東大アタカマ望遠鏡（ＴＡＯ）光学系検討の現状報告

東大天文センター・木曽観測所宮田　隆志田中　培生山室　智康

　　　お話する内容□どんな望遠鏡にするのか？□パラメータの相互関係□パラメータの選択□設計の例

どんな望遠鏡にするのか？

□　赤外線用の望遠鏡

□　広視野の望遠鏡

□　シンプル・メンテナンスが少ない望遠鏡

どんな望遠鏡にするのか？赤外線用の望遠鏡

高地（５０００ｍ以上）という条件を最大限に生かす　　→　（熱）赤外での性能重視

光学系という観点から　◎　瞳を副鏡に置く　◎　熱放射源を光路中に置かない　◎　振動副鏡　←　 Chopping

どんな望遠鏡にするのか？広視野の望遠鏡

観測の効率（Ｄ２ ×Ω ）を高める

光学系という観点から　◎　Ｆを明るくする　◎　補正系を組む　　　　　←　大型のレンズを用いた透過系

どんな望遠鏡にするのか？シンプル・メンテナンスが少ない望遠鏡

高地での作業量を減らす少ない人数で運用可能安定した運用・ dead time を少なく

光学系という観点から　◎　光学系は１種類に　　　→　副鏡や補正系の交換は行わない

赤外性能重視振動副鏡＝小さな副鏡

広視野明るいＦ＝大きな副鏡

シンプルな望遠鏡副鏡は１つ

すべてを完全に満足する事はできない

どんな望遠鏡にするのか？

パラメータの相互関係　　　　　一般論

主鏡は６．５ｍ、Ｆ　１．２５　　　これは固定と思う

まずは決めるべき望遠鏡のパラメータ　 Caseegrain か　 Gregorian か？　 Ritch-Cretien か　 Classical か？　最終Ｆ値

パラメータの相互関係　Cassegrain か Gregorian か？

　　　　　　　　　　　 Cassegrain 　　　 Gregorianコマ収差　　　　　　　　　　　　同じ非点収差・湾曲　　　　　少し良い　　　少し悪い湾曲の補正　　　　　　　難しい　　　　　楽軸ずれコマの出安さ　　　　　　　同じ

Cassegrain

Gregorian

　　　　　　　　　　　 Cassegrain 　　　 GregorianＭ２サイズ　　　　　　　小さい　　　　大きい

Ｍ１－Ｍ２距離　　　　　小さい　　　　大きい

M2 サイズ

F 値

M2 直径

F 値

M1-M2 間距離

パラメータの相互関係　Cassegrain か Gregorian か？

パラメータの相互関係　Ritchy-Cretien か Classical か？

RC はコマフリーであり、単一Ｆの望遠鏡なら RC が有利　　ただし、他のＦではコマが大きい

Classical は複数Ｆで使用するのなら有利　　コマ補正が必要なので補正系は像面から遠くに置く　　　→　補正系は交換がたいへん

Classical とRC でのコマの強さ（視野 30‘ と固定）

パラメータの相互関係　最終Ｆ値

最終Ｆ値を決めるのに考慮すべき要素　　＝　視野、Ｍ２サイズ、収差

□　視野とＦ値の関係

広視野をやるには焦点面近くに補正系が必要　　補正系のサイズは製作上の問題からＭＡＸがある　　　　　例えば　可視　　 φ ７０ｃｍ　　　　　　　　　　（ Silica だけなら１００ｃｍ？）　　　　　　　　　近赤外　 φ ３０ｃｍ　→　視野の物理サイズは固定になるので、視野広さは　　Ｆ値によって決まってしまう。

→　Ｆが明るいほうが広視野には有利

パラメータの相互関係　最終Ｆ値　視野との関係

視野の直径

F 値

Ｆが明るいとＭ２は大きくなる　＝　振動副鏡は難しくなる　　→　振動副鏡を考えるとＦは暗めに

パラメータの相互関係　最終Ｆ値　M2サイズとの関係

M2 直径

F 値

パラメータの相互関係　最終Ｆ値　収差との関係

F 値

非点のスポット径

F 値

コマのスポット径

“ 赤外線用の望遠鏡”　→　Ｍ２は小さくすべき　　　　　　◎　 Cassegrain　　　　　　◎　Ｆを暗めにとるべき　　 “広視野望遠鏡”　→　明るいＦ　　　　　　◎　なにしろＦを明るく　　　　　　　　（◎　 Gregorian の方が補正系を組みやすいので少し有利）

