Hyper Suprime-Camの開発

宮崎聡、HSC開発組一同1

望遠鏡の焦点面検出器
1980年中頃からCCD

RCA 512x300

Miyazaki

受光面積は狭い15 mm x 10 mm (5’ x 3’ @ Kitt Peak 4 m)

NAOJ

モザイクCCD type I

Sekiguchi

1 cm x 1cm 汎用CCDをすき間を許して多数並べる
木曽シュミット 1990年初頭 世界最大級
Miyazaki

Sekiguchi, Iwashita, Doi, Kashikawa, Okamura (1992)

NAOJ

モザイクCCD type II

Luppino3 cm x 6cm 専用CCDをすき間を最小にして並べる
焦点面が狭い場合はこのtypeとなる(すばる主焦点)
Miyazaki

Luppino, Metzger, Miyazaki (1995) for CFHT & UH88

NAOJ

専用CCDの開発
Si Foundryに発注 (ただし性能は無保証)
-35CC
-75

Foundryを使った開発はリスクが高い(製造設備の性能差が大きい）

傷や電荷転送効率等、いろいろ問題が・・・
5

CCDの開発

国立天文台の採用条件

MITリンカーン研究所との共同開発
低雑音・高量子効率(あすか・すざく・チャンドラ)Luppinoが光学天文の要望をとりまとめ開発依頼
国立天文台も素子評価を通じて開発に参加
Dewar

QE bench

6Readout electronics

専用CCDの開発
MITリンカーン研究所(1990年後半)
低雑音・高量子効率(あすか・すざく・チャンドラ)Luppinoが光学天文の要望をとりまとめ開発依頼
国立天文台も素子評価を通じて開発に参加
132.8

6 cm (4096 pixel)

Miyazaki

3 cm (2048 pixel)

NAOJ

大望遠鏡での広視野撮像

１回反射の主焦点：焦点距離最短 -> 広視野8

主焦点での撮像
主鏡：双曲面

図 2: Suprime-Cam の光学系 (図 1,3 と向きが合うように改訂中)• Wynne Triplet (1968)• Kitt Peak 4 m望遠鏡用 (F/2.8)• 全て球面 UBK7ガラス• 結像性能 0ʼʼ .5 (phi=30ʼ) 1ʼʼ.0 (phi=1 deg)
400-500nm
94補正光学系

ynne が口径 150 inch 望遠鏡用に設計した広視野補正光学系。すべて UBK7 ガラス。

そのままでは（軸上ですら）あらゆる収差が発生

すばるの主焦点

口径が大きい口径比(焦点距離/口径=F)が小さい（明るい） 設計・製作が難しい
10

すばるの主焦点
初期のデザインrms < 0’’.2
350 - 1000 nm

Atmospheric Dispersion Corrector- a pair of oppositely rotating prismすばるの主焦点
初期のデザイン

660 nm
FPL51

OHARAの大口径低分散ガラス
試作

失敗

すばるの主焦点
Takeshi (武士) design
ADC

Encircled Energy
Plot
Atmospheric Dispersion
CorrLateral Shift ADC (Takeshi 2000)

ADC Not Activated (r-filter EL
100 umShift

Lateral shift type ADC wa
invented by the late Dr.Ta(the designer of the SuprWFC)
consists
ofatwoglasd*) This calculation
is based onpreviousBSL7Y + PBL1Y(not cemented)

EL = 90

EL < 9015Merits
use only two lenses(prism ADC uses four glworks as an achromaticすばるの主焦点
Takeshi (武士) design
ADC

ADCの面を収差補正にも使えるコンパクトな光学系 -> 製造可能になったSuprime-Cam
1999/01

カセグレン焦点でFirst Light

2000/06

主焦点でFirst Light

2001/04

すべてのCCDがMIT/LL CCID20に

2008/08

浜松完全空乏型CCDに置き換え
Mfront -> Mfront2MessiaIV -> MessiaV

2011/07

水没

2017

引退予定

新型カメラ構想
観測プロジェクト計画
CameraA⌦

Telescope

MegaCam

9.6

CFHT 3.6 m

Suprime-Cam

10.1

Subaru 8.2 m

Pan-STARRS

53.6

1.8 mx4

DES

37.4

CTIO 4m

LSST

329

6.5 m (equiv.)

π-Cam

162

直径2 度

18

Next Generation Camera: π-Cam

π-Cam500 some day
IAU Symposium 216 (2003), Sydney

新型カメラ構想

1.2 m Quarz

補正光学系 (2 deg)

キヤノンを退職されていた、武士さん(故Miyazaki

人:Suprime-Cam補正系担当)に設計依頼

NAOJ

新型カメラ構想
機械系概念設計

焦点面レンズ
Miyazaki

NAOJ

0KK0Z
0KK0Z
0KK0Z

0K0^U0K0^U0K0^U

0LZZ20LZZ20LZZ2新型カメラ構想
tsvwk

rsuk
rsuk
tsvwk
rsuk
tsvwk
LLJ
LU]
LLJ
LU]
LLJ
LU]
光学系
2度 —> 1.5度
ÄÄÄÄÄÄ
L2Z
L]K
L2Z
L]K
L2Z
L]K

usxk
usxk
usxk
LLJ
LLJ
LLJ
ÄÄ
Ä
Z^2Z^2Z^2• WFMOS(ファイバー多天体分光器、現PFS)との共同提案がプロジェクトの基本方針となり、大気分散補正系(ADC)が必要要件になった• 重量制限のため、視野角を減らす

Gillingham氏

成相先生

田中(陽子)さん

これらを、キヤノンに持ち込み、詳細設計を依頼
Miyazaki

NAOJ

新型カメラ構想
Basic
Triplet**

Lateral Shift
ADC

補正光学系(最終設計)持ち込んだ設計Miyazaki***
Chromatic
Aberration
Compensator

Quartz
BSL7Y
PBL1Y

NAOJ

新型カメラ構想
機械系の検討

機械系

三菱案

国立天文台案

重い鏡筒を重心近くで支持する--> アクチュエータを内Camera Unit

環の中に入れる必要!"!#$!%"#&'($()%*&+,-. "#$%& &/&0'123!"4((5)67890:;<=2>?

