[논문 리뷰] Metrology Camera System of Prime Focus Spectrograph for Subaru Telescope

Shiang‐Yu Wang, Richard C. Y. Chou외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 수성우반장의 프라임 포커스 스펙트로그래프(PFS)를 위한 메트롤로지 카메라 시스템(MCS)을 제시한다. 이 시스템은 카세그레인 포커스에 위치한 50M픽셀 CMOS 카메라를 사용하여 10 µm 이내의 섬유 위치 정확도를 달성한다. 이 시스템은 45 cm 포커스 평면 전역에서 5 µm 이내의 위치 오차를 보장하는 클로즈드 루프 제어를 가능하게 하며, 0.8초의 읽기 시간과 0.5초의 처리 시간을 통해 섬유 구성 시간을 2분 이내로 단축시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수성우반장의 프라임 포커스 스펙트로그래프(PFS)를 위한 10 µm 이내의 섬유 위치 정확도를 달성하기 위해.
• 실시간 고정밀 섬유 위치 피드백을 제공하는 메트롤로지 카메라 시스템(MCS)을 개발하여 클로즈드 루프 제어를 가능하게 하기 위해.
• 안정된 탄소섬유 구조와 글리콜 냉각 부품을 사용하여 45 cm 포커스 평면 전역에서 균일한 이미지 품질과 최소한의 열변위를 확보하기 위해.
• 0.8초의 읽기 시간과 0.5초의 처리 시간을 각각 확보하여 섬유 재구성 동안의 오버헤드를 최소화하기 위해.
• 표준 카세그레인 박스를 사용하고 최소한의 수정으로 기존 수성우반장 인프라스트럭처에 MCS를 통합하기 위해.

제안 방법

• 카세그레인 포커스에 380 mm 스키모트 유형의 망원경을 설치하여 1.3° 직경의 전체 포커스 평면을 촬영한다.
• 정확한 중심점 추정을 위해 포인트 스프레드 함수(PSF)의 충분한 샘플링을 확보하기 위해 필드 전역에서 10 µm FWHM의 점 크기를 유지한다.
• 열 변화에 의한 초점 이동을 방지하기 위해 카메라와 광학 장치를 탄소섬유 튜브에 고정하여 기계적 안정성을 확보한다.
• 열이 발생하는 부품을 격리하고 열에 의한 영상 이동을 최소화하기 위해 글리콜 냉각 캐비닛을 구현한다.
• CMOS 센서를 0.8초 내에 읽고, 읽기 후 0.5초 이내에 섬유 위치를 처리하여 빠른 섬유 구성이 가능하도록 한다.
• MCS에서 유도된 섬유 위치 데이터를 섬유 위치 조절 장치의 제어 시스템에 피드백하여 실시간 클로즈드 루프 보정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 천체망원경 장비의 45 cm 포커스 평면 전역에서 10 µm 이내의 위치 정확도를 달성하기 위해 메트롤로지 시스템은 어떻게 설계되어야 하는가?
• RQ2 균일한 이미지 품질과 장시간 관측 기간 동안의 열 안정성을 확보하기 위해 어떤 광학적 및 기계적 설계 선택이 필요한가?
• RQ3 다중 목적 스펙트로스코피를 효율적으로 지원하기 위해 섬유 재구성 동안의 오버헤드를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 섬유 위치 메트롤로지에 최적의 성능을 위해 센서의 속도, 해상도, 필드 균일성 사이의 최적 균형은 무엇인가?
• RQ5 주요 수정 없이 존재하는 수성우반장 인프라스트럭처에 MCS를 어떻게 통합할 수 있는가?

주요 결과

• MCS는 45 cm 포커스 평면 전역에서 5 µm 이내의 위치 정확도를 달성하여 PFS의 10 µm 이내 요구사항을 충족시킨다.
• 50M픽셀 CMOS 센서는 전체 프레임 읽기를 0.8초 내에 수행하며, 읽기 후 0.5초 이내에 섬유 위치 계산을 완료한다.
• 시스템은 총 섬유 구성 시간을 2분 이내로 단축시켜 관측 효율을 크게 향상시켰다.
• 탄소섬유 튜브의 사용은 기계적 안정성을 확보하고 열 조건 변화에 따른 초점 조정이 필요 없음을 보장한다.
• 글리콜 냉각 캐비닛은 열변위를 효과적으로 억제하여 열원으로 인한 영상 이동을 최소화한다.
• 380 mm 스키모트 망원경 설계는 필드 전역에서 균일한 10 µm FWHM 점 크기를 생성하여 PSF의 일관된 샘플링을 가능하게 한다.