[論文レビュー] Multi-Conjugate Adaptive Optics with two Deformable Mirrors - Requirements and Performance

Thomas Berkefeld, Andreas Glindemann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2001

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 24被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、地上望遠鏡における補正視野（FOV）を顕著に拡大する二枚の可変鏡を備えたマルチコンjugエート・アダプティブオプティクス（MCAO）システムを提案する。波面誤差をゼルニケ多項式の相関関数でモデル化し、層状の乱流を測定するためのシャック・ハートマン・カーブチャーレンス（SHC）センサを採用することで、複数の乱流層にわたる波面補正を高精度で実現する。3.5mのカラアルト望遠鏡において、Kバンドで3分角のFOVを実現し、ストレール比が60％を超える。

ABSTRACT

In order to increase the corrected field of view of an adaptive optics (AO) system, several deformable mirrors (DM) have to be placed in the conjugate planes of the dominant turbulent layers (multi-conjugate adaptive optics, MCAO [Beckers et al.]). The performance of MCAO systems depends on the quality of the wavefront sensing of the individual layers and on the number of corrected modes in each individual layer as in single layer AO systems. In addition, the increase in corrected field of view depends on the number of guide stars providing information about the turbulence over a sufficiently large area in each turbulent layer. In this paper, we investigate these points and provide formulae for calculating the increased field of view with a new approach using the spatial correlation functions of the applied polynomials (e.g. Zernike). We also present a new scheme of measuring the individual wavefront distortion of each of the dominant layers with a Shack-Hartmann-Curvature Sensor using gradient information as well as scintillation. An example for the performance of a two layer MCAO system is given for the 3.5-m telescope of the Calar Alto Observatory, Spain, using a measured Cn2-profile. The corrected field of view in K-band (2.2 Microns) can be as large as 3 arcmin with a Strehl ratio above 60%.

研究の動機と目的

• 従来のアダプティブオプティクス（AO）システムに内在する限界であるKバンドで通常30''程度の補正視野（FOV）を克服すること。
• マルチコンジュゲートAO（MCAO）システムにおける波面センシングの課題に取り組み、異なる大気層からの乱流寄与を分離可能にする。
• 角方向のアンイソプラナティズムを最小限に抑えるために、2枚の可変鏡（DM）の配置と性能を最適化すること。
• 大型望遠鏡を想定した、レーザー誘導星（LGS）と自然誘導星（NGS）を併用したMCAOの実現可能性と性能を評価すること。
• シャック・ハートマン（SH）センサと比較して、シャック・ハートマン・カーブチャーレンス（SHC）センサが波面センシングの感度と精度を向上させることを示すこと。

提案手法

• ゼルニケ多項式の空間相関関数を用いて、角方向アンイソプラナティズムの新しい解析的表現を導出。古典的（θ/θ₀）⁵/³則に代わるより正確なモデルを提示し、補正モード数とDMの幾何形状の影響を反映する。
• 相関に基づくアンイソプラナティズムモデルを応用し、カルアロ観測所で測定されたC²ₙプロファイルを用いて、波面誤差を最小化するように、DMのコンjugート平面高度を最適化。
• シャック・ハートマン・カーブチャーレンス（SHC）センサを用いた波面センシング方式を提案。勾配成分に加え、強度揺らぎ（スニンチレーション）信号を併用することで、2つの主要な乱流層からの波面歪みを分離可能にする。
• SHCセンサの信号対雑音比（SNR）を、誘導星の等級、望遠鏡の口径、有効センシング高度の関数としてモデル化。明るさが低い誘導星の性能予測を可能にする。
• SHCセンサが2つのスニンチレーション信号を用いることで、ラプラシアンがゼロとなる波面モード（従来のSHセンサでは測定不能）の誤差を低減できる。
• カルアロのC²ₙプロファイルを用いて、3.5m望遠鏡を想定した数値シミュレーションを実施。異なるMCAO構成と誘導星配置におけるストレール比と補正視野を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アダプティブオプティクスにおける補正視野を、通常の30''という限界を著しく超えて拡大する方法は何か？
• RQ2 MCAOシステムにおいて、角方向アンイソプラナティズムを最小限に抑えるために、2枚の可変鏡をコンjugート平面にどのように配置すべきか？
• RQ3 層状乱流に対して、標準のシャック・ハートマン（SH）センサと比較して、シャック・ハートマン・カーブチャーレンス（SHC）センサがより優れた波面センシング性能を発揮できるか？
• RQ4 3.5m望遠鏡に実際の大気乱流プロファイルを適用した二枚の可変鏡MCAOシステムで、得られる最小ストレール比と最大補正視野は何か？
• RQ5 複数のレーザー誘導星（LGS）を用いることで、MCAOシステムのSNRと波面補正精度の観点から、性能と実現可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案された二枚の可変鏡MCAOシステムにより、3.5mのカラアルト望遠鏡ではKバンド（2.2 µm）で最大3分角の補正視野が達成された。
• 七つのレーザー誘導星を用いた構成では、3分角の全視野でストレール比が60％を超えることが確認され、従来のAOを著しく上回る性能を示した。
• カルアロのC²ₙプロファイルに基づく最適なDMコンjugート高度は、400 mと6900 mであり、アンイソプラナティズムに起因する残存波面誤差を最小限に抑えることが確認された。
• SHCセンサは二重のスニンチレーション信号を用いることで、ラプラシアンがゼロとなる波面モードを検出可能となり、従来のSHセンサと比較して再構成誤差を低減した。
• レーザー誘導星の等級が8等の場合、SHCセンサのSNRは4に達し、信頼性の高い波面センシングに十分な性能を示した。これにより、SHセンサよりも明るい星が不要で、より暗い誘導星を用いた観測が可能になった。
• 研究により、古典的（θ/θ₀）⁵/³則は補正視野を過小評価していることが確認された。新しい相関に基づくモデルは、システム性能のより正確な予測を可能にする。