TMT第一期観測装置
第 期観測装置
WFOSの近況報告
尾崎忍夫（国立天文台）

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アウトライン• WFOSの紹介
紹介• カメラレンズシステム開発における技術課題• 最近の国立天文台での活動
多結晶蛍研磨試験結果
WFOS光学系に関する検討2

Wide Field Optical Spectrograph(WFOS)
••
•
•
•

TMT第一期観測装置の１つ
第 期観 装広視野可視光多天体分光撮像装置
カリフォルニア大学サンタクルーズ（UCSC）がリード
国立天文台、ハワイ大学、中国科学技術大学、南京天文光学研究所が協力
現在他の研究機関も加えて新たな開発チームの再編が行われている。

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4

装置パラメーター
装置パラメタ
視野波長範囲
観測モード
観測モ
ド
波長分解能

8.3×3 arcmin2(1086 × 392 mm2 望遠鏡焦点面において)
310 – 600 nm （青側）
550 – 1000 nm （赤側）
撮像
ロングスリット分光
多天体スリット分光
R~1000, 5000, 8000
（0.75″幅スリット使用時）（幅 リッ 使用時）

コリメーター焦点距離4500 mm

カメラレンズ焦点距離600 mm

分光器内瞳径300 mm

検出器フォーマット

12K × 16K
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WFOS光学系

望遠鏡焦点面 & マスクプレマスクプレート
ト(1086 × 392 mm)

折り曲げ鏡

ダイクロイックミラー

軸外し非球面コリメーターミラー(~1m x ~1.7m)

赤側検出器

青側検出器
赤側カメラレンズ
青側カメラレンズ
反射型グレーティング

クロスディスパーザー

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国立天文台の役割•

カメラレンズシステム概念検討
硝材調達可能性
レンズ加工可能性 （ARコーティング含む）
レンズ保持機構
ズ保持機構
カメラレンズ性能評価試験手法
フィルター交換機構・シャッター•

最近、光学系の検討にも加わるようになった。

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スケジュール
スケジュ ル••2008/6 – 2008/12
F ibilit study
Feasibilityt d phasehConceptual design phase (CDP)
2009/6 – 2010/6

CDP Stage 1

2010年度からNAOJ参加
年度から参加2012/3 – 2013/8
2013/10/29,30
2014/5 – 2015/4
2015/4/14‐17
2015/summer – 2016••••••

2016/Q2 ‐2017/Q3 ‐2019/Q2 ‐2022/Q2 ‐2023/Q3 ‐2023/Q4 ‐CDP Stage 2
Handover workshop (PI,PM GMTプロジェクトへ)
mini study phasemini‐study
mini‐study review
ΔCDP

２年前の発表時
現在

Preliminary design phase (PDP)
Final design phase (FDP)
Fabrication (FAB)
Integration (INT)
Assembly, Integration and Verification (AIV)
Commissioning (COMM)
8Mini-study phase••

期間：2014/5
期間
2014/5 – 2015/4
開発チーム再編のためのphase
これまでの概念検討で足りない検討を行う
これまでの概念検討で足りない検討を行う。
新規参加機関にWFOSやTMTの理解を深めてもらう。
参加機関の技術レベルをアピ ルしてもらう。
参加機関の技術レベルをアピールしてもらう。

•WFOSに関心のある研究機関が全て参加
計１７： 中国 ９、インド
計、インド ３、アメリカ、ア リカ ３、、 日本 １、台湾、台湾 １•検討結果をもとにTMTが新規開発チームを編成する。

•国際協力の難しさを実感
言葉の壁、コミュニケーションツール、時差9技術課題１：大口径硝材• Hellma materials（ドイツ）がφ440mm,ドがt320mmの蛍蛍石結晶の製造に成功• 一般光学ガラスもφ400mm以上となると限られた種類しか利用できない。

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技術課題２：大口径蛍石レンズ製造• 蛍石は熱膨張係数が大きく、かつ脆性
蛍 は熱膨張係数が大きく か 脆性
• 加工に際して注意が必要
研磨時の温度管理
ＡＲコーティング時の昇温・降温スピード• 一度は実物大の試作を行う必要がある。

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技術課題３：大口径レンズの保持機構
ズ••

WFOSカメラレンズシステムには蛍石レンズと石英レンズが複数使用される。
蛍石と石英の熱膨張係数は 18.5×10‐6/K と 0.55×10‐6/K
２０℃の温度変化、サイズ420mm => 0.155mm と 0.05mmの変化

