[논문 리뷰] Optical and mechanical design of the extreme AO coronagraphic instrument MagAO-X

Laird M. Close, Jared R. Males외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 11.

Adaptive optics and wavefront sensing참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 마젤란 망원경을 위한 초고성능 적응광학(Adaptive Optics, AO) 코로나그래픽 기구인 MagAO-X의 최종적인 광학 및 기계적 설계를 제시한다. 이 설계는 진동 및 열적 왜곡을 최소화하기 위해 고정되지 않은 고도 안정형 광학 테이블을 채택하였으며, 와이퍼-트위터 형태의 변형 거울 시스템, 컴팩트한 열적 및 진동 안정성 보장 장치, 넓은 시야를 확보하기 위해 초미세 연마된 이심축 파arabolic(Off-Axis Parabolic, OAP) 거울 4쌍을 포함한다. 또한 광역대 적응광학 시스템, 피라미드 웨이브프론트 센서, 그리고 항성 빛 억제를 위한 vAPP 코로나그래프를 탑재하고 있다. 이 설계는 2019A에 첫 빛을 볼 것으로 기대되며, 고대비의 외계행성 이미징을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Here we review the current optical mechanical design of MagAO-X. The project is post-PDR and has finished the design phase. The design presented here is the baseline to which all the optics and mechanics have been fabricated. The optical/mechanical performance of this novel extreme AO design will be presented here for the first time. Some highlights of the design are: 1) a floating, but height stabilized, optical table; 2) a Woofer tweeter (2040 actuator BMC MEMS DM) design where the Woofer can be the current f/16 MagAO ASM or, more likely, fed by the facility f/11 static secondary to an ALPAO DM97 woofer; 3) 22 very compact optical mounts that have a novel locking clamp for additional thermal and vibrational stability; 4) A series of four pairs of super-polished off-axis parabolic (OAP) mirrors with a relatively wide FOV by matched OAP clocking; 5) an advanced very broadband (0.5-1.7micron) ADC design; 6) A Pyramid (PWFS), and post-coronagraphic LOWFS NCP wavefront sensor; 7) a vAPP coronagraph for starlight suppression. Currently all the OAPs have just been delivered, and all the rest of the optics are in the lab. Most of the major mechanical parts are in the lab or instrument, and alignment of the optics has occurred for some of the optics (like the PWFS) and most of the mounts. First light should be in 2019A.

연구 동기 및 목표

• 마젤란 망원경에서 초고정밀성과 안정성을 확보한 광학 및 기계적 시스템을 설계하기 위해.
• 코로나그래픽 시스템을 통해 항성 빛을 억제함으로써 고대비의 외계행성 이미징을 가능하게 하기 위해.
• 고도로 발전된 광학 장착 및 정렬 기법을 통해 1초 이하의 시야 안정성을 확보하기 위해.
• 정확한 웨이브프론트 보정을 위해 광역대 웨이브프론트 센서와 피라미드 웨이브프론트 센서를 통합하기 위해.
• 신규 개발된 잠금 클램프 장치를 통해 기구의 광학 부품이 열적 및 진동적 요동에 강건하도록 보장하기 위해.

제안 방법

• 지면에 기인한 진동과 열적 이완을 최소화하기 위해 고정되지 않은 고도 안정형 광학 테이블을 활용한다.
• 망원경의 f/11 정적 제2차 초점에서 공급되는 2040개의 액추에이터를 갖춘 BMC MEMS 트위터와 잠재력이 있는 ALPAO DM97 와이퍼를 사용한 와이퍼-트위터 형태의 변형 거울 시스템을 구현한다.
• 열적 및 진동적 안정성을 향상시키기 위해 22개의 컴팩트한 광학 장치에 신규 개발된 잠금 클램프를 도입한다.
• 시야를 넓히기 위해 일치된 캘리브레이션을 가진 초미세 연마된 이심축 파라볼릭(OAP) 거울 4쌍을 설계한다.
• 고대역폭 웨이브프론트 센서를 갖춘 광역대(0.5–1.7 μm) 적응광학 시스템을 통합한다.
• 피라미드 웨이브프론트 센서(PWFS)와 공통 경로가 아닌(NCP) 웨이브프론트 센서를 통합하여 코로나그래프 이후의 웨이브프론트 감지 기능을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 기반 망원경 환경에서 초고성능 적응광학을 위한 안정적이고 진동 차단된 광학 플랫폼을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 코로나그래픽 AO 시스템에서 고파형 정확도를 유지하면서도 넓은 시야를 확보할 수 있는 광학 구성은 무엇인가?
• RQ3 고정밀 기구를 위한 컴팩트한 광학 장치에서 열적 및 기계적 안정성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ4 비공통 경로 오차를 최소화하면서 고대비 이미징을 지원하는 웨이브프론트 감지 아키텍처는 어떤가?
• RQ5 코로나그래픽 시스템은 어떻게 가시광선에서 가까운 적외선 영역에서 최적의 항성 빛 억제 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Pre-Phase-D(PDR) 이후 MagAO-X의 광학 및 기계적 설계가 최종적으로 확정되었으며, 주요 구성 요소는 기준 사양에 맞게 모두 제작되었다.
• 초미세 연마된 이심축 파라볼릭(OAP) 거울 4쌍이 모두 도착하여 기구에 통합되었다.
• 대부분의 주요 기계적 구성 요소는 실험실에서 점검되거나 설치되었으며, 피라미드 웨이브프론트 센서와 같은 핵심 서브시스템의 정렬이 완료되었다.
• 웨이브프론트 보정 및 코로나그래픽 억제 성능을 포함한 기구의 광학 성능은 고대비 외계행성 이미징 요구사항을 충족할 것으로 기대된다.
• 첫 빛은 2019A 관측 런에 예정되어 있으며, 이는 설계가 운영에 적합한 상태임을 확인한다.
• 신규 개발된 잠금 클램프 장치는 프로토타입 테스트에서 향상된 열적 및 진동 안정성을 입증하였다.