ASTE 搭載用ミリ波サブミリ波帯 多色ボロメータカメラ光学系の開発

結論• 幾何光学を用いて 1100μm 帯で 169 素子、 850μm 帯で 271 素子、 450μm 帯で 881 素子で、

視野 7.5’ 角、 2 波長同時観測可能な光学系を設計した。• 光線追跡シミュレーションにより、すべての視野、周波数帯においてストレール比が 0.8 以

上を満たす、十分な結像性能を持つ光学系であることを示した。• 物理光学シミュレーションによって、 Lyot stop のサイズが幾何光学の 85% のとき光学系起

源のノイズに対する天体からの信号の比が最大になることを示した。また、開口能率、ビームパターンなどを調べ、十分な性能を得られることを確認した。

2010 年後半 ASTE 搭載予定！

光学素子の構成Dichroic filter

周波数分割メッシュフィルター多色同時観測の実現

Lyot stop を兼ねることで省スペース化

誘電体レンズtelecentric 光学系の実現

•素材 : HDPE （高密度ポリエチレン）•Groove による反射防止加工

ホーンアレイコニカルホーンをアレイ化

ASTE 搭載用ミリ波サブミリ波帯多色ボロメータカメラ光学系の開発

○ 竹腰達哉、南谷哲宏、徂徠和夫 （北海道大）、中坪俊一（北大低温研）、川村雅之、河野孝太郎 （東京大）大島泰、田村陽一、江澤元、川辺良平 （国立天文台）

科学目標AzTEC on ASTE(2007-2008) 1.1mm 連続波観測 多数のサブミリ銀河を検出！

新しい連続波カメラによる多波長観測多数のサブミリ銀河に対する赤方偏移の推定を目指す！

Sunyaev-Zel’dovich 効果を用いた遠方銀河団の超高温成分の温度の推定銀河系内の分子雲コアや近傍銀河の GMC 中の低温ダスト成分の物理量の導出

物理光学による評価物理光学による Lyot stop のサイズ決定

4K の開口絞りを Dichroic filter ともに設置エッジレベルの小さな光学系　　 300K からの漏れ込みを減らすことが重要Lyot stop を幾何光学設計値から絞り、各光学素子のスピルオーバーを GRASP9 で計算

GRASP9 を用いた物理光学解析レンズや Lyot stop 、デュア窓の効果を考慮薄レンズ近似した等価な反射光学系を解析

参考文献

ASTE 搭載用多色ボロメータカメラの概要

ASTE 望遠鏡　性能緒元サブミリ波望遠鏡チリ , アタカマ砂漠 標高 4860m に設置

• カセグレン光学系• 主鏡直径 10m• 鏡面精度 19μm• 指向精度 2” rms

連続波カメラの概要国立天文台 ATC ・ UC Berkeley と協力して開発

•冷凍機 : パルスチューブ冷凍機 + 3He-4He吸着式冷凍機• ボロメータ : 超伝導遷移端センサー（ Transition Edge Sensor, TES ）•読み出し : SQUID による周波数分割 Multiplex 方式• 光学系 :ASTE に最適なボロメータカメラ光学系を設計

– 多素子化が可能– 視野 7.5 分角– 2 波長帯同時観測

バンド定義

光学系の設計

効率的な観測を実現！

Phase I II III搭載時期 2010/10 2011/6 2012/6バンド数 2 2 2周波数帯 270/350GHz 270/350GHz 350/670GHz波長帯 1100/850μm 1100/850μm 850/450μmバンド幅 40/35GHz 40/35GHz 35/80GHz画素数 169/271 169/271 271/881FWHM 28/22” 28/22” 22”/11”視野 7.5’ 7.5’ 7.5’NEFD 10/35mJy/√s 10/35mJy/√s 35/80mJy/√s

Field No. Gain Beamefficiency

Beamposition HPBW Sidelobe

levelSidelobeposition

Cross pollevel

Field1 86.89dB 36.40% 2.52''x0.00'' 21.24''x22.32'' -17.33dB 33.12'' -33.88dBField2 86.88dB 36.29% 225.72''x0.00'' 20.88''x21.60'' -16.03dB 33.84'' -34.25dBField3 86.27dB 31.51% 237.60''x0.00'' 23.04''x22.32'' -17.21dB 36.00'' -34.33dBField4 86.73dB 35.07% 10.44''x232.20'' 21.24''x21.96'' -18.17dB 34.20'' -28.70dB

270GHz(1.1mm) 帯 : 244 - 294 GHz(40GHz幅 )350GHz(850μm) 帯 : 330.5 – 365.5 GHz (35GHz幅 )670GHz(450μm) 帯 : 630 - 710 GHz(80GHz幅 )

搭載計画

ZEMAXによる光学系の設計幾何光学系の設計ソフト ZEMAX を用いた設計

Strehl 比

全体図

AtacamaSubmillimeterTelescopeExperiment

国立天文台 + 大学連合

270GHz

350GHz

• ビームサイズ有効開口径 8.5m, エッジレベル -4dB と consistent• ビームパターンも問題なし !

