[論文レビュー] The Optical Corrector for the Dark Energy Spectroscopic Instrument

Timothy N. Miller, Peter Doel+45 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 15

ひとこと要約

DESIのプライムフォーカス補正鏡の設計、製造、およびMayall 4-m望遠鏡での実地性能を説明し、光学系、機械、ADC、統合を含む。広域・高スループット分光のためのDESI要件を満たすことを確認。

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) is currently measuring the spectra of 40\,million galaxies and quasars, the largest such survey ever made to probe the nature of cosmological dark energy. The 4-meter Mayall telescope at Kitt Peak National Observatory has been adapted for DESI, including the construction of a 3.2-degree diameter prime focus corrector that focuses astronomical light onto a 0.8-meter diameter focal surface with excellent image quality over the DESI bandpass of 360-980nm. The wide-field corrector includes six lenses, as large as 1.1-meters in diameter and as heavy as 237\,kilograms, including two counter-rotating wedged lenses that correct for atmospheric dispersion over Zenith angles from 0 to 60 degrees. The lenses, cells, and barrel assembly all meet precise alignment tolerances on the order of tens of microns. The barrel alignment is maintained throughout a range of observing angles and temperature excursions in the Mayall dome by use of a hexapod, which is itself supported by a new cage, ring, and truss structure. In this paper we describe the design, fabrication, and performance of the new corrector and associated structure, focusing on how they meet DESI requirements. In particular we describe the prescription and specifications of the lenses, design choices and error budgeting of the barrel assembly, stray light mitigations, and integration and test at the Mayall telescope. We conclude with some validation highlights that demonstrate the successful corrector on-sky performance, and list some lessons learned during the multi-year fabrication phase.

研究の動機と目的

• DESIが40百万の銀河・クエーサーのスペクトルを取得するために、広域・高スループットのプライムフォーカス補正鏡が必要であることを動機づける。
• 360–980 nmでの3.2度視野全体で最小のぼやけと高スループットを達成するための光学・機械・統合要件を定義する。
• 補正鏡とその支持構造の設計、製造、整列許容値、および迷光低減戦略を説明する。
• 複合統合補正鏡の実地検証を提示し、数年にわたる製造・立ち上げの過程で得られた教訓を要約する。

提案手法

• 最大レンズ直径1.1 mまでの六枚レンズの正補正鏡の光学設計を提示する（総レンズ質量は約864 kg）。
• 大気分散補償を、逆方向に回転する2枚のウェッジ状ボロシリケートADCレンズを使用して説明する。
• 観測条件に応じた整列を維持するために用いられるバレル、ヘキサポッド、ケージ、トップエンド構造の詳細を説明する。
• レンズ半径、厚さ、間隔、およびC2、C3および焦点面の非球面係数を含む光学規定を提供する。
• ゴースト解析と予算化、ならびにレイ tracing 検証を実施し、ゴースト汚染が規定の限界を下回ることを保証する。
• Mayallでの統合・試験手順と on-sky 性能のハイライトを概説する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DESIが広域視野（3.2度）を持つ補正鏡で、360–980 nm全域にわたる必要な像質とスループットを満たすことができるか。
• RQ2 天空高度60度までで大気分散補償は像質をどれだけ回復できるか。
• RQ3 観測条件を通じて焦点合わせとファイバー結合を維持するために必要な機械的公差と整列戦略は何か。
• RQ4 迷光/ゴーストの想定レベルはどの程度で、それを設計とコーティングでどう緩和できるか。
• RQ5 統合補正鏡の実地性能は像質とスループットの観点からどのようであるか。

主な発見

• DESI補正鏡は焦点面全体で平均像質約0.3 arcseconds FWHM、最悪ケースは60度天頂で約0.7 arcseconds。
• 二枚のウェッジ状ボロシリケートADCレンズが大気分散補償を提供し、天頂角に関係なくスループットと像質を維持。
• オン軸透過率は77.5%（オフ軄は1.45度でわずかに低下して76%、場縁で外側のフィールドのビネトが72%まで低下）。
• ゴースト解析では最も明るいダブルボウンスのゴーストの相対照射は約8.84e-9、焦点ゴーストは直径13 mm、全体のゴースト汚染は<1%の場領域基準（調査領域の0.036%）を満たす。
• 最終レンズコーティングは表面あたり約0.5%の平均反射を生み出し、ゴースト強度を初期推定の約16倍抑制。
• 統合と実地検証により、DESI補正鏡はプロジェクト要件内での性能を満たすことが確認された。