直径300mm程度の蛍石レンズは既に天体観測装置に利用されている。
温度変化を補償する機構も考案されていて、実用化されている。

287mm
23000mm

•
•

蛍石

蛍石

DEIMOS

蛍石

蛍石

蛍石

蛍石

ESI

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技術課題４：光学性能評価手法••••

WFOSカメラレンズで多く用いられる蛍石と石英の屈折率温度依存性は大きく逆符号
光学性能の温度依存性が大きいと予想される
最終光学性能は運用温度である0℃で評価したい。とはいえ組立調整段階では室温で評価したい。

JAXAの大型恒温室
W3m x D4m x H2.6m

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カメラレンズに用いる蛍石••••WFOSカメラレンズの直径は~440mm
カメ
ズ 直径は収差補正のために蛍石使いたいΦ440mmの蛍石の単結晶は入手が困難なので多結晶を用いな蛍単結が 難な多結 をなければいけない可能性がある。
多結晶を用いると研磨誤差が生じるという懸念がある
多結晶を用いると研磨誤差が生じるという懸念がある。

単結晶： 全領域で結晶方位がそろっている

多結晶： 部分的に結晶方位の異なる領域が存在する。

バウンダリー：バウンダリ： 多結晶において結晶方位の異なる領域の境界14多結晶蛍石研磨試験•φ70
φ70mmの平凸レンズの平凸レンズ•

異なる結晶方位を持つ領域の境界で形状誤差が大きくなる。
~139 nm PV、 ~26 nm RMS•

今後結像性能今後結像性能への影響を検証する。
影響を検証する

Measured area: D65 mm
凸面形状誤差測定結果
黒線は異なる結晶方位を持つ領域の境界

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quasi-Littrow形式でのビ ム形状の歪みビーム形状の歪み••

In‐plane形式ではブレーズ付き反射型グレーティングを用いると分散方
l形式ではブレ ズ付き反射型グレ テ ングを用いると分散方向にビーム径が拡大または縮小されることが知られている。
Quasi‐Littrow形式ではそのようなビーム形状の変形はないと思っていた。
In‐plane形式

quasi‐Littrow形式
q











Y
X

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•

Quasi‐Littrow形式ではビーム形状が歪む•

射出形状は楕円•

長直径は入力よりも大きくなる。

•

単直径は入力よりも小さくなる。





YX

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• WFOS
高分散モード：α
高分散モ
ド = 57.5°、γ=19°°°
中分散モード：α= 38.5°、γ=19.2°• HDS@すばる望遠鏡
すばる望遠鏡分散高分

中分散

α= 71.5°、γ = 6°(Noguchi et al., 2002, PASJ, 54, 885)

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Quasi-Littrow形式でのスリットの傾き• Quasi‐Littrow形式ではスリットが大きく傾く
式 はが大きく傾く
In‐plane形式では傾かない

インドのグループの解析結果
ド グ
プ 解析結
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Quasi-Littrowとin-planeの中間的な形式ではどうなるか？




Y


X

α > β：minification
α < β：magnification20

• Quasi‐Littrowからminificationの方向へは単調にス
リ トの傾きが小さくなる
リットの傾きが小さくなる。
• Quasi‐Littrowからmagnificationの方向へは一旦傾きが大きくなった後、急激に小さくなる。

色の違いは波長分解能Rの違い
太線はスリット中央に対する 方の端の位置ずれ量
る一方の端の位置ずれ量
細線はもう一方のずれ量
矢印はquasi‐Littrowの場合の位置
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今後のWFOS光学レイアウト検討における考慮事項（私感）
考•

硝材の調達可能性
蛍石は現状でMax φ440mm
利用できそうな光学ガラスの種類は限られている•

ケラレ
ビーム径の拡大はケラレを増大させる。

•スリットの傾き
minificationのin‐planeに近づけるとスリットの傾きは小さくなるが、ビーム径の拡大が生じる••

グレーティング効率
グレティング効率
透過型分散素子の可能性

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まとめ
• WFOSの技術課題
技術課題
大口径硝材
大口径蛍石レンズ製造
大口径レンズの支持機構
光学性能テスト• 国立天文台での最近の活動
動カメラシステム概念検討（本講演には含まれず）
多結晶蛍石研磨試験
WFOS全体光学系検討

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