2021.12.13 第10回可視⾚外線観測装置技術ワークショップ2021

すばるトモグラフィー補償光学に向けた⼤気ゆらぎの⾼度分布測定装置の開発
⼤⾦ 原(東北⼤D2), 秋⼭ 正幸1, ⼤野 良⼈2, 美濃和 陽典2, ⼤屋 真2, 寺尾 航暉1, ⾚澤 拓海1
1東北⼤学, 2国⽴天⽂台

⽬次

2 / 23‣
⼤気ゆらぎプロファイル(⾼度⽅向の乱流強度分布)の重要性と測定⽅法‣
すばる望遠鏡における⼤気ゆらぎプロファイリング計画と装置開発状況‣
将来展望とまとめ‣複数のレーザーガイド星とトモグラフィー技術を⽤いた補償光学

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複数のレーザーガイド星を⽤いたトモグラフィー補償光学‣従来の補償光学(SCAO)の課題‣⼀度に補償できる視野が狭い‣可視光域では性能が低い‣複数LGS + トモグラフィー による補償光学‣複数のLGS+WFSで、⼤気ゆらぎの測定⽅向を増やす‣トモグラフィーの⼿法で、⼤気ゆらぎの3次元構造を推定‣観測⽅向に最適化した補償波⾯をDMに送る

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トモグラフィー補償光学の種類
Blue: NGS-based
Orange: LGS-based
視野内で平均したストレル⽐‣LTAO (Laser Tomography AO)‣コーン効果を克服して⾼精度化・可視への対応‣GLAO (Ground Layer AO)‣あらゆる⽅向に共通である地表層ゆらぎを補償‣MCAO (Multi Conjugate AO)‣複数のDMで⾼度ごとに補償‣MOAO (Multi Object AO)‣複数のDMで天体ごとに補償

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単⼀DMによる補正LGSを⽤いた補償光学においては、⾼精度のLTAO、広視野のGLAO

補償視野(arcsec)
Hバンドにおける各種AOの性能 (Rigaut et al. 2018)2021.12.13 第10回可視⾚外線観測装置技術ワークショップ2021

⼤気ゆらぎプロファイル

5 / 23Hardy 1998

Mauna Kea atmospheric turbulece model proﬁle(Oya+2014, SPIE)‣⼤気ゆらぎ強度を、地表からの⾼度の関数で表したもの‣⼤気ゆらぎ強度は、⼤気屈折率構造定数 C で定量化される‣AOの設計、トモグラフィー推定の事前情報などに有⽤
2N

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波⾯センサーを⽤いたプロファイリング
位相ゆらぎパワースペクトル6 / 23

振幅ゆらぎパワースペクトル

乱流層直後

Φϕ( fx, fy) = 0.38λ −2f −11/3CN2 (h)Δh

振幅ゆらぎなし = ⼀様振幅

地上伝搬後

Φθ( fx, fy) = Φϕ( fx, fy) cos2(πλhf 2)

Φχ ( fx, fy) = Φϕ( fx, fy) sin2(πλhf 2)‣Shack-Hartmann波⾯センサー‣マイクロレンズアレイと検出器からなる‣スポットの位置→ 波⾯(位相)‣スポットの明るさ→ シンチレーション(振幅)2021.12.13 第10回可視⾚外線観測装置技術ワークショップ2021

SLODAR7 / 23Slope Detection And Ranging (Wilson 2002)

Top view

Ono et al. 2016

‣2つの⽅向の波⾯センサー測定値の相互相関をとる‣相関⻑→ゆらぎ⾼度、相関の⼤きさ→ゆらぎ強度‣最⼤⾼度は、望遠鏡開⼝サイズ/星の離⾓できまる
Goodwin et al. 2007 (⼀部改変) ‣⾼度分解能は、サブ開⼝サイズ/星の離⾓できまる
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13cm on aperture plane

SH-MASS

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Shack-Hartmann Multi Aperture Scintillation Sensor (Ogane et al. 2021)
2

