TMT-AGE: TMT Analyzer for Galaxies in the Early universe
TMT 戦略的基礎開発経費報告書
研究代表者: 秋山 正幸 (東北大学)、大屋 真（国立天文台ハワイ）
メンバー: 大野 良人、増田 貴大、羽根 一博、呉 同 (東北大学)
早野 裕、尾崎 忍夫、岩田 生、高見 英樹 (国立天文台)• 2013/04/26 : 提出概要

1

我々は広視野多天体補償光学系の科学的目標として
目標 1 赤方偏移 4 程度までの宇宙にある銀河に対して静止系可視域のスペクトルで内部構造を分解した観測を行い、現在の宇宙に見られる銀河の構造がどのように確立してきたのかを明らかにすること。
目標 2 赤方偏移 7 程度までの宇宙にある銀河に対し、その静止系紫外線波長域の連続光スペクトルの詳細な観測を行い、銀河の誕生期における激しい星形成の物理を明らかにすること。
目標 3 赤方偏移 12 程度までの宇宙にある銀河に対し、その静止系紫外線波長域の輝線を検出し、その正体を明らかにすること。
を設定している。目標 1 では補償光学系の高空間分解能による面分光観測を想定し、目標 2、目標 3 では銀河全体を積分したスペクトルを補償光学系により開口を小さくして高い SN で得ることを目標とする。セクショ
ン 2 に示す平成 24 年度の検討ではこのうち特に目標 2 の科学目標に重点を置き、そこから要求される科学要求仕様 (Science Requirements) について検討を行った。特に装置の検出限界よりも明るい天体が視野の中に十分な数で存在するかどうかを重要な点とし、地表層補償光学系と多天体補償光学系を比較する形で検討を行った。(セクション 2.1)。
多天体補償光学系の装置設計の具体化の足がかりとして、前置光学系として全天体に共通の補償光学系を設置するケースを想定し、その光学性能の評価および可変形鏡に要求される仕様の検討を行った。これらを総合して、このような前置光学系を持つ利点、欠点について定量的に評価を進めた (セクション 2.2、 2.3)。
多天体補償光学系を実現する上で鍵となる要素技術の開発も進めた。トモグラフィー計算の高速化についてグラフィックボードを用いた並列計算 (GPGPU) の評価を行い (セクション 2.4)、開ループでの補償光学系の制御実験のセットアップを進め (セクション 2.5)、多素子大ストローク可変系鏡の開発を進めた (セクション 2.6)。セクション 2.7 に平成 24 年度の予算執行結果についてまとめた。セクション 3 に全体の進捗状況と平成 25 年度の開発計画についてまとめる。

224 年度の成果

2.1

科学要求仕様の検討:地表層補償光学系と多天体補償光学系の比較

広視野の補償光学系を考える場合、広視野の中で共通の大気揺らぎの地表層成分のみを補償する地表層補償光学系と広視野のそれぞれの天体に最適化した補償を行う多天体補償光学系が候補となる。図 1 にそれぞれの補償光学系で得られる典型的な PSF を仮定した場合の分光検出限界を空間サンプリングの関数として書いている。点源を仮定した左図の場合、多天体補償光学系では開口を小さくとっても十分な光が開口内に入るので、

1Pixel scale (mas)

23350

400

450

J-band3600x10=10[h]R=500SN=10
Read Noise=1[e/pix]
Dark Noise=0.002[e/pix/t]

23.5
2424.5

AB MJ (mag)300

50 150200 250

500

300

350

400

450

J-band3600x10=10[h]
R=500
SN=10
Read Noise=1[e/pix]
Dark Noise=0.002[e/pix/t]