“ シンプルな望遠鏡”　→　Ｍ２などの交換はなし　　　　　　◎　 Classical ではなくＲＣにすべき　　　　　　◎　Ｆは単一

パラメータの選択

赤外性能重視　振動副鏡　Ｆ暗め

広視野　Ｆ明るめ

シンプルな望遠鏡　副鏡は１つ　ＲＣタイプでコマを取る

“Cassegrain 望遠鏡”

Ｆ値Ｆ＝５Ｆ＝１５

Ｆ値の落としどころは？

パラメータの選択

振動副鏡　　どのぐらいのサイズまで振れるか？　　　　　　→　大きさの他に重さが重要

材質候補　ガラス系（ Zerodur など）、ベリリウム、 SiC

ベリリウム　○密度が低い（ 1.81g/cm3 ）、　　　　　　○硬いので薄くできる　　　　　　 × 高価で製造が難しいSiC 　　　　 ○硬いので薄くできる　　　　　 × 高価

　　とりあえずは軽量化 Zerodur を想定する

パラメータの選択　 Fを具体的に決める

Aspect 比を固定（ 7 ）して考える

50% lightweighted なら F １５以上80% 　　　　　　なら F １２以上にすれば振れる

パラメータの選択　 Fを具体的に決める

M2 の重さ M2 の慣性モーメント

F 値 F 値

F12 ならば　可視像面湾曲補正なしで　　　　　 φ４４ arcmin　可視像面湾曲補正ありで　　　　　 φ ３０ arcmin　近赤外　　　　　 φ １３ arcmin

D2Ω で考えると　 φ44’ → 　 64000‘2m2

　　 SupCam より５％だけ大きい

パラメータの選択　 Fを具体的に決める

視野は？

Cassegrain 　 Ritchy-Cretien タイプ主鏡　直径　 6.5m　　　 F 値　　 1.25副鏡　振動副鏡　　　　　直径　 935mm　　　　　厚さ　 135mm　　　　　重さ　 50 kg 　（ lightweighted 80% ）最終 F 値　　 12.0Plate Scale 　 2.65 arcsec/mm 　＝　 380μm/arcsec補正系　　可視（湾曲補正無し）用　 φ1m 　　視野 φ44’　　　　　可視（湾曲補正あり）用　 φ70cm 　　　 φ30’　　　　　近赤外用　　　　　　　　 φ30cm 　　　 φ13’

設計の例

主鏡　直径　　　　　 6.5m　曲率半径　　　 16250mm　コニック係数　– 1.003381

副鏡　直径　　　　　 935mm　曲率半径　　　 2511mm　コニック係数　– 1.542461　厚さ　　　　　 135mm　重量　　　　　～ 50kg

設計の例　望遠鏡パラメータ

6998mm

Backfocus 4000mm

Silica950mm

像面湾曲　 R=1766.5mm10mm 離れると 30um の焦点移動30mm 　　　　 250um

1650mm

設計の例可視補正系（湾曲補正無し）

視野中心

0.90micron0.55micron0.42micron

R=20arcmin

R=13arcmin

1辺 100um

スポットダイアグラム

設計の例可視補正系（湾曲補正無し）

CaF2 SilicaCaF2 S-TIH14

BaF2

BaF2

S-TIH14

CaF2 CaF2

S-FPL53

180mm

1030mm

設計の例近赤外補正系

視野中心

　 K-band　

　 H-band　

　 J-band　

R=3.6arcmin

R=2.4arcmin

1辺 200um

スポットダイアグラム

設計の例近赤外補正系

可視用補正系はナスミスに固定近赤外補正系も

ナスミスに固定？

ナスミス１可視広視野装置

ナスミス２近赤外広視野装置

カセグレン焦点中間赤外装置

ベントカセその他の装置

第三鏡の回転・抜き差しで装置交換

設計の例　配置のアイデア

コメント　 F/15 　 AO副鏡

Classical

RC F/12

現在 Steward が開発中のＡＯ副鏡　　 F/15 （サイズ　 D=640mm ）

コマ径だけで言えばClassical と同程度

TAO 光学系の概念　赤外仕様・広視野・シンプルが柱　しかし、完全に仕様を満足する解はない　特に F 値の選択で相反する

RC-Cassegrain F12 の望遠鏡案　赤外振動副鏡を搭載可能で、かつ最も広視野　　　副鏡サイズ 935mm　　　視野　可視 φ44arcmin 　近赤外 φ13arcmin　　→　この考え方でもう少し仕様をつめるか？

まとめ