 𝑙𝑙 ≤ +160° （13200 deg2)– Weather factor 0.333 → 2.36 yr
These observation will be finished within ~4.5 yr.
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広視野 → Ｆ比小・入射角大・ビーム径大
高精度偏光測定（σp<~0.1%）※最低3方位での直線偏光成分の光量測定が必要→ 地球大気の透過率変動の補償→ 高速の測定（>~10Hz）、ないしは直交偏光成分の同時測定→ 複屈折性素子が必要だが、許容角が限られ、且つ大型結晶材の手配や加工の問題があり、困難
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可視赤外線観測装置技術ＷＳ
2015

主鏡有効径: 𝐷𝐷 = 2.02m
新副鏡径: 𝐷𝐷 = 0.61m, Conic const.= −3.4
合成F値（レデューサまで） 6.0
視野 直径 50’φ
最終F値 2.1
検出器 4k4k CCD ４ケ; スケール0.73”/pixel (15𝜇𝜇𝑚𝑚r’

無色半波長板

20Camera
1-6
CCD1,CCD2
PBS2

PBS1
DP2

PBS3

DP1
DP1
DP1

ダイクロイック
プリズム1, 2DP2

HWP
HWP

Collimator1,2

HWP

Main mirror

FocalReducer

Focal p1831mm

CCD3,CCD4i’

CCD5,
CCD6g’

半波長板、ダイクロ、PBSのいずれへ入射する光線も、全視野にわたり10° 以内に抑えている

80% encircled
energy半径は50’視野、全バンドに亘り <0.66”

偏光ビームスプ
リッタ 1, 2, 3
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要求性能
 有効径150mmφ
許容入射角 ±7°
 分割タイプは不可、一体もの （収束光中に置くため）
 λλ 380-900nm において位相差180±3° 透過率 80%以上 波面精度 λ/2以下
Pancharatnum型（水晶+サファイヤ×3層）+入射角依存性補償板
で充分な薄さ（<30mm）のもので実現できるめどが立ちつつある。
より大きなものは、平行光部での利用を前提にモザイク化すれば実現化
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リターダンスのずれの入射角依存性

Pancharatnum型
サファイア＋水晶＋補償板付き＠640nm
10°でもリターダンスのずれは±3°以内

Sorry.
If you want to see, pleasecontact KK

Pancharatnum型
フッ化マグ＋水晶＋補償板付き＠640nm

HONIRで使用中の半波長板（Pancharatnum型フッ化マグネシウム＋水晶）

Sorry.
If you want to see, pleasecontact KK

10°傾くと70°に達するリターダンスのずれが発生（@1000nm）

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要求性能
 S偏光とp偏光の分離角90° 有効径120mmφ
許容入射角 ±10°

消光比 Tmax/Tmin > 5 (できれば>50)→ 複屈折結晶（グラン・プリズム）
均質な大型の材料は入手困難

誘電体多層膜プリズム
各バンド波長帯／許容入射角にわたって高い消光比を実現できるか？
現状でも偏光能率80%を許容すればワイヤグリッド（キューブ）
誘電体多層膜プリズムの解はあるが…
近年広帯域のものが実用化（国内で対応可能なメーカーは？）

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2015

多層膜キューブビームスプリッタ#2 計算例（PBM2Y）100%

透過率90-10° Ts%

80-10° Tp%

70-5° Ts%60-5° Tp%

500° Ts%400° Tp%

30+5° Ts%

20+5° Tp%

10+10° Ts%

0475495515535555
nm

575595615+10° Tp%
規格値

100%

反射率

90

-10° Rs%

80-10° Rp%70-5° Rs%60-5° Rp%50

0° Rs%

40

0° Rp%

30+5° Rs%

20+5° Rp%

10+10° Rs%

0+10° Rp%
475

24495515

535555nm

575595615

入射角10°で消光比～4

規格値

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Item

DesignCompleteness広帯域半波長板OK

D=150mm𝜑𝜑, Pancharatnum-type withoblique-ray compensator

偏光ビームスプリッタ 1, 2, 3120mm cube type; multi-coating (or wire-grid)

Possibly OK, but low effic.;
further study required

Cube-type BS© TEXHSPEC

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可視赤外線観測装置技術ＷＳ2015

ビームスプリッタとしてのワイヤグリッドへの期待 近年、反射光の波面特性を改善し、ビームスプリッタとして機能するワイヤグリッドが実用化
 許容入射角が広く（>~20°）、大型でも比較的安価であることから、アプリケーションが大きく広がる可能性がある キューブタイプならより広い用途で利用可能
 比較的大型（>20mm）で実用化しているのはおそらく今のところ海外メーカーのみ。
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Thin layer of alminum MicroWire©Edmund Optics

近赤外域に加え近紫外域まで広くカバーするものが量産化（但し、ビームスプリッターとしては使えない）
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©THORLABS©ProFlux

波長範囲 400-700nmをカバーするものが量産化
広帯域の単バンドなら十分カバー大型のものが製作できて、且つ波長域が自由に選べるようになればよい
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P偏光の透過率

S偏光の透過率

P偏光の反射率S偏光の反射率

Thorlab https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8095

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まとめ
 近年の望遠鏡の大型化、広視野化、多バンド化に伴い、偏光光学素子に大型化、許容入射角の広域可が強く望まれる SGMAPで必要となる広帯域半波長板は、15cm直径までは実現のメドがついている 偏光ビームスプリッターは、複屈折性結晶や誘電体多層膜での実現性は高くはない。近年大きく進展しつつあるワイヤグリッドが理想的な解を提供してくれる可能性あり
今後、小型版を購入（試作）・評価を進める予定
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