MOAO
GLAO
Seeing

500

MOAO
-23

GLAO
Seeing

-22

25
25.5

-21

26
26.5

AB MUV (mag)Pixel scale (mas)
50 150200 250

-2027
27.5
28-19
0

0.05

0.1

0.15

0.2

00.25

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

22

Pixel area (arcsec )Pixel area (arcsec )図 1: 多天体補償光学系、地表層補償光学系、シーイングリミットの場合について分光検出限界 (J-band、R=500、10 時間積分で SN=10) を空間サンプリング (正方形を仮定したスリット開口のサイズ) の関数として書いたもの。R=3000 程度の中分散で観測した上でビニングしたケースを想定し OH 輝線の間の連続光のみ考慮している。左) 点源の場合、右) 有効半径 0.125′′ の指数関数則の銀河の場合。空間分解した情報を得ず、積分スペクトルを得ることを想定している。
バックグラウンドの影響が小さくなることが効いて 50 × 50mas の開口の場合に最も深い検出限界が達成される。開口を広げると良い補償を達成しているメリットがなくなり、地表層補償光学系に近い検出限界に落ち着く。広がった銀河を想定する場合には状況が異なる。赤方偏移 7 程度の銀河の典型的なサイズとして有効半径を 0.125′′ と仮定する。この場合、多天体補償光学系でも最も深い検出限界が達成されるのは 300 × 300mas 程度の広い開口を用いた場合であり、その検出限界は地表層補償光学系で 500 × 500mas 程度の開口を用いて達成される検出限界より 0.25mag 深い程度に留まる。つまり科学目標で挙げた目標 2、目標 3 のケース、空間分解した情報ではなく銀河の積分スペクトルを得ることを目指す場合において、銀河のように広がった天体を想定すると多天体補償光学系の高い補償性能のゲインは限定的であることがわかる。
目標 2 の科学目標のターゲット数の見積もりとして現在観測されている赤方偏移 6 および 7 の Lyman BreakGalaxy の個数密度とそれぞれの補償光学系の検出限界や想定される視野サイズの比較を図 2 に示す。多天体分光を行う利点を十分に生かすために視野の中に検出限界よりも明るい銀河が 5 個程度は存在することを要求し、広がった銀河の検出限界を採用すると、視野としては直径 10 分角程度が要求されることがわかる。
TMT-IRMOS で想定されるレーザーガイド星の数や配置を想定すると多天体補償光学系で高い補償性能が得られる視野は直径 5 分角程度に限られ、この点を考慮すると目標 2、目標 3 のケースにおいては補償性能に対する要求を下げ、広視野に重点を置いた科学要求となる。具体的には• 有効半径 125mas に広がった天体について 300 × 300mas の開口の中に 50%の光が入ること。
• 視野の面積は直径 10 分角よりも広いこと。
が求められる。
以上にまとめた状況は目標 1 のケース、比較的数密度の高い中赤方偏移の銀河を高空間分解で観測する、では大きく異なることが想定される。このケースを想定した定量的な科学的要求については平成 25 年度の検討事項として検討を進める。

2.2

前置光学系としての地表層補償光学系の光学基礎設計

30m 級望遠鏡で多天体補償光学系の実現のための技術的課題の一つとして、現在利用可能な可変形鏡では、TMT の口径全体にわたる補正を行うには変形量 (ストローク) が不足していることが挙げられる。そのため
Woofer(低空間周波数、大ストローク) と Tweeter (高空間周波数、小ストローク) という 2 つの可変形鏡を光路上に直列に配置する方法が提案されている。この 2 つのタイプの可変形鏡のうち Woofer を全ユニットに共2

0-21.5

M1600 (mag)-21-20.5-20

Cumulative Schechter z=5.5-6.4-19.5-19-18.5

z=6SN = 5
Nobj = 5

FoV =Φ5arcmin-1

FoV =Φ10arcmin
FoV =Φ15arcmin

-2
24.5

25

25.5

26

26.5

m (mag)

27

27.5

28

log10 ( Nmuber / sq.arcmin / z=6.4-7.2 )log10 ( Nmuber / sq.arcmin / z=5.5-6.4 )-22

28.5-22-21.5

M1600 (mag)-21-20.5

Cumulative Schechter z=6.4-7.2

0-20-19.5-19-18.5

Red : MOAOBlue : GLAO

z=7SN = 5Nobj = 5

Green : Seeing
Point Source
Exponential
Re=0.125"
Exponential
Re=0.06125"

