[論文レビュー] Metrology Camera System of Prime Focus Spectrograph for Subaru Telescope

Shiang‐Yu Wang, Richard C. Y. Chou+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、すばる望遠鏡のプライマリフォーカススペクトログラフ（PFS）向けに、カセグレイン焦点に設置された5000万画素のCMOSカメラを用いて、10 µm未塔のファイバー位置決め精度を達成するメトロロジー・カメラ・システム（MCS）を提案する。本システムは、45 cmの焦点面において5 µmの位置誤差で閉ループ制御を可能にし、0.8秒の読み出しと0.5秒の処理により、ファイバー再構成時間を2分未塔に短縮する。

ABSTRACT

The Prime Focus Spectrograph (PFS) is a new optical/near-infrared multi-fiber spectrograph designed for the prime focus of the 8.2m Subaru telescope. PFS will cover a 1.3 degree diameter field with 2394 fibers to complement the imaging capabilities of Hyper SuprimeCam. To retain high throughput, the final positioning accuracy between the fibers and observing targets of PFS is required to be less than 10um. The metrology camera system (MCS) serves as the optical encoder of the fiber motors for the configuring of fibers. MCS provides the fiber positions within a 5um error over the 45 cm focal plane. The information from MCS will be fed into the fiber positioner control system for the closed loop control. MCS will be located at the Cassegrain focus of Subaru telescope in order to to cover the whole focal plane with one 50M pixel Canon CMOS camera. It is a 380mm Schmidt type telescope which generates a uniform spot size with a 10 micron FWHM across the field for reasonable sampling of PSF. Carbon fiber tubes are used to provide a stable structure over the operating conditions without focus adjustments. The CMOS sensor can be read in 0.8s to reduce the overhead for the fiber configuration. The positions of all fibers can be obtained within 0.5s after the readout of the frame. This enables the overall fiber configuration to be less than 2 minutes. MCS will be installed inside a standard Subaru Cassgrain Box. All components that generate heat are located inside a glycol cooled cabinet to reduce the possible image motion due to heat. The optics and camera for MCS have been delivered and tested. The mechanical parts and supporting structure are ready as of spring 2016. The integration of MCS will start in the summer of 2016.

研究の動機と目的

• すばる望遠鏡のプライマリフォーカススペクトログラフ（PFS）に対して、10 µm未塔のファイバー位置決め精度を達成すること。
• リアルタイムで高精度なファイバー位置フィードバックを提供するメトロロジー・カメラ・システム（MCS）を開発し、閉ループ制御を可能にすること。
• 安定した炭素繊維構造とグリコール冷却部品を用いて、45 cmの焦点面全体で均一な画像品質と最小限の熱的ドリフトを確保すること。
• 0.8秒の読み出しと0.5秒の処理時間をそれぞれ実現することで、ファイバー再構成中のオーバーヘッドを最小限に抑え、迅速な再構成を可能にすること。
• 標準的なカセグレインボックスを用い、最小限の改造で既存のすばる望遠鏡インfraにMCSを統合すること。

提案手法

• カセグレイン焦点に、1.3°の直径を持つ焦点面全体を像像できる380 mmのシュミット型望遠鏡を設置し、5000万画素のCMOSセンサを搭載する。
• 点像関数（PSF）の適切なサンプリングを確保するため、焦点面全体で10 µmのFWHMスポットサイズを維持する。
• 熱的変化によるフォーカスシフトを防ぐために、カメラと光学系を炭素繊維チューブに固定して機械的安定性を確保する。
• 発熱部品を隔離し、熱的要因による像の動きを最小限に抑えるために、グリコール冷却キャビネットを採用する。
• CMOSセンサを0.8秒で読み出し、読み出し後0.5秒以内にファイバー位置を処理することで、迅速なファイバー再構成を実現する。
• MCSから得たファイバー位置データをファイバー位置決め制御システムにフィードバックし、リアルタイムで閉ループ補正を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型望遠鏡機器の45 cm焦点面全体で、10 µm未塔の位置決め精度を達成するメトロロジー・システムは、どのように実現できるか？
• RQ2 均一な画像品質と長時間の観測期間における熱的安定性を確保するための光学的・機械的設計選択は何か？
• RQ3 効率的なマルチオブジェクト分光法を支援するため、ファイバー再構成中のオーバーヘッドをどのように最小限に抑えられるか？
• RQ4 ファイバー位置メトロロジーにおいて、センサの速度、解像度、焦点面均一性の最適なバランスは何か？
• RQ5 MCSは、大規模な改造を伴わず、既存のすばる望遠鏡インfraにどのように統合できるか？

主な発見

• MCSは45 cmの焦点面全域で5 µmの位置精度を達成し、PFSの10 µm未塔要件を満たしている。
• 5000万画素のCMOSセンサにより、フルフレーム読み出しが0.8秒で実現され、読み出し後0.5秒以内にファイバー位置の計算が完了する。
• システム導入により、全ファイバー再構成時間が2分未塔に短縮され、観測効率が著しく向上した。
• 炭素繊維チューブの使用により、機械的安定性が確保され、温度変化下でもフォーカス調整の必要がなくなった。
• グリコール冷却キャビネットにより、熱的ドリフトが効果的に抑制され、発熱源による像の動きが最小限に抑えられた。
• 380 mmのシュミット望遠鏡設計により、焦点面全体で一様な10 µm FWHMスポットサイズが得られ、PSFの均一なサンプリングが可能になった。