平成 24 年度 TMT 戦略基礎開発経費報告書
議題名：Second-Earth Imager for TMT (SEIT)計画の実現に向けた要素開発
研究代表者および装置開発グループ名：
松尾太郎（京都大学）、Second-Earth Imager for TMT (SEIT)
概要：	  平成24年度は350万円が採択され、SEIT光学系の鍵である高コントラスト光学系の開発を進めた。SEITメンバが独自に提案した手法として、瞳再配置法、3次元高コントラストカメラ（以下、3Dカメラ）がある。二つの手法について、光学系をそれぞれ構築し、実証を進めた。実質3ヶ月という短期間ではあったが、それぞれについて実験の成果を挙げることができた。一方で、シミュレーションにより新たな問題点についても分かった。今後、これらの問題点を踏まえた上で、25年度以降の開発を進める予定である。
1. 予算執行内容	  予算は、主に3つの項目で使用された。瞳再配置法、3次元高コントラストカメラの開発、実験環境整備のための共通項目である。また、括弧内は各項目で使用された、およその総計である。
○3次元高コントラストカメラ （計200万）：
1軸高速ピエゾステージ
光学素子・ホルダー類：	  	  	  	 

150万円
50万円

○瞳再配置光学系（計100万）
光学素子（レンズ、ファイバーアレイ、ファイバーポート）：
光学素子ホルダー：
クリーンブース用品（ファン、ロッド、帯電防止フィルムなど）：

45万円
25万円
30万円

○共通（共通50万円）：
Labview 2012 ソフトウエア:
旅費：
光学調整のための機器：	  	 

25万円
20万円
5万円

2. ２４年度当経費による成果
2.1 はじめに	  はじめに、SEIT高コントラスト光学系の意義について述べる。SEITは、補償光学系と高コントラスト光学系から構成される。補償光学系は、大気からの光波の歪みを極限まで補償することが目的である。しかし、補償光学系は可視光で波面計測をするため、大気の波長による屈折率分布（波長が短い程、屈折率が大きい）によって、観測波長の赤外線では波面収差が観測される。そこで、高コントラスト光学系では、惑星を検出するための科学的カメラで波面収差も同時に計測し、ポストプロセスあるいはリアルタイム補償でその収差を取り除く。	  このような意義において、我々はSEIT高コントラスト光学系の手法として、3Dカメラと瞳再配置法を提案し、その実証実験を進めている。二つの主な違いは、3Dカメラは焦点面で、瞳再配置法は瞳面でそれぞれ計測するものである。2.2節では3Dカメラを、2.3節では瞳再配置法の実験概要および成果をそれぞれ述べる。
2.2. 3Dカメラの実験概要	  	  まず、焦点面波面センサの一種である、3Dカメラの概要を記す。図1に示すよ
うに、焦点面波面センサは、コロナグラフによって主星光が除去された光路（サイエンス光）と、除去した主星光を空間フィルタにより光波をフラットにした光路（参照光）からなる。サイエンス光と参照光は、再度焦点面で結像させる。これにより、焦点面には主星光の干渉縞が形成され、その干渉縞から波面の乱れを測定する。しかし、観測帯域が広いと干渉縞がなまってしまうため、波面乱れの測定が困難になる。そこで我々は、フーリエ分光を適用し、波面乱れの波長と空間の3次元情報を取得することにより、精密な波面測定を行なうことを目指した。	  その最初の一歩として、図2に示すように焦点面でのフーリエ分光の実験的検証を行なった。波長532nmと633nmの2種類の単色レーザー光を光ファイバーから出射させ、コリメータレンズで平行光とする。この後に、2光束に分離し、片方の光束は固定鏡で、もう片方は一軸のピエゾステージに載せた鏡でそれぞれ反射させる。
その2光束にダブルピンホールを通して、最後にカメラレンズで焦点面に干渉縞を発生させる。ここで、ピエゾステージを移動させることによって2光束に位相差が生じるので、2光束の位相差の関数としての干渉縞データセットが得られる。図3に実際に構築した光学系を示す。図4はその光学系の様子と、実際に測定された干渉縞の一例を示す。図5は、フーリエ分光後のデータ処理によってスペクトルを再生した結果である。光源の2波長とほぼ同じ波長だけに像（エアリーパターン）が現れていることが分かる。センサの波長分解能は数10程度であり、観測結果と理論が一致している。	  以上より、平成24年度は、3Dカメラの最初のステップとして、像面でのフーリエ分光の実験を行い、その像再生に成功した。今後は、3Dカメラの本格的な構築を行なう。

図1. 焦点面波面センサの概念図。コロナグラフによって除去した主星光(橙)を空間フィルタによって波面をフラットにし、それを再度カメラで結像する。カメラでは、サイエンス光と参照光の干渉縞が観測される。	 
図2. 実験光学系の概念図。光束中の矢印は光の偏光ベクトルを示す。

