[論文レビュー] Polarization aberrations in next-generation giant segmented mirror telescopes (GSMTs) I. Effect on the coronagraphic performance

Ramya M. Anche, Jaren N. Ashcraft+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、次世代の大規模セグメンテッドミラー望遠鏡（GSMT）における偏光誤差の影響を、Zemax®を用いたレイトレーシングとhcipyを用いた波フロント伝搬シミュレーションにより、高コントラストイメージングコロナグラフに与える影響を調査している。主に一次および二次ミラーに起因する遅延位相差（retardance defocus）が、可視光帯域では1λ/Dで10⁻⁵–10⁻⁴、赤外線帯域では10⁻⁵–10⁻⁶の原始的コントラストに制限を及えることが判明した。また、コーティングの種別が誤差の強度に顕著な影響を及ぼすことが示され、これには機器設計段階での専用の補償が必要である。

ABSTRACT

Next-generation large segmented mirror telescopes are expected to perform direct imaging and characterization of Earth-like rocky planets, which requires contrast limits of $10^{-7}$ to $10^{-8}$ at wavelengths from I to J band. One critical aspect affecting the raw on-sky contrast are polarization aberrations arising from the reflection from the telescope's mirror surfaces and instrument optics. We simulate the polarization aberrations and estimate their effect on the achievable contrast for three next-generation ground-based large segmented mirror telescopes. We performed ray-tracing in Zemax and computed the polarization aberrations and Jones pupil maps using the polarization ray-tracing algorithm. The impact of these aberrations on the contrast is estimated by propagating the Jones pupil maps through a set of idealized coronagraphs using hcipy, a physical optics-based simulation framework. The optical modeling of the giant segmented mirror telescopes (GSMTs) shows that polarization aberrations create significant leakage through a coronagraphic system. The dominant aberration is retardance defocus, which originates from the steep angles on the primary and secondary mirrors. The retardance defocus limits the contrast to $10^{-5}$ to $10^{-4}$ at 1 $λ/D$ at visible wavelengths, and $10^{-5}$ to $10^{-6}$ at infrared wavelengths. The simulations also show that the coating plays a major role in determining the strength of the aberrations. Polarization aberrations will need to be considered during the design of high-contrast imaging instruments for the next generation of extremely large telescopes. This can be achieved either through compensation optics, robust coronagraphs, specialized coatings, calibration, and data analysis approaches or by incorporating polarimetry with high-contrast imaging to measure these effects.

研究の動機と目的

• GSMT光学系に起因する偏光誤差が高コントラストイメージング性能に及ぼす影響を評価すること。
• ミラーのコーティングおよび望遠鏡の幾何学的形状が偏光誘発コントラスト劣化に与える影響を定量化すること。
• 現実的な偏光誤差条件下における理想化されたコロナグラフの実現可能な原始的コントラストを評価すること。
• 可視光帯域および赤外線帯域においてコントラストを制限する主な誤差タイプ（特に遅延位相差）を特定すること。
• 補償、耐障害性のあるコロナグラフィー、または偏光補正キャリブレーション戦略の提案を通じて、将来的な機器設計を支援すること。

提案手法

• ジョーンズ行列形式を用いた偏光レイトレーシングをZemax®で実施し、ピッチド面での位相および振幅変動を計算した。
• ELT、TMT、GMTの望遠鏡光学モデルから、I、R、Jバンドにおけるジョーンズピッチドマップを生成した。
• hcipy（物理的光学シミュレーションフレームワーク）を用いて、理想化されたコロナグラフを通じてジョーンズピッチドマップを伝搬させた。
• 複数の波長および望遠鏡構成を想定し、偏光誤差の影響を評価することでコントラスト限界を特定した。
• アルミとGemini類似コーティングの比較を通じて、ミラーのダイアチルーションおよび遅延応答が偏光誤差に与える影響を評価した。
• 一般化可能な光学系解析を目的として、ZOS-APIおよびPythonベースの偏光レイトレーシングツールを開発した。

Figure 1: Optical layout of the telescopes from Zemax ® for the three telescopes

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代GSMTにおける偏光誤差の大きさと空間的構造は何か？
• RQ2 一次および二次ミラーに起因する偏光誤差が、1λ/Dにおけるコロナグラフ的コントラストにどのように影響を与えるか？
• RQ3 特に遅延位相差やチルトなどの誤差タイプの中で、高コントラストイメージングに最も悪影響を及えるのはどれか？
• RQ4 ミラーのコーティングが偏光誤差の強度および達成可能なコントラストにどのように影響を与えるか？
• RQ5 偏光誤差が可視光帯域および赤外線帯域におけるコロナグラフ系の原始的コントラストに、どの程度まで制限を及えるか？

主な発見

• 急勾配のミラー角度に起因する遅延位相差が、主なコントラスト制限誤差であり、可視光帯域（I、R、J）では1λ/Dで原始的コントラストが10⁻⁵–10⁻⁴に制限される。
• 赤外線帯域（L、M、N）ではより良いコントラストが達成可能で、2次および4次コロナグラフではピークで10⁻⁶のコントラストが得られるが、これは最適条件下でのみ成立する。
• 青色領域（Iバンド）ではコントラストが10⁻⁴以上に達するが、これは地球型系外惑星検出に求められる10⁻⁷–10⁻⁸の要件を満たしていない。
• アルミコーティングは、高い反射率を示すGemini類似コーティングよりも偏光誤差が弱いが、これは遅延とダイアチルーションの両方を最適化する必要があることを示唆している。
• 折り返しミラーに起因する遅延チルトはビームシフトを引き起こし、AOシステムでは補正できないため、高コントラスト機器では補償光学素子の導入が必要である。
• 望遠鏡光学系自体の偏光誤差が、730 nmにおける酸素Aバンドの検出に必要なコントラストレベルにすでに達しているか、それを超えることが判明しており、機器設計段階での補償が不可欠である。

Figure 2: Diagram illustrating a typical polarization ray tracing interaction in reflection with the $q$ -th surface in the optical system. The wave vector before the surface $\mathbf{k}_{q-1}$ is incident on the surface with a linear polarization shown in purple. The angle of reflection is determin