WFOS IFU開発へ向けた技術開発
尾崎忍夫、浦口史寛、清水莉沙、都築俊宏、宮﨑聡、服部堯（国立天文台）、石垣剛（岩手大学）、大内正己（国立天文台／宇宙線研）、矢島秀伸、菊田聡（筑波大）、松田有一（国立天文台）、梅畑豪紀（理研）、三橋一輝（東大）

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

1

アウトライン• 面分光とは• スライサー型面分光ユニット（IFU)の加工手法• FOCAS IFUの紹介• WFOS IFU開発プロジェクト概要• WFOS IFU開発へ向けた技術開発

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

2

アウトライン• 面分光とは• スライサー型面分光ユニット（IFU)の加工手法• FOCAS IFUの紹介• WFOS IFU開発プロジェクト概要• WFOS IFU開発へ向けた技術開発

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ20213

面分光• 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

データキューブ

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

4面分光ユニット（Integral Field Unit; IFU）

面分光ユニット

検出器は2次元3次元
データキューブ
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

5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

イメージスライサータイプが最も検出器面を有効利用できる
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

6

イメージスライサー型IFUの原理
天体像をス
ライス

分光器で分光スライスされたイメージを１列に配列

イメージスライサー
細長わいミラーが少しずつ角度を変えながら積み重なっている。

非常に多くの光学素子が必要
多くがミラー
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021
FOCAS IFUのレイアウト7

アウトライン• 面分光とは• スライサー型面分光ユニット（IFU)の加工手法• FOCAS IFUの紹介• WFOS IFU開発プロジェクト概要• WFOS IFU開発へ向けた技術開発

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

8

二つの加工手法
金属を超精密加工

ガラスを研磨加工

櫛引さんの講演資料より
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

9

8-10m望遠鏡のスライサー型IFU
装置

波長域

開発機関

製造手法

MUSE

可視

リヨン大学（フランス）

ゼロデュワーを研磨

KCWI

可視

カルテク（アメリカ）

ゼロデュワーを研磨

KMOS

近赤外

Durham University（イギリス）

金属を超精密切削

GNIRS IFU

近赤外

ダーラム大学（イギリス）

金属を超精密切削

NIFS

近赤外

Australian National University（オーストラリア）

金属を超精密切削

SINFONI

近赤外

マックスプランク（ドイツ）

ゼロデュワーを研磨

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

10アウトライン• 面分光とは• スライサー型面分光ユニット（IFU)の加工手法• FOCAS IFUの紹介• WFOS IFU開発プロジェクト概要• WFOS IFU開発へ向けた技術開発

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ202111

FOCAS IFU: プロジェクト概要• すばる望遠鏡にマッチした面分光装置を開発• 受光面を最も有効活用できるスライサータイプとする。

• 遠方銀河などの淡く広がった天体の観測を目的とする。
• スライサータイプは反射面が多くなる。
• 反射面に高反射率誘電体多層膜コーティングを採用することで、観測波長域（370-1,000nm）にわたって高いスループットを達成する。

• 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。
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ202112

高反射率誘電体多層膜コーティング• FOCASの観測波長域370-1,000nmで1面当たり98%以上の反射率を達成可能。
• WFOS（波長域310-1,000nm）への発展性を考えるならベストの選択• 金属面に施すのは難しい（ようである）。
100.5

＝＞

ガラスを研磨加工

一面あたりの反射率

100%R

99.5
9998.59897.5350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050
wavelength(nm)2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

13

FOACS IFUファーストライト• FOCAS IFUは2018年3月にファーストライトを迎え、2019年前期より共同利用が開始された。

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

14

IFU単体の効率目標

IFU視野内での効率望遠鏡の姿勢によって、効率が少し変わる。
＝＞解析時の補正誤差（～3%）

WFOS IFUではケラレをなくすことが課題
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

15アウトライン• 面分光とは• スライサー型面分光ユニット（IFU)の加工手法• FOCAS IFUの紹介• WFOS IFU開発プロジェクト概要• WFOS IFU開発へ向けた技術開発

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ202116

Wide Field Optical Spectrometer(WFOS)• One of the first light instruments of TMT• WFOS has been developed by international collaboration
involving U.S., China, India and Japan.
Parameter

Value

Field of View (FOV)

8.3’ x 3.0’

Wavelength range

310 – 560 nm (Blue arm)
540 – 1,000 nm (Red arm)

Spectral resolution

1500 – 5000 (0.75” width)

ModeImaging
Multi-slit spectroscopy(Integral field spectroscopy)
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

17

WFOS IFU parameters• 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• 大きく広がった構造を狙うためにできるだけ広い視野をカバーできるようにした。

• 将来のGLAOの搭載を見据えて細かいサンプリングのモードも用意する。
Slice number
Magnification factor ofrelay optics
Slice width (mm)Slice width (arcsec)
FoV (arcsec x arcsec)
R=1500 grating
R=3500 grating
R=5000 grating (goal)

2021/12/09,10,13

18
1.1
3.60
1.5
20 x 27682
1591
2273

1.80
0.75
20 x 13.5
1364
3182
4545

4.125
3.60
0.4
5.33 x 7.2682
1591
2273

可視赤外線装置ワークショップ2021

1.80
0.2
5.33 x 3.6
1364
3182
4545

18

IFUの組込み位置
Telescope
focal plane

IFU用の光学ベンチ
WFOS IFU
Relay optics

SlicerPupil
mirrors2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

19

超巨大望遠鏡の可視面分光装置
ELTGMTGMACSMANIFEST is a fiber feeding module andprovides an IFU capability for GMACS.
2020/09/25