Normal aperture patternof SH-MASS2

Φχ ( fx, fy) = Φϕ( fx, fy) sin (πλhf )Differential aperture patternof SH-MASS

数cm-数⼗cmスケール‣⼀定間隔だけ離れたサブ開⼝ペアで、シンチレーションの⼤きさを測定‣様々な間隔での測定から、フィッティングによりプロファイルを求める

6層でフィット8層でフィット10層でフィット‣乱流モデルの仮定が必要‣⼩さいサブ開⼝(直径数cm)が必要‣地表層ゆらぎはシンチレーションを⽣まないので測定不可

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SLODAR , SH-MASS による同時プロファイリング

9 / 23‣望遠鏡の瞳を細かく分割 & 離⾓の⼤きな星のペア‣SH-MASSで⾼層ゆらぎ、SLODARで地表層ゆらぎが同時測定可能︕‣測定の条件‣測定のSN⽐︓>5‣星ペアの離⾓︓3-5分⾓‣上2つを満たす明るさ・離⾓の星ペアがどの時間帯でも観測できること → サブ開⼝の⼝径を2cmに決定
SLODAR
⾼度範囲
⾼度分解能

SH-MASS~300m以下 ~600m以上
~20m

数km

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すばるを⽤いたプロファイリング計画

10 / 23‣⽬的‣すばるのドーム、望遠鏡構造を含めた⼤気ゆらぎのデータ取得‣短期的な測定実験‣装置取り付け場所‣すばる望遠鏡可視光ナスミス台AG/SHモジュール
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すばるを⽤いたプロファイリング計画

11 / 23‣⽬的‣すばるのドーム、望遠鏡構造を含めた⼤気ゆらぎのデータ取得‣短期的な測定実験‣装置取り付け場所‣すばる望遠鏡可視光ナスミス台AG/SHモジュール
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プロファイラー機械系
波⾯センサー- 1.4x1.4mの瞳を66x66に分割したスポット像が⾒える- 6.5 um/pix- 2k x 2k- 3 pix/spot- 25 arcsec/subap

瞳調整ミラーペア- 8mの瞳のうち、⽤いる直径3mの領域を決める- 2-3 deg for 8m pupil- 2.5-3.75 mdeg for 1cm pupil

瞳カメラ- 直径3mの瞳像が⾒える- 2つの波⾯センサー間での瞳の⼀致をスパイダーパターンで担保- 5.5um/pix- 2k x 2k
焦点調整トロンボーン/ステージ- 15mm駆動で離⾓3-5分⾓の星のフォーカスを調整

12 / 23焦点カメラ- 星の導⼊・フォーカスの確認- 5.3um/pix- 1k x 1k- FoV : 10 x 10 arcsec
ピックオフミラー/ステージ- 30mm駆動で離⾓3-5分⾓の星を補⾜* 2つの波⾯センサーのうち左側のみ表⽰

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プロファイラー光学系

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光学系

パラメータ

型番

pickoﬀ mirror

φ2”Thorlabs BB2-E02

trombone mirror

φ1”Thorlabs BB1-E02

BS (focus cam)φ1”

Thorlabs BSF10-A

detector (focus cam)

1kx1k,5.3um/pix

IDS UI-3240CP

picomotor mirror

φ2”

Newport 8853

collimator

φ2”,f=750mm

Thorlabs ACT508-750-A

fold mirror

φ2”Thorlabs BB2-E02

MLA

150um pitch, f=10mm

Okotech APO-Q-P150-F10

reducer (MLA)

f1=42mm,f2=16mm

Thorlabs MAP051950-A

detector (WFS)

2kx2k, 6.5um/pix

Hamamatsu ORCA-Flash 4.0 v2BS (pupil cam)φ2”

Thorlabs BSF20-A

reducer (pupil)

f1=100mm,f2=50mm

Thorlabs MAP1050100-A

detector (pupil cam)

2kx2k, 5.5um/pix

IDS UI-3240CP

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波⾯センサー像 : 全体像

検出器サイズ

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中⼼部を拡⼤‣主鏡上で~1.4x1.4mの瞳スポット像(66x66 spots)が、検出器の中⼼部16%(⾯積)の領域に結像‣CMOSセンサーで中⼼部(15x15 spots)だけを~500Hzで読み出し‣サブ開⼝視野は 10pixel ~ 25 arcsec‣スポットを 2pixel サンプリング
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波⾯センサー像 : スポット像
主鏡上で直径30cmの瞳端