FoV =Φ 5arcmin-1

FoV =Φ10arcmin
FoV =Φ15arcmin

-2
24.5

2525.52626.5m (mag)2727.52828.5

図 2: 現在観測されている赤方偏移 6(左) および 7(右) の Lyman Break Galaxy の候補天体の数密度と多天体補償光学系、地表層補償光学系、シーイングリミットの分光検出限界 (丸は有効半径 125mas、三角は有効半径62mas、四角は点源の場合)、視野サイズの比較。視野の線はそれぞれの赤方偏移の範囲の間にターゲット数密度が 5 個となるところで積分数密度の曲線と交わる。検出限界がこれよりも右側にある場合は十分な数のターゲットがあるが、左側にある場合は検出限界に対して視野の中に数が少ないことを示す。
個別 Woofer共通 Woofer

視野

望遠鏡の視野を利用可能

リレー光学系により制限される

Woofer

直径 50mm 程度で大ストロークターゲットの数だけ必要
開ループ制御直径 300mm 程度でも可
1 個で良いレーザーガイド星で閉ループも可能

TweeterTT-ガイド星ストロークは小さい

大きなストロークが求められる

補正なし

Woofer による補正が入る

表 1: Woofer 可変鏡を個別にした場合と共通にした場合の定性的な得失。ストロークについて定量的な値は表3 にまとめる。

通にして前置補償光学系 (共通 Woofer) とし、その焦点面にピックオフアームを置いて各天体の光を Tweeterに分配すると、システム全体で必要な Woofer の数を削減することができる。さらに全視野に共通である地表層の大気揺らぎ成分を補正する地表層補償光学系の機能を Woofer に持たせると、Tweeter に対して開ループ制御を行う波面センサに対しても、地表層成分は補正されるので波面歪み測定のダイナックレンジを小さくできる利点がある。それぞれの天体に対して個別 Woofer を持つ場合と、共通 Woofer を用いた場合の得失を表 1 にまとめる。このセクションでは共通 Woofer の場合の視野の制限について、共通 Woofer に地表層補償光学系の機能を持たせた上で、視野領域の拡大あるいは光学系サイズの小型化の可能性を探るべく、検討を始めた。光学設計会社に依頼した最適化の結果を含めて現状を報告する。補償性能や可変形鏡に対する要求は次のセクションで定量的にまとめる。
検討の条件を表 2 に示す。共通 Woofer には、その上に望遠鏡の瞳を作り、出射側で再結像して各ユニットに光を分配するリレー光学系が必要になる。TMT-IRMOS の設計案の一つである IRMOS-Tipi では、オフナー・リレー光学系を採用する設計が提案されている。オフナー・リレー形式はリレー光学系として優れた基本性能を有しているので、この形式を出発点にして条件を検討することとした。平成 24 年度はまず TMT-IRMOSの要求仕様である視野直径 5 分角の場合を検討した。この視野は、8 個程度のレーザーガイド星を想定する場
合、トモグラフィーに必要な各視野のビームの上空での重なり具合を考えると高い補償性能が実現できる限界に近い。
球面のみのオフナー・リレーを改良した設計を図 3 に示す。無限遠の天体に対する焦点面での像サイズおよび副鏡位置での瞳収差は目標を達成している。主鏡直径に対する全長の比は、出発点とした標準的なオフナーの場合の 2.8 から 2.0 へと 4 割程度縮小することに成功している。非球面を導入した設計も試みたが本検討の3

表 2: 共通前置リレー光学系検討のための条件
基本条件
波長域
視野直径
物点の距離
可変形鏡直径
光学系の温度
光学リレー形式
基本形式
瞳位置
入射光線
目標性能
焦点面上:

瞳面上:

0.8 - 2.5µm
5 分角以上無限遠 (星) 及び 90km(LGS)、最適化には無限遠のみ考慮
30cm (面形状は問わない) ピエゾによる大ストローク品を想定-35 ℃ (窓材と兼用する光学部品を除く)
背景放射を抑える。視野 (667mm/5 分角) を窓材の入手可能サイズで制限
標準的なオフナー・リレー形式からの改良
オフナー副鏡の位置を瞳として、可変形鏡を置く収差も含む TMT の出射光線
視野全面で 50mas 以内 (50mas φ以内に全体の 50%の光量が入る)
ただし、ピック・オフの位置で補正可能な像面の湾曲・歪曲は制限しない。
ただし、非点収差はピック・オフ側の平行平面板の傾きで除去可能。
視野全方向に対し瞳収差は直径の 1/60
瞳の直径上に 30 素子 (有効ビーム内に 700 素子) の可変形鏡を想定しその間隔の半分
この要求仕様については今後シミュレーションを通じた確認が必要