HARMONI

MANIFEST

先端技術センター講師

HRMONI for ELT is mainly for near IR, but
its sensitivity extends to optical range.
面接資料

20

Comparison withGMACS/MANIFEST and HRMONI• HARMONI focuses on a fine spatial sampling for anarrow field.
• Thatte et al., 2020, Proc. SPIE, 11447, 114471W• GMACS/MANIFEST provides a multi-IFU mode withφ3” FoV.
• Multiplexity is 19.
• Lawrence et al., 2020, Proc. SPIE, 11447, 1144728• Large FoV is the uniqueness of WFOS IFU.

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

21

サイエンスケース
z=6• Cosmic Webの赤方偏移進化• 銀河進化と銀河間ガスの係わり大規模銀河形成シミュレーション（Yajima et al. 2020）から求めたLyα表面輝度分布（１辺~14cMpc）
左下四角はWFOSの最大視野
表示下限値は１０時間、１σの検出限界~3x10-20 erg/s/cm2/arcsec2
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

22アウトライン• 面分光とは• スライサー型面分光ユニット（IFU)の加工手法• FOCAS IFUの紹介• WFOS IFU開発プロジェクト概要• WFOS IFU開発へ向けた技術開発

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ202123

WFOS IFUへ向けた基礎開発• １０時間、１σの検出限界 ~3x10-20 erg/s/cm2/arcsec2• これは地球大気放射の0.03%• このわずかなシグナルを検出するための基礎開発を遂行中• 特にフラット処理誤差の低減

FOCAS IFUのフラット処理誤差例
スライス方向は横方向
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ202124

技術開発１：公差の緩い光学レイアウト• IFU主光学系をフラットミラーの2面構成にすることで、自由度を少なくして、各自由度に割り振れる公差を大きくした。
• IFU射出瞳サイズを少し小さくして、分光器内の瞳位置がずれてもケラレないようにした。

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

25

技術開発２：スライサー組立精度向上• ケラレの主な原因はスライサー組立誤差によるもの。
• コーティングの応力による基板の変形が組立誤差の一因であることが判明。

反射面• 国内企業と組立精度向上へ向けた共同開発

赤丸：目標組立精度
ガラス板を積み重ねたスライサーの断面概念図
FOCAS IFUスライスミラー相対角度誤差
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

26

技術開発３：調整手法確立• WFOS IFUの瞳ミラーホルダーの長さは1m程度• 各瞳ミラーを0.03°の精度でアライメントさせるために、各瞳ミラーに調整機構を付ける。
• 調整手法の検討はこれから

~1m

瞳ミラー

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

27

技術開発４：フラット処理誤差補正ソフト開発• スライサー段差でのケラレは避けられない。
• 予想されるケラレ量は3-4%（1.5”スライス幅）

Imagesurface

スライサー段差でのケラレシミュレーション
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

28

技術開発４：フラット処理誤差補正ソフト開発• MUSE@VLTでは既に実用化• 大気放射成分が視野内でフラットと仮定して補正• FOCAS IFUのデータで試験

MUSEのフラット処理誤差補正の効果（Bacon et al. 2017）。
右が補正前、左が補正後。

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

29

技術開発５：反射率測定システムの構築• 高反射率多層膜ミラーは成膜誤差により吸収線が生じる可能性がある。
• 波長分解能R~15,000の反射率測定システムを構築し品質保証に用いる。
• WFOSの最大波長分解R=5,000（最近ではR~15,000までを考慮している）• 市販の分光光度計ではこれだけの高分散で十分なS/Nを得られるものはない。

FOCAS IFUで見られた多層膜起源の吸収
2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

30

分光器部設計
カメラ（球面）検出器（1k x 1k）1005nmスリット
プリズム（石英、頂角30°）コリメーター（球面）

エシェルグレーティング
31.6本/mm

182次300nm

スリット幅50umでR~15,000

2021/12/09,10,13

302nm

55次 987nm

可視赤外線装置ワークショップ2021

31

技術開発６：実証試験• 技術開発で得られた技術を用いて簡易的なIFUを開発し、FOCASへ組み込んで実証試験を行う。
• 光学系詳細設計中

Number of slices

10

Slice width

1.8 arcsec

Slice length

23 arcsec

FoV

23 x 18 arcsec2

R@VPH680

1389

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

32

スケジュール• 2025年度まで基礎開発・技術実証を行いリスク低減。得られたノウハウは随時WFOS IFUの設計へ反映。

• 2026年度からWFOS IFUを本格的に開発。
• IFUはWFOSのアップグレード計画なので、TMT予算からIFU開発経費は出ない。
• 全て競争的資金でまかなう必要がある。

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ2021

33

まとめ
• FOCAS IFUではケラレがあり、フラット処理誤差（~3%）が生じている。
• FOCAS IFUの経験を基にWFOS IFU 開発へ向けて基礎開発を進めている。
• 基礎開発と技術実証試験を2025年度までに完了させる。
• 得られた技術を投入して、WFOS IFU開発へ取り組む。

2021/12/09,10,13

可視赤外線装置ワークショップ202134