瞳中⼼離⾓3分⾓

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2pix

離⾓4分⾓
(ノミナル)

離⾓5分⾓

縮⼩光学系による⾊収差でスポットが伸びる(400-800nmを⾊分けして表⽰)
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瞳カメラ像16 / 23

離⾓3分離⾓4分
2k pix

2k pix‣主鏡上でφ3mの瞳像が、検出器いっぱいに結像‣離⾓3,5分の星に対して数%の瞳シフト‣実際には望遠鏡のスパイダーが⾒える‣2つの波⾯センサー間で瞳が⼀致するように、瞳調整ミラーペアにフィードバック

離⾓5分

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プロファイラー組み上げ調整 : 模擬光源系‣ハワイ観測所にて光学系組み上げ・調整 (2021.05-06, 2021.11-)‣アライメント⽤レーザーとすばるを模擬したF付き光源を作成
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プロファイラー組み上げ調整 : アライメント⽅法

θLxL

xR

θR

‣アライメントレーザー + アライメントコーンを⽤いた⽬視での調整‣コーンはすばるのマシンショップで製作 (3つのコーンの⾼さの違いは5um以内)‣コーンを置く位置を⽰すジグはmisumiで製作
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プロファイラー組み上げ調整

19 / 23↑中⼼部拡⼤図(若⼲ピンぼけ)←波⾯センサースポット像‣1つ⽬の波⾯センサーはほぼ完了 (残りはピックオフミラー)‣2つ⽬を2022年1⽉に組み上げ予定
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瞳ずれ補正試験(これから)模擬光源系の絞り⾯をシフトさせて瞳ずれを作る

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ミラーペアの傾きで瞳ずれを補正する‣ミラーペアは完全な焦点⾯・瞳⾯にあるわけではないので、光線シフト・ティルトへの寄与が縮退する‣瞳ずれの量と⽅向に対して、どのように補正すべきかを実験室で予め較正しておく
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今後のスケジュール‣2021年12⽉‣1つ⽬の波⾯センサーの残りの組み上げ‣1つ⽬の波⾯センサーの瞳補正試験‣2022年1⽉‣2つ⽬の波⾯センサーの組み上げ‣2つ⽬の波⾯センサーの瞳補正試験‣AG/SHモジュールへの取り付けジグの加⼯ (ハワイ観測所のマシンショップ)‣2022年2⽉‣⼭頂輸送‣⼭頂実験室での調整確認・再調整‣2022年3⽉‣AG/SHモジュールへの取り付け(取り付け試験)‣2022年4⽉以降‣測定実験
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21 / 23

すばる常設プロファイラーに向けて

22 / 23‣やっぱり、⻑期的なモニタリング観測もしたい。
‣すばる望遠鏡ドーム内に⼩型望遠鏡(⼝径~40cm)を設置し、SLODAR, SH-MASSを⾏うシステムの開発がスタート‣波⾯センサー光学系パラメータの選定‣望遠鏡の選定‣光学系設計ESO SLODARシステム(credit:eso.org)
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まとめ

23 / 23‣複数レーザーガイド星+トモグラフィー推定による補償光学は、AOの広視野化・⾼精度化のために必要な技術であり、30-40m級望遠鏡の時代には標準搭載される技術でもある。

‣⼤気ゆらぎプロファイルは、観測サイトテストやAOの設計だけでなく、トモグラフィー補償光学の事前情報としても有益である。

‣望遠鏡瞳を細かく(数cmスケール)分割した波⾯センサーで、地表層から⾼層までを⼀度にプロファイリングすることが可能である(SLODAR & SH-MASS)。

‣すばる望遠鏡に取り付けた来年度の測定実験に向けて、ハワイ観測所にて波⾯センサーシステムの開発を進⾏中である。

‣ゆくゆくは、⼝径40cm程度の⼩型望遠鏡において同⼿法を実践することで、常設の⼤気ゆらぎプロファイラーを開発していく予定である

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