[论文解读] Metrology Camera System of Prime Focus Spectrograph for Subaru Telescope

Shiang‐Yu Wang, Richard C. Y. Chou+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

该论文介绍了昴宿天文望远镜主焦点光谱仪（PFS）的量度相机系统（MCS），该系统通过在卡塞格林焦点处使用5000万像素的CMOS相机，实现了亚10 µm的光纤定位精度。该系统实现了闭环控制，整个45 cm焦平面上的定位误差仅为5 µm，并通过0.8秒的读出时间和0.5秒的处理时间，将光纤配置时间缩短至2分钟以内。

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.

研究动机与目标

• 为昴宿天文望远镜主焦点光谱仪（PFS）实现亚10 µm的光纤定位精度。
• 开发一种量度相机系统（MCS），为闭环控制提供实时、高精度的光纤位置反馈。
• 通过采用稳定的碳纤维结构和甘油冷却组件，确保45 cm焦平面上图像质量均匀且热漂移最小。
• 通过在0.8秒内完成图像读出、0.5秒内完成处理，最大限度减少光纤重新配置过程中的开销。
• 通过使用标准卡塞格林舱并进行最少修改，将MCS集成至现有的昴宿天文望远镜基础设施中。

提出的方法

• 在卡塞格林焦点处部署一台380 mm的施密特型望远镜，其配备5000万像素CMOS传感器，用于成像整个1.3°直径的焦平面。
• 在整个视场内保持10 µm FWHM的光斑尺寸，以确保点扩散函数（PSF）的充分采样，从而实现精确的质心定位。
• 将相机和光学组件安装在碳纤维管上，以保持机械稳定性，并在温度变化下防止焦面偏移。
• 采用甘油冷却机箱，隔离发热部件，最大限度减少热引起的图像运动。
• 在0.8秒内读取CMOS传感器数据，并在读出后0.5秒内完成光纤位置处理，以实现快速的光纤配置。
• 将MCS提供的光纤位置数据输入光纤定位器控制系统，实现实时闭环校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大型望远镜仪器中，如何在45 cm焦平面上实现亚10 µm的定位精度？
• RQ2 哪些光学与机械设计选择可确保在长时间观测期间图像质量均匀且热稳定性良好？
• RQ3 系统如何最大限度减少光纤重新配置过程中的开销，以支持高效的多目标光谱观测？
• RQ4 在光纤位置量度中，传感器速度、分辨率与视场均匀性之间应如何达到最佳平衡？
• RQ5 如何在不进行重大修改的前提下，将MCS集成至现有的昴宿天文望远镜基础设施中？

主要发现

• MCS在45 cm焦平面上实现了5 µm的定位精度，满足PFS对亚10 µm精度的要求。
• 5000万像素CMOS传感器可在0.8秒内完成全帧读出，光纤位置计算在读出后0.5秒内完成。
• 该系统将总光纤配置时间缩短至2分钟以内，显著提升了观测效率。
• 采用碳纤维管确保了机械稳定性，消除了在温度变化下调整焦面的需要。
• 甘油冷却机箱有效抑制了热漂移，最大限度减少了热源引起的图像运动。
• 380 mm施密特望远镜设计在视场内实现了均匀的10 µm FWHM光斑尺寸，确保了PSF采样的稳定性。