範囲では大幅な改善は見られなかった。
高度 90km にあるレーザーガイド星の場合は焦点面の位置が異なるので、TMT の場合は 2m 程度後方になり、リレー光学系を通した場合、大きな収差を生じることになるので、リレー光学系に入る前でピックオフするのが良いかもしれない。一方でリレー光学系の Woofer を通すことで閉ループ制御となるメリットがあり、レーザーガイド星に対する得失についてはさらに検討を行う必要がある。
前置補償光学系の検討の詳細については添付資料に示す。

2.3

前置補償光学系を導入した場合の利点の定量的評価

ここでは前置補償光学系で地表層を先に補正する場合の補償性能の向上と可変形鏡に要求されるストロークについて定量的な評価を行った。
まず、トモグラフィーのアルゴリズムとして複数の波面センサーでの測定の平均値として推定した地表層の成分を差し引いたうえで、残りの高層の成分に対してトモグラフィーを適用する場合を通常のトモグラフィーを行った場合と比較した。トモグラフィーに伴う残差の違いを図 4 に示す。今回の計算結果からは特に推定精度の向上は見られず、これは平均で差し引くという線形な過程はトモグラフィーで用いられる計算とほぼ等値であることを示している。
次に Woofer と Tweeter に要求されるストロークについて個別 Woofer の場合と共通 Woofer の場合で比較した。ここでは光路差をストロークと呼び、可変形鏡の機械的ストロークはこの半分の値となる。共通 Woofer には複数の波面センサの測定の平均値を当てはめることにして評価した。図 5 に結果を示す。左側が個別 Wooferで右側が共通 Woofer での結果である。上段では Tweeter に要求されるストロークの Peak-to-Valley の値をWoofer 側の素子数の関数として示している。線の違いは観測条件の違いを表す。下段では Woofer の素子数を直径上に 20 素子とし、Tweeter の隣り合う素子間の最大ストロークの値を Tweeter の素子数の関数として表す。フィッティングエラーを十分に小さくするには Tweeter 側の素子数として直径上に 60 素子程度は必要である。
得られるストロークへの要求値を表 3 にまとめた。左側の値はマウナケア山頂の 50%ile のコンディション

4㻌㻌㻌[ \ 


㺽



707ᮃ㐲㙾↔Ⅼȭ

5ᅗ⌫㠃㙾䛻䜘䜛䜸䝣䝘䞊ᨵගᏛ⣔ 䠖 ▖཰ᕪ䛾඲య䛾ᵝᏊ㻌▖཰ᕪ䛾඲య䛾ᵝᏊ㻌$⌫㠃ȭ

$

VTXDUHVL]H PP 3XSLOᅗ䣅䣒䢲䢲䢷䢵䢯䣌䢳䢴䢯䣔䣒䢲䢲䢳䢢䣑䣲䣶䣅䣴䣣䣨䣶䢯䢴䢲䢳䢵䢰䢲䢵䢰䢲䢺䢰䢢㺽VTXDUHVL]H㹼ȭ㻌ᅗ䢯䢢 䢢 䢯䢢⌫㠃⌫㠃㙾䛻䜘䜛䜸䝣䝘䞊ᨵගᏛ⣔⌫㠃㙾䛻䜘䜛䜸䝣䝘䞊ᨵගᏛ⣔ 䠖 ▖཰ᕪ䛾ヲ⣽㻌▖཰ᕪ䛾ヲ⣽㻌⌫㠃㙾䛻䜘䜛䜸䝣䝘䞊ᨵගᏛ⣔ 䠖 䜸䝣䝘䞊䝸䝺䞊ගᏛ⣔㒊ศග㊰ᅗ㻌䜸䝣䝘䞊䝸䝺䞊ගᏛ⣔㒊ศග㊰ᅗ㻌ᅗ ȣP PDV⌫㠃㙾䛻䜘䜛䜸䝣䝘䞊ᨵගᏛ⣔ 䠖 䝇䝫䝑䝖䝎䜲䜰䜾䝷䝮㻌䝇䝫䝑䝖䝎䜲䜰䜾䝷䝮㻌

