第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

イメージスライサー型面分光ユニットにおける光学設計－すばる・TAO望遠鏡での近赤外面分光観測に向けて－
北川 祐太朗 & SWIMS team
(東大天文センター)＜Collaborator＞
尾崎忍夫(NAOJ-ATC), 吉川智裕(京産大), 所仁志(株ナノオプト)

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

面分光 (Integral Field Spectroscopy) とは？
 空間方向2次元＋波長方向1次元のデータを一度に取得⇒ 最終的に得られるデータは3次元の「データキューブ」
天体からの情報
位置, 波長, 偏光,P
λ
X-Y

時間変動
Δt

検出器に展開できる情報
・ 撮像なら(X, Y)・ 分光なら(X, λ)・ 面分光なら(X, Y, λ)のデータが取得可能

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

イメージスライサー型面分光ユニット

Vives et al., 2006“Data cube”

ソフトウェア上で再構成

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

近赤外面分光装置が今、必要なワケ

現代の銀河研究において、「空間情報を保持したまま波長情報を同時に取得できる」
面分光観測の重要性は年々増している

今後も、近赤外面分光観測の需要は増していくと思われる。
容易にアクセスできる装置は？

ゼロから面分光観測専用の装置を作る？

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

近赤外面分光装置が今、必要なワケ

現代の銀河研究において、「空間情報を保持したまま波長情報を同時に取得できる」
面分光観測の重要性は年々増している

今後も、近赤外面分光観測の需要は増していくと思われる。
容易にアクセスできる装置は？

ゼロから面分光観測専用の装置を作る？

既存の多天体分光装置を利用し、軽量・小型な面分光ユニットを開発することで簡便に近赤外面分光観測を実現「SWIMS＋面分光ユニット」のコンセプト

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

What is SWIMS ??
 近赤外 2色同時 多天体分光撮像装置
Simultaneous-color Wide-field Infrared Multi-object Spectrograph

望遠鏡からの入射光
From Telescope
望遠鏡からの入射光
Slit
mask
多天体分光用
IFU
moduleスリットマスクダイクロイックミラー

近赤外の2つの波長域 (0.9-1.4/1.4-2.5 μm)を同時に撮像、もしくは多天体分光が可能“Blue arm”
(0.9 – 1.4 μm)“Red arm”(1.4 – 2.5 μm)

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

SWIMS+面分光ユニット(IFU)のコンセプト
 多天体分光の1スリットマスクとして格納可能な小型・軽量ユニット

マスクストレージ
多天体分光マスク
交換ユニットマスクキャッチャー

面分光ユニットに要求されるサイズ制限
170mm× 220mm ×60mm

望遠鏡
焦点面へ

“Compact” IFU＜SWIMS-IFUの特徴＞

SWIMSデュワー本体

・既存の光学系を崩さずに・多天体分光装置に実装できる装置交換を要さずに面分光観測モードを簡便に実現第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

SWIMS-IFUにおける光学設計 目標(1) 要求されるサイズ・重量制限を満たし(2) 科学観測に耐える光学性能を有する
イメージスライサー型 近赤外面分光ユニットの開発【SWIMS-IFUの基本パラメータ】

視野

スライス幅

スライス数

14” ×10.4”
14” × 6.8”

0.4”
0.4”

26
13

検出器が各焦点面に4枚の場合 (TAO望遠鏡)

検出器が各焦点面に2枚の場合 (すばる望遠鏡)

ハワイ・マウナケア山山頂におけるseeing-limited 観測に最適化第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

光学設計における束縛条件
 光学設計の際に下記の条件を考慮(1) サイズ は 170 x 220 x 60 mm3 以下⇐ MOSユニットへの格納条件(2) スライスミラーの鏡面形状はフラット⇐ ミラー加工を容易にする工夫(3) 各ミラーを同一箇所に配置⇐ ミラー同士の一体加工によりアライメント手間を省略

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

Modeling of SWIMS-IFU
望遠鏡からの入射光i)

ii)

iii)

iv)

vi)
1D- ”long” slitv)

SWIMS(分光器)への射出光ⅰ) ピックオフ鏡ⅱ) 拡大光学系1 (レンズ)ⅲ) 拡大光学系2 (凹面鏡)ⅳ) スライスミラーⅴ) 瞳ミラーⅵ) 擬似スリットミラー第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)(1) サイズ要求に対する評価
 要求されるサイズ制限を満たす光学解の構築に成功

length 150 mm

height50 mm

width (紙面奥行き方向)
185 mm面分光ユニットに要求されるサイズ制限
170mm (L) × 220mm (W) × 60mm (H)第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)(2) 結像性能に対する評価
 スリットミラー上におけるスポットダイアグラム
視野1

視野30.4”視野2ch -1
(対応する瞳ミラーは球面)

RMS直径 0.078”

RMS直径 0.078”

0.4”

RMS直径 0.051”

RMS直径 0.228”

ch -13(対応する瞳ミラーは楕円面)
RMS直径 0.027”

RMS直径 0.253”

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)(2) 結像性能に対する評価
IFU

 SWIMS検出器上でのスポットダイアグラム

0.4”Best spot (-1ch, 0.9um)

RMS直径 0.175”

RMS直径 0.155”

Worst spot (-13ch, 1.4um)

0.4”

ダイクロイック
ミラー

RMS直径 0.168”

RMS直径 0.400”

RMS直径 0.269”

RMS直径 0.279”

一番悪化したスポット ~ マウナケアのベストシーイング ~0.4”第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

ここから本題...？？

SWIMS-IFUにおける技術課題第3回 可視赤外装置技術WS (2013/12/17-18)

SWIMS-IFUにおける技術課題
 光学設計は、まだ改善の余地あり・非常に狭い空間で光線を複数回反射させることになるので、必然的に収差は大きくなる (特に端チャネル)
・でも端チャネルでの結像性能は可能な限り良くしたい(現在は瞳ミラーの端チャネルは楕円鏡)
・SWIMS内で綺麗な瞳像を作る必要あり (光量ロスは抑えたい)第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

SWIMS-IFUにおける技術課題
 各種ミラーの製作

スライスミラー、瞳ミラー、擬似スリットミラーいずれも「曲者」揃い

超精密加工技術を用いた金属鏡の切削加工
・アルミ母材から一体加工
・各面は異なるRをもつ (＋一部非球面)
・目標 表面粗さ10nm RMS

海外業者も視野に含めて、現在検討中

試作スライスミラー (3反射面)
平均表面粗さ~7nm RMS

第3回 可視赤外観測装置技術WS (2013/12/17-18)

Summary

SWIMS-IFUのコンセプト
既存の分光装置を利用し、軽量・小型な面分光ユニットを開発することで、簡便に近赤外面分光観測を実現

要求されるサイズ条件を満たす光学設計解の構築に成功。
seeing-limited 観測条件の下で acceptable な結像性能を達成



技術課題
・狭い空間かつ反射を多用した光学系での、結像・瞳像性能の向上
・複雑な形状をもつミラーアレイの超精密加工による製作可能性

上記の技術要素で、過去に検討したことがある、あるいはこうしてはどうだろうか？？など質問、コメントがあればぜひお待ちしています (y_kitagawa@ioa.s.u-tokyo.ac.jp)