補償光学系の要素技術開発
2012/2/23 @ Mitaka
Shin Oya (Subaru Telescope)
Outline
補償光学(AO: Adaptive Optics)
• システムの構成要素
• 新しいAOシステム
• 新しい要素技術
補償光学系とは
• 光波面の歪みをリアルタイムで
補正して回折限界像を取得
w/o AO
w/ AO
•天文学と眼科医療で応用が盛ん
網膜
海王星
w/o AO
w/ AO
w/o AO
w/ AO
AOの基本構成
参照光源
Natural Guide Star
(NGS)
DM
RTC
WFS
AOの基本構成
人工参照光源
LGS
補償光学系の構成要素
• 基本要素は、3つ + 1つ = 4つ
– 波面センサ(WFS: Wave Front Sensor)
– 可変形鏡(DM: Deformable Mirror)
– リアルタイム計算機(RTC: Real Time Computer)
– レーザー
• 関連の深い要素技術
– 光学素子の加工技術
– オプトメカ
観測装置として完成させるためには、いわゆる天体観測装置
のオプトメカが非常に大切(ガイド星捕捉機構、像回転機構)
– シーイング測定
波面センサ(WFS)
光検出器は、光の強度を測る。位相を直接は測れない。
⇒ 位相情報を強度情報に変換して検出する。
シャックハルトマン
ピラミッドセンサ
(ナイフエッジテストの要領)
曲率センサ
可変形鏡(DM)
積層アクチュエータ
ピエゾ タイプ
バイモルフ
すばる望遠鏡のAO
• マウナケアの典型的なシーイング: 0.5” @ K-band
• 8m望遠鏡の回折限界: 0.06” @ K-band
AO36 ⇒ LGSAO188
• 多素子化のメリット
– 性能向上
SR:0.3 → 0.6 @K-band
LGSAO188
– 短波長でも有効
• レーザー化のメリット
– スカイカバレージ
数% → 数10%
単一曲率WFS + 単一バイモルフDM
視野が広がった訳ではない
AO36
AO方式の発展
より細かいゆらぎ補正
要素技術の発展が原動力
(素子数増)
HiCIAO/SCExAO
Wide field AO
(Subaru ngAO)
詳しくはUMで!
RAVEN
LGSAO188
より多くのゆらぎ層
(可変形鏡・波面センサ数増)
視野を広げる
• 大気の3次元構造を考慮しないといけない
• そのために複数のガイド星が必要
トモグラフィー
広視野AOの方式
GLAO
MOAO
FoV: >10分角
シーイング改善
(fwhm: ~ 0.2")
サーベイ可
FoR: 3~5分角
FoV: 数秒角
回折限界
既知天体
可変副鏡で
接地層ゆらぎ
のみ補正
各天体の方向
のみ補正
複数WFS
複数WFS
開ループ
天体ごとにDM
広視野撮像分光装置
Subaru (広視野を活かす)
IFU分光器
TMT (大口径ほどFoR広い)
新しい要素技術: WFS
波面検出原理は基本的には同じ
• オープンループ
– 特にMOAOで必要
– 波面検出のダイナミックレンジが必要
– システムの較正が重要
• 検出器
EM-CCD (数百Hz)
最近CMOSも性能が向上
天文の場合、基本的に光子不足
読み出し雑音を考えると現状では、
まだEM-CCDの方が有利
新しい要素技術: MEMS-DM
基本原理は、静電力で「引き」、機械的バネ(張力)で「戻り」
単一メンブレン式
OKO
二段メンブレン式
Boston Micromachines
分割三脚式
Iris AO
新しい要素技術: DM (voice coil)
可変副鏡(ASM: Adaptive Secondary Mirro)
超多素子、エミッシビティを増やさない
ALPAO社 (メンブレン+micro voice coil)
変形量が大きい
277actuators
D=24.5mm
(1.5mm間隔)
1ms settling
隣同士で3mm差の変位可能
ESO/VLT: 1170 actuators
D=1.12m, t=2mm (9kg)の薄いガラス
リアルタイム計算機(RTC)
性能向上、価格低下
Concurrent
• AO36 ~2000万円
– MAXION: 2CPU(R4400MC,200MHz)
– MaxOS
– VME base
• LGSAO188 ~300万円
– iHawk: 4CPU(OpteronQuad,3.3GHz)
– RedHawk (RedHat linux base)
– PCIe base
簡易AOには普通のLiunx PCでもOK
制御が複雑な次世代AOはDSP/FPGA専用ボードか?
計算機関係
• ハードウェア
GPGPU
並列演算による高速化
• 計算アルゴリズム
トモグラフィ
新しい要素技術: 光学素子
アイデアを形にできる
• LGSAO188: WFSのレンズレットアレイ
高次WFS 188素子
低次WFS: 2x2素子 4x4素子
• SCExAO: コントラスト向上のための重要部品
Phase-Induced Amplitude Apodization
Spider Removal Plate
新しい要素技術: レーザー
色素 ⇒ 固体和周波(~5W) ⇒ ファイバー(~50W)
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アラインメント不要
良好なビーム品質
熱が集中しない
部品点数少、市販(通信・加工)
アンプと倍波ユニット分離
小型高出力アンプ
方式
・1178nmの倍波 (ESOで実用化)
seed(1178nm LD) + pump(1120nm Raman)
・2波長別々にアンプして和周波
ex. 1/938nm + 1/1583nm
今後の開発: テーマ
多様化するニーズ
•地上大型望遠鏡(30m、8m)
30m望遠鏡時代、広視野化が新たなテーマ
–TMT: MOAO(多天体化の効率、大口径ビーム活用)
–すばる: 可変副鏡(GLAO広視野による相補性、他)
•大学、中・小望遠鏡
小型安価、実験室実験からオンスカイ試験へ
•スペース
能動光学
•高コントラスト
SCExAO(Subaru)、SEIT(TMT)、SPICAコロナグラフ
今後の開発: 課題
•
• 技術
– 既存技術・製品の有効活用、専門家との協力
シーズも多様化している
– 多様化する目的に応じたシステムを組み上げる経験
簡易な実験、最終版で高精度な設計、調整、較正
• 人材
– 情報交換・交流
– 若い人の参加
今回の研究会
天文台滞在型研究員制度
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PPT - Subaru Telescope