図 3: オフナー・リレーを改良したリレー光学系の設計。左図は光路図。球面のみを用いて構成しているが、面䣅䣒䢲䢲䢷䢵䢯䣌䢳䢴䢯䣔䣒䢲䢲䢳䢢䢯䢢 䢢 䢯䢢䣑䣲䣶䣅䣴䣣䣨䣶䢯䢴䢲䢳䢵䢰䢲䢵䢰䢲䢺䢰䢢の配置を標準的なオフナー・リレーから変更した結果、全長は短くなっている。中央図は焦点面のスポット・ダイアグラム。各点とも ϕ50mas の中に 50%以上の光量が入っており目標性能に達している。また波面収差も䣅䣒䢲䢲䢷䢵䢯䣌䢳䢴䢯䣔䣒䢲䢲䢳䢢䢯䢢 䢢 䢯䢢䣑䣲䣶䣅䣴䣣䣨䣶䢯䢴䢲䢳䢵䢰䢲䢵䢰䢲䢺䢰䢢
非点収差が主なので後段のピック・オフ光学系で補正できる可能性がある。右図は瞳収差。若干裾野があるものの目標である瞳径の 1/60 をほぼ達成している。

㻌で天頂方向を観測した場合 (図 5 青線)、右側の値は 75%ile の悪コンディションで高度角 30 度の方向を観測した場合 (図 5 赤線) の値である。Tweeter に要求される多素子数を見たす小型の可変形鏡は現状では Boston
Micromachines の MEMS 可変形鏡のみであり、その機械ストロークの最大値は 4 µm、光学的には 8 µm の光路差を補償することが出来る。個別 Woofer を採用すれば十分であるが、共通 Woofer を採用した場合には悪条件下でストロークが足りず、より大きなストロークの小型多素子可変形鏡が必要となる。

2.4GPGPU を用いたトモグラフィー計算の高速化の検討

次世代大型望遠鏡の補償光学系のシステムにおいては波面測定の点数が多くなることとトモグラフィーが必要になることから計算量が巨大化しリアルタイム計算を要求時間内で行うことが一つの課題となっている。近年グラフィックボードを用いた並列計算 GPGPU の手法が安価に大規模計算を行う方法として注目されており、補償光学系のリアルタイム計算にも用いられ始めている (Palomar/Parm3000)。

Woofer なし
個別 woofer
共通 woofer

Woofer PV
11 / 1810 / 13

Woofer 隣の最大差
4/85/6

Tweeter PV
11 / 183/57 / 13Tweeter 隣の最大差
4/82/32/4

表 3: Woofer と Tweeter 可変鏡に要求されるストロークのまとめ。機械ストロークの値はこの半分。/ の左側はマウナケアの 50%ile の条件で天頂の観測の場合、右側は 75%ile の条件で高度角 30 度の観測の場合を表す。視野中心から 4 分角離れた領域まで想定。単位は µm。

5Average+Tomography vs Tmography

4006GSWFE [nm]

3508GS
10GS

300

Tomography

250

Average+Tomography

200150050100150200

250300Distance [arcsec]

図 4: 通常のトモグラフィーの場合 (実線) と、地表層を複数波面センサの平均で推定し差し引いてからトモグラフィーを行った場合 (破線) の補正後の波面残差 RMS の比較。視野中心からの距離の関数として示す。ガイド星は視野中心に 1 個とそこから 240′′ 離れた位置に 5(赤)、7(青)、9(緑) 個置いた場合を計算しており、ガイド星と重なる 240′′ 付近で補償性能が良い。大気揺らぎの強度はマウナケア山頂 50%ile の条件で天頂方向の観測を想定している。波面センサの測定ノイズなどは入れておらず、純粋にトモグラフィーに伴う残差のみ評価している。