変形が大きくても、再現性があ
姿勢制御用の小型高出力ア!"#$%&'!"#%*@AB=+CD,-EF.G/(HI67*&&0JK0LC23M&0JK0112>NOPQR7STU(V0"#WXY2&ZX3&45/(HI675[67\89]^5F:;_2>?
Unit<=&>?@A0`FabB.c&Cd=D>?efgF:Eh3fgAB0Fi '""( G ) HFjk&+CR7STU(Velm2>?

クチュエータを開発れば補正できる(三菱伊藤さん)
Ring

Lens Holder Unit
CDEFG456789:

Miyazaki!$# ()&*ハーモニックドライブ社と共同試作

NAOJ%I.+JDKLn3&45/(HI675[67\89]^5&"#R7STU(V1&+Jo"

新型カメラ構想
最初期のSCCCD

FL時MIT素子は2個しかなかった
CCDはProjectの生命線
独自開発を決める

Miyazaki

新しい要素
完全空乏型

NAOJ

Project History
2002 10 Project started
2003

1 First FI n-type CCD(1k Ohm cm)

QE promising but amp noise high2003

9 First BI n-type CCD
Dark extremely high !

2004 3-Transition to 6 inch line
CTE got worse !

2004 11 Dark current reduced by employing gettering layer
2005

1 CTE improved

2005

3 Optimized BI device built (> 10 k Ohm cm)

2005

4 start testing for back-bias modelReduction of dark current

First BI CCD

100 e / s / pix at –30 C

Adopting gettering layer on the backside
to absorb metal ions

新型カメラ構想
CCD 浜松ホトニクスとの共同開発(再開)2002年表面
Miyazaki

2003年裏面

2007年裏面NAOJ

新型カメラ構想
CCD 浜松ホトニクスとの共同開発

対 MIT/LL 量子効率比
Miyazaki「ひとみ」も同型CCDをNAOJ

新型カメラ構想
CCD 浜松ホトニクスとの共同開発

Miyazaki

2008
1997
NAOJ

Telescope
I/F Frame
HSC.PFU(Mitsubishi)

HSCの開発HSC.CAM
CCD(HPK)
Hyper Suprime-Cam

NAOJ
IPMU
KEK
ASIAA
Princeton
Miyazaki

Shutter
FilterLens(Canon)HSC.WFNAOJ

HSCの開発
詳細システム設計: (結像性能)

NAOJ

Mitsubishi

MiyazakiCanon

Hamamatsu

NAOJ

HSCの開発

Miyazaki

NAOJ

HSCの性能評価
HSC-i 200 sec

0.40

0.47

Very Sharp Image Realized after tilt correction

Miyazaki

NAOJ

HSCの性能評価

Observation

Miyazaki

NAOJ

HSCの性能評価

Observation

Calculation
Miyazaki

NAOJ

HSCの性能評価

Observation

PFU Tilt: 30''
Calculation
Miyazaki

NAOJ

HSCの性能評価
30分角傾けても・・・

2.75

2.25

1.75
0.25

Miyazaki

0.75

1.25途中でSeeingが変わってしまい、変化がよく分からなかった。 NAOJ

HSCの性能評価
最近の進展 Off-Focus画像から波面誤差を計測する方法を開発+900 µm

ray trace-900 µm

視野中心

Miyazakistar 1star 2NAOJ

HSCの性能評価+900 µm

最近の進展 Off-Focus画像から波面誤差を計測する方法を開発

o-900 µm

視野端Miyazakiistar 1star 2NAOJ

HSCの性能評価
最近の進展Off-Focus画像から波面誤差を計測する方法を開発µm

a4
defocus~ 30’’の傾きを検出

a5

a6
astig.
(0/90)

astig.(45)Miyazaki+- 900 µmで求めたZernike係数の差の視野位置依存性

NAOJ

Kawanomoto

Focus合わせ用CCDからa4を推定

4隅に+-200 um offset pairを配置
各pairのoff focus像からa4を推定(seeing sizeは分離される)

De-Focus量a4
InR角度

InRの回転軸が光軸と合っていない

視野端での振幅~ +-22 um

光軸InR

CCD

光軸InR

CCD
43

10 µm

もうちょい薄板を入れて調整可能
44

PSFの補正星を使いPSF modelを作る

Miyazaki et al. (2015)現在は、外部情報は全く未使用

取得画像のみからモデル化

PSFの補正
modelと計測値の残差のauto correlation⇢1 (✓)

exposure毎にかなりばらつく✓

PSF modelが十分ではない

PSFの補正
まだPSF modelに取り入れていない情報

CCDの段差max ~ 30 µm

PSFの補正
まだPSF modelに取り入れていない情報
1.2

dZ=-0.06
dZ=-0.03
dZ=+0.00
dZ=+0.03
dZ=+0.06

Focusposition

1.15

1.1

ede ~ 1 %1.05

CCDの段差

1max ~ 30 µm
0.95

00.1

0.2

0.3

0.40.5視野角 [degree]

0.6

0.70.8

SSP
HSC製作組
観測の成功を目指し、カメラを調整し、特性を理解する努力はまだ続いています。

Satoshi Miyazaki

HSC/NAOJ