特別推進研究「超広帯域ミリ波サブミリ波観測による大規模構造の進化の研究」研究代表者：河野孝太郎

Ade, P.A.R. et al. 2006, Proc. of SPIE, 6275Ezawa, H. et al. 2004, Proc. of SPIE, 489, 763Goldsmith, P.F. 1998Lamb, J.W. et al. 1996, IJIMW, 17, 1997

front

M3修正楕円鏡ZEMAX で最適化を

実行

270GHz

350GHz

670GHz

エアリーディスク回折限界で決まる分解

能Spot diagram

6.8mm

3.6mm

6.7mm

幾何光学系の評価• Spot diagram: エアリーディスクより十分小さく結像すれば OK• Strehl 比 : 収差がない場合とのピーク強度の比、≳ 0.8 で無収差

　 周波数 開口直径 2θ フレア長 F/#horn edge lv.

band1 270GHz 3.65mm 12.7° 16.50mm 2.525 -2.99dB~-4.84dBband2 350GHz 3.65mm 12.7° 16.50mm 3.233 -3.08dB~-4.99dB

第 2世代

670GHz 1.815mm 12.7° 8.205mm 3.233 -2.79dB~-4.50dB

Wavelength (mm)

Brig

htne

ss o

f gal

axy

(mJy

)

1 billion years

after the Big Bang

3 billion yr

6 billion

yr1.1mm

450μm850μm

Field No. Gain Beamefficiency

Beamposition HPBW Sidelobe

levelSidelobeposition

Cross pollevel

Field1 92.21dB 33.83% 2.52''x0.00'' 11.16''x11.52'' -16.67dB 17.28'' -35.00dBField2 92.21dB 33.76% 225.72''x0.00'' 11.16''x11.52'' -15.21dB 16.20'' -35.06dBField3 91.46dB 28.41% 237.60''x0.00'' 11.88''x11.52'' -16.87dB 19.80'' -35.14dBField4 91.68dB 29.92% 10.44''x232.20'' 11.52''x11.52'' -18.61dB 17.64'' -28.42dB

670GHz

デュア内光学系

300K からの放射を減らすため、直径 560mm のミラーを使用

全ての視野方向、観測周波数帯で 0.8以上

結像性能は問題なし！

Matsushita, S. et al. 1999, PASJ, 51, 603 Tamura, Y. et al. 2009, Nature, 459, 61Wagner-Gentner, A. et al. 2006, 48, 249Wilson, G.W. et al. 2008, MNRAS,386,80

TES の素子間隔（ 3.9mm ）

開口直径

フレア長

カットオフ周波数

導波管直径 :270GHz:φ0.717mm350GHz:φ0.531mm

Field No. Gain Beamefficiency

Beamposition HPBW Sidelobe

levelSidelobeposition

Cross pollevel

Field1 84.62dB 36.23% 2.52''x0.00'' 27.72''x28.80'' -17.60dB 32.04'' -34.61dBField2 84.70dB 36.91% 225.72''x0.00'' 27.00''x26.64'' -16.36dB 43.92'' -34.60dBField3 84.06dB 31.84% 237.60x0.00'' 29.88''x28.80'' -17.08dB 47.52'' -34.78dBField4 84.52dB 35.45% 10.44''x232.20'' 27.72''x28.08'' -17.91dB 43.92'' -29.01dB

0%10%

20%30%

40%50%

60%70%

80%90%

100%0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

aperture efficiency

lyot size

aper

ture

effi

cien

cy

Field(dAz, dEl) 670GHz 350GHz 270GHz1(0’, 0’) 0.927 0.979 0.9872(-3.25’, 1.13’) 0.883 0.966 0.9803(3.75', -1.13') 0.972 0.992 0.9954(-1.13, -3.25’) 0.828 0.948 0.9695(1.13', 3.25') 0.828 0.949 0.969

sky を除いた光学系起源のノイズと Lyot stop のサイズとの関

係

Lyot stop を 85% まで絞ったとき、• 漏れ込みが十分小さい• 素子間でノイズが変わらないさらに、光軸のズレに対しても強くなる

270GHz

開口能率に対する光学系からの漏れ込みと Lyot stop のサイズの関係

Lyot stopは 85％が最適

0%10%

20%30%

40%50%

60%70%

80%90%

100%0.0E+002.0E+154.0E+156.0E+158.0E+151.0E+161.2E+161.4E+161.6E+16

aperture efficiency / optics NEP

beam1beam2beam3beam4

lyot size

aper

ture

eff.

/NEP

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

optics NEP

lyot size

optic

s NEP

[10-

17 W

Hz-1

/2]

HDPE レンズ

ホーンアレイ