NVIDIA Tesla C2070
NVIDIA GeForce GTX 690
NVIDIA Kepler K20X
Intel Xeon Phi 5110P

コア数

ベースクロック

メモリ帯域幅44830722688
60

1.15GHz
0.84GHz
0.73GHz
1.10GHz

144GB/sec
288GB/sec
250GB/sec
320GB/sec

表 4: 多コア計算ボード比較

GPGPU を用いてトモグラフィーの計算をどの程度の時間で実行することが出来るのかを確認するために
Nvidia Tesla C2070 を搭載した計算機を用いてトモグラフィーの計算を行った。計算においては望遠鏡瞳の直径に 60 素子のサンプリングで波面センサー 1 台につき 2826 素子、6 個の波面センサーで 17000×2 の測定値とした。大気揺らぎの層を 7 層として推定を行った。この逆問題を計算するのに前処理付共役勾配法を用いた。
計算においては疎行列の計算を並列計算に最適化したライブラリを用いた。現状で計算にかかる時間をステップ別に見ると、(1) データのアップロード 0.64ms (2) 共役勾配法前処理 2.58+6.70ms (3) 共役勾配法繰り返し
6.33ms×300 回 (4) データのダウンロード 0.71ms となっており、共役勾配法の繰り返し回数が多いために計算時間を取っている。この部分は初期値に前のタイムステップでの推定結果を用いるなどにより繰り返し回数を 300 回から数回まで減らすことが出来る。それでもまだ要求速度を達成するには計算の高速化、データ転送の高速化が必要であるが、表 4 に示すように、すでにより高速なボードも市販されており、要求速度に近い計算が可能であると期待され、平成 25 年度に購入して測定を行う。

2.5開ループ補償光学系の光学実験

多天体補償光学系においては、波面を測定する方向と補償を行う方向が異なるため、補償する可変形鏡は開ループで制御することが求められる。メンブレン型の可変形鏡の開ループでの制御の精度を評価し、問題点を洗い出すために、市販のメンブレン型の可変形鏡 (ADAPTICA 社:PAN) を組み込んだ実験室での補償光学系を光学ベンチの上に組み上げて評価を始めている。波面センサとしてはマイクロレンズアレイを用いたシャックハルトマン型の波面センサーを用いている。現状では光学調整を進めている段階であり、可変形鏡の制御行列の測定と制御実験をこれから進めていく予定である。

6

Number of actuators in a woofer

13 602766481184 1876 2724

7668
r0=0.08m Meanr0=0.08m Max
r0=0.156m Mean

Tweeter stroke (µ m)Tweeter stroke (µ m)

Number of actuators in a woofer
1514131211109876543210

r0=0.156m Max

01020304050607080

90100

151413121110987654321013 60

010276648

1184 1876 2724

Tweeter interactuator maximum stroke (µ m)

13 60

7668
r0 = 0.08m
r0 = 0.156m

20 actuators on a woofer diameter

010203040506070801184 1876 2724

7668

20304050607080

90

100

Number of actuators on a woofer diameter

Number of actuators in a tweeter
1514131211109876543210648

r0 = 0.08m Meanr0 = 0.08m Max
r0 = 0.156m Meanr0 = 0.156m Max

Number of actuators on a woofer diameter
Tweeter interactuator maximum stroke (µ m)

276

90100

Number of actuators on a tweeteer diameter

Number of actuators in a tweeter
151413
12
1110
98765
432
1013 60

2766481184 1876 2724

7668
r0 = 0.08m
r0 = 0.156m

20 actuators on a woofer diameter

01020

30

4050

60

70

80

90

100

Number of actuators on a tweeteer diameter

図 5: 個別の woofer を採用した場合 (右) と共通の woofer を採用した場合 (左) に tweeter に要求されるストロークの比較。機械ストロークの値はこの値の半分。上段: woofer の素子数を変えた場合に要求されるストロークの PV 値。青は良い条件の天頂の観測、赤は悪い条件で高度 30 度の観測。下段: woofer の素子数を276 に固定して tweeter の素子数を変えた場合に要求される隣り合う素子の間の差の最大値。青と赤は上段と同じ。tweeter の素子数が十分でないと補正性能が悪化することに注意。

