[論文レビュー] Status and performance of the THD2 bench in multi-deformable mirror configuration

Pierre Baudoz, Raphaël Galicher+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、将来の宇宙望遠鏡およびELT（極大望遠鏡）向けの系外惑星画像化を想定した、高対比イメージング施設であるTHD2テストベッドを提示する。この施設はコロナグラフ、波面センサ、およびマルチ可変ミラー（マルチ-DM）制御技術の評価を目的としている。THD2は$10^8$の原始的対比と$10^9$の安定性を達成し、FQPMおよびDZPMコロナグラフが優れた波長依存性を示すことを実証した。DZPMは非色分散補正を可能にし、FQPMは高精度な単色対比を提供する。両者ともマルチ-DMシステムを用いた色分散波面補正のテストに適している。

ABSTRACT

The architecture of exoplanetary systems is relatively well known inward to 1 AU thanks to indirect techniques, which have allowed characterization of thousands of exoplanet orbits, masses and sometimes radii. The next step is the characterization of exoplanet atmospheres at long period, which requires direct imaging capability. While the characterization of a handful of young giant planets is feasible with dedicated instruments like SPHERE/VLT, GPI/Gemini, SCExAO/Subaru and soon with the coronagraphic capabilities aboard JWST, the spectroscopic study of mature giant planets and lower mass planets (Neptune-like, Super Earths) requires the achievement of better coronagraphic performance. While space-based coronagraph on WFIRST-AFTA might start this study at low spectroscopic resolution, dedicated projects on large space telescope and on the ELT will be required for a more complete spectroscopic study of these faint planets. To prepare these future instruments, we developed a high contrast imaging bench called THD, then THD2 for the upgraded version using multi-DM configuration. The THD2 bench is designed to test and compare coronagraphs as well as focal plane wavefront sensors and wavefront control techniques. It can simulate the beam provided by a space telescope and soon the first stage of adaptive optics behind a ground-based telescope. In this article, we describe in details the THD2 bench and give the results of a recent comparison study of the chromatic behavior for several coronagraph on the THD2.

研究の動機と目的

• 次世代の系外惑星特性評価機器向けの高対比イメージングテストベッドの開発と特性評価を目的とする。
• 多色光照射下におけるさまざまなコロナグラフの色分散的挙動を評価すること。
• 同時に位相と振幅の歪みを補正できるマルチ可変ミラー波面制御のテスト。
• 将来のELTおよび宇宙ミッション用機器開発のため、宇宙望遠鏡および地上望遠鏡の環境を模擬すること。

提案手法

• THD2ベンチは、アクティブな振動隔離と複数層の熱遮断構造を備えた、圧力制御されたISO 7クラスのクリーンルーム環境を採用し、環境的要因の影響を最小限に抑える。
• 2〜3枚のDM（可変ミラー）を用いたマルチ-DM構成により、波面の位相および振幅の歪みを補正し、高対比イメージングを実現する。
• FQPM、DZPM、SLPM、バーティカルコロナグラフなどのコロナグラフ部品を、制御されたスペクトル帯域幅でテストする。
• 焦点面波面センサ（例：SCC、COFFEE）を用いて、リアルタイムで波面誤差を推定・補正する。
• 宇宙望遠鏡の安定した熱的・光学的環境を模擬するよう、環境条件を最適化する。
• 残存大気乱流の模擬には回転する位相マスクを用い、データ処理および波面センサの性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまなコロナグラフ（FQPM、DZPM、SLPM、バーティカル）は、高対比環境下でスペクトル帯域幅が変化する条件下でどのように性能を発揮するか？
• RQ2 マルチ可変ミラーシステムは、位相および振幅の歪みを効果的に補正でき、$10^9$の対比レベルを達成できるか？
• RQ3 多色光照射下におけるコロナグラフの色分散的挙動は何か？また、色分散波面補正に最も適したのはどれか？
• RQ4 環境的不安定要因（熱的・機械的）は、達成可能な対比および波面制御性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 位相マスクを用いて模擬されたAO残差は、波面センサの性能にどの程度悪影響を及ぼし、最終的な画像対比を制限するか？

主な発見

• THD2ベンチは数分間にわたり$10^8$の原始的対比と$10^9$の安定性を達成し、高対比テストに適した状態であることを実証した。
• フォーチクォーダント位相マスク（FQPM）は、単色対比性能が最も優れており、3%を超えるスペクトル帯域幅では急激に性能が低下した。
• デュアルゾーン位相マスク（DZPM）は、優れた非色分散性能を示し、強い減衰特性を有しており、色分散補正研究に最適である。
• スリット位相およびバーティカルコロナグラフは、30%までのスペクトル帯域幅で$10^{-3}$以上の減衰を達成し、色分散波面センサのテストに適している。
• マルチ-DMシステムは、位相および振幅の歪みを効果的に補正でき、視野全域にわたる均一な対比を実現した。
• 位相マスクを用いたAO残差の模擬により、波面センサの限界およびデータ処理のボトル neck を制御された条件で評価可能となった。