図3. 光学実験の様子（右）と実際に得られた干渉縞（左）。

図4. フーリエ分光後に得られた3次元（波長1次元、空間2次元）データ。
2.3. 瞳再配置法の実験	  	  瞳再配置法は、図5に示すように、瞳面で波面を小開口に分割し、その小開口同士の位相差を測定し、その位相差に基づいて波面をフラットに再構築するものである。その結果、ポストプロセスではあるが、補償光学系と同様の効果を得ることができ、高いコントラストを得ることが期待される。しかし、図5に示すように、瞳の再配置において、ファイバーを用いた複雑な光学系となるため、その安定性が問題となっている。そこで、ファイバーの代わりにセグメント型可変形鏡を用いた、瞳の再配置法の提案を行ない、同等の効果が得られることが実験を通して確認された。その得られたコントラストは1:10である。	  	  	 図5. 瞳再配置法の概念図。左が入射瞳で、乱れた波面を複数の小開口に分割し、それをマイクロレンズアレイでシングルモードファイバに通す。そのシングルモードファイバを並び替え（瞳の再配置）、その位相差を出射側の瞳（右）で測定する。	  	  以上のこれまでの進捗を踏まえ、平成24年度は、これまでの実験系を改良し、系統誤差を低減させ、さらに高いコントラストを得る事を目標に実験を進めた。
１）光源部の改良：これまではビームスプリッタ(BS)を通して模擬された主星光と惑星光を結合させていたが、BSにより生じる非共通波面誤差が、像のダイナミックレンジを制限していた。そこで、２つの光源を極近接して配置することでBSを撤廃し、ほぼ同一光路を通るように改良した。また、これまで光源はHe-Neレーザーであったが、今回は波長幅10nm程度の光源を用い（中心波長633nm）、より現実に即した実験となっている。２）光学系全体の精度・安定性向上：光学系を見直して簡素化し、光学素子数を減らすことで安定性・精度の向上を行った。また光学ベンチ全体をクリーンブース化し、ほこりや空気の乱れの影響をうけない実験系とした。図6は構築した実験系の様子と、得られた干渉縞である。これらの改良の結果、これまでより5倍高いダイナミックレンジの像再生を行うことに成功した（主星―惑星間の離角は1.5λ/D程度）。図7に再生した像と、Visibilityを示す。

図6. 構築された実験系の模式図（左）、光学系の様子（中央）、実際に得られた干渉像（右）。これまでの実験系にあった２つのBS（２つの光源の混合用と、DMに光を垂直に入射させるためもの）を撤廃し、光学系を簡素化した。	  	  	  	 図7.	  左：人工光源で模擬した主星・惑星光を像再生した結果（コントラストは約50）。右：測定したVisibility（トライアングル）とBinaryモデルフィット（十字）の結果。

3. 計画全体の進捗状況	  この節では、計画全体の進捗として、サイエンス検討について述べ、高コントラスト光学系の今後の予定を簡単に紹介する。
3.1 サイエンス検討の進捗	  SEITは、サイエンス検討班と観測装置検討班の二つから構成され、両班は月に１度のペースで提案書の作成に向けて進めている。SEITのメイン・サイエンスは、地球型系外惑星の検出とキャラクタリゼーションであり、これまで主に惑星光から何が得られるかに着目して進めていた。これに加え、2012年度は惑星形成論の研究者を新たにSEITメンバとして迎え入れ、地球型惑星形成過程のサイエンスについて検討を行った。その結果、地球型惑星形成の最終段階と考えられているジャイアントインパクトの結果生成されるデブリ円盤がSEITで直接観測できる可能性があることが分かってきた（玄田他、2013年春季年会）。このように、地球型系外惑星の検出・キャラクタリゼーションに加え、その形成理論の検証も SEITの科学的目標として掲げられることが分かった。	 
3.2 今後の予定	  平成25年度はSEITに関連した科研費の獲得に成功した。科学研究費補助金（新学術領域）によって、コロナグラフの実機の開発を進める。次に、科学研究費補助金（基盤B）において、平成24年度に構築した実験系をさらに改良する。先に述べたように、瞳再配置を37素子のセグメント型の可変形鏡で行なっていたが、それを二つの分割鏡を用いて瞳再配置を行なうことによって、瞳の分割数を100まで高めることができ、高コントラストを達成することが可能となる（図8を参照）。一方、3Dカメラについては、平成25年度の提案書に示すように、さらなる改良を行なった。そこで、平成25年度のTMT戦略基礎開発経費の獲得を目指し、その経費によって3Dカメラを用いた波面計測・補償の開発を進めたいと考えている。	 
図 8. 瞳再配置法における分割固定鏡を用いた改良手法（左）と、分割固定鏡の想像図（右）。