2.6

多素子大ストローク小型 MEMS 可変形鏡の開発

多天体補償光学系で要求される仕様をもとに MEMS 技術による多素子 (64 × 64) 大ストローク (20µm) 小型(30mm 角) MEMS 可変形鏡の開発を東北大学工学研究科光 MEMS グループのもとで行っている。大ストロークを達成するうえでメンブレン鏡と電極側に 60µm という大きなギャップを実現することが重要な点となっている。図 6 に示すようにこれまでに 4 × 4 素子の MEMS 可変形鏡の試作とその評価が進んでいる。20µm のギャップを達成し電圧 115V で 3.5µm の変位が達成されている。現在、より多素子にした 8 × 8 素子の試作品の製作が進められている。今後、表面の蒸着による鏡化と 0V 時の表面の平坦性の達成、ギャップとストロークの拡大など、を課題として開発を進める

2.7

予算執行内容平成 24 年度の予算執行内容のまとめを表 1 に示す。前置光学系としての地表層補償光学系の光学設計をオプトクラフト社に発注して行った。補償光学系のオープンループ制御の試験光学系に組み込む EM-CCD を用いた波面センサーのための真空容器の製作を内外テック社に発注して行った。また試験光学系のための光学部品、制御ボードをソーラボジャパン、エドモントオプティクス、インターフェースより購入した。

3計画全体の進捗状況と平成 25 年度の検討計画
これまでの進捗状況は申請時に書いたものにほぼ沿ったものになっている。

7

図 6: 左)4 × 4 素子の MEMS 可変形鏡試作品。右) 電圧をかけた駆動実験の結果。0V からの差分を示す。Wuet al. 2013, Transeducers 13 より引用。
課題項目

発注先

支出総額

地表層補償光学系光学設計

光学設計

オプトクラフト開ループ補償光学系

真空容器製作
光学部品類

内外テック
ソーラボ他

693 千円898 千円309 千円
1,900 千円

合計
表 5: 平成 24 年度の予算執行まとめシステムの光学設計については今回の結果をもとに平成 25 年度はさらに共通 Woofer を用いた光学設計について視野を広げる解についての検討を進める。これまでの検討では共通 Woofer 全体を冷却することを想定し、窓材の最大サイズで視野サイズを制限したが、目標 2、目標 3 ではより広い視野が要求されること、波長域としては J-、H-band の比較的短い波長域が重視されること、から次回は冷却するという条件を外し、共通の Woofer で現実的な視野の最大値を得る。
並行して個別の天体に対する補償光学系の光学設計を行う。共通 Woofer とするか、個別 Woofer とするか
でこの光学設計は影響を受けるが、まずどちらの場合も想定して基本的な光学設計を行ってから平成 25 年度の最終結果としてどちらのシステムを採用するかの判断をする。また申請時には入れていなかったが、個別の天体に対する補償光学系の光学設計を考える際には分光器側から来る制約もある程度考えておく必要があり、分光器側についても光学系の可能性検討を行う。その際、イメージスライサー型の面分光器だけでなくマイクロレンズアレイを用いた面分光器も視野に入れて検討を進める。
MEMS 可変形鏡については現在の設計で 8×8 素子の場合の試作を行っており、まずはこれを完成させる。
この駆動試験に基づいて現状の延長で十分に達成可能なストロークサイズを見極め、補償光学系の設計に反映させる。
オープンループ補償光学系については申請時に予定していた通り平成 25 年度に望遠鏡に搭載して on-sky の試験を行うように準備を進めている。
カナダ・ビクトリア大学で進められているすばる望遠鏡に搭載する多天体補償光学系の実験機 RAVEN に関しても申請時に予定していた通りに進行している。現在、実験室での組み上げはほぼ完了し、制御系ソフトウェアの作成が進められている。平成 25 年度は実験室での性能評価が始まるのに合わせ、東北大学院生の大野良人君をビクトリア大学に派遣して実効的に参加する予定である。

8