Transcript 小型科学衛星LiteBIRD搭載望遠鏡光学系の検討 - KEK

20aBW-10
小型科学衛星LiteBIRD
搭載望遠鏡光学系の検討
大田泉，松村知岳A，Huan TranB，
Adrian LeeB，吉田光宏C，羽澄昌史C，他，LiteBIRD
ワーキンググループ
近畿大，CaltechA，UC BerkeleyB，高エ研C
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
LiteBIRD
Lite (light) Satellite for the studies of B-mode polarization
and
Inflation from cosmic background Radiation Detection
– 目的： CMBのB-modeの偏光観測
– サイエンス： インフレーションのエネルギースケール、原始
重力波の観測、宇宙再電離
– プラットフォーム： 小型科学衛星
2008年9月JAXA小型科学衛星WGとして承認
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
衛星搭載望遠鏡の条件
1. 軽量・コンパクト化
–
総重量<400kg,全長 < 1m
2. 広視野かつテレセントリックな
焦点面
–
–
–
–
検出器数を増やし統計誤差を下げる
検出器数>1000,直径=30cm,
視野30°×30°
角度分解能<1°
3. Low sidelobeでシンプルな光学
系
–
装置偏光による系統誤差を減らす
4. 広帯域
– 前景放射を差し引く広い帯域
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
– ６０GHz～２５０GHzをカバー
衛星搭載ロケットのスペース
衛星搭載望遠鏡の条件
1. 軽量・コンパクト化
–
総重量<400kg,全長 < 1m
2. 広視野かつテレセントリックな
焦点面
–
–
–
–
検出器数を増やし統計誤差を下げる
検出器数>1000,直径=30cm,
視野30°×30°
角度分解能<1°
3. Low sidelobeでシンプルな光学
系
–
装置偏光による系統誤差を減らす
4. 広帯域
– 前景放射を差し引く広い帯域
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
– ６０GHz～２５０GHzをカバー
衛星搭載ロケットのスペース
前回までのおさらい
 屈折望遠鏡による
光学設計
IR blocker
Aperture 直径 = 30 cm
1/2波長板
HDPE 対物レンズ
75cm
HDPE 接眼レンズ
アンテナ結合型検出器
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
焦点面 直径 = 30cm
前回までのおさらい
 屈折望遠鏡による
光学設計
 広帯域で使用可能
な反射防止膜
前景放射の差し引きをする
ために必要なバンド数及び
各バンドの感度に十分見合
うだけの焦点面を確保する
屈折式光学系をデザイン
1/2波長板の変調効率
1/2波長板に対する７層の反射防止膜
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
望遠鏡光学系
 屈折型：透過屈折型の光学素子によるもの
 利点

BICEPなど
光軸に対し光学系は対称、装置偏光が軽減
 欠点


望遠鏡レンズの波長依存性(反射」防止膜等は必須)
光学系の焦点距離がそのまま望遠鏡の長さ
 反射型：反射光学素子(鏡など)によるもの
 利点

PolarBEARなど
波長依存性が小さく、望遠鏡をコンパクトにしやすい
 欠点


2010/03/20
光軸に対し光学系は非対称、反射による偏光特性
アパーチャーの位置と大きさの最適化が複雑
日本物理学会第65回年次大会
屈折型と反射型の配置例
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
反射型望遠鏡光学系の評価







視野： ３０°×３０°
平面焦点面全域 ＠ 300GHz
Strehl ratio > 0.8 (回折限界)
レンズは不要
光学系温度：２Kを保持
偏光測定：アンテナ結合型
光線追跡では屈折型と同等の
条件を確保
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
反射型望遠鏡光学系の評価







視野： ３０°×３０°
平面焦点面全域 ＠ 300GHz
Strehl ratio > 0.8 (回折限界)
レンズは不要
光学系温度：２Kを保持
偏光測定：アンテナ結合型
光線追跡では屈折型と同等の
条件を確保
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
反射型望遠鏡光学系の評価







視野： ３０°×３０°
平面焦点面全域 ＠ 300GHz
Strehl ratio > 0.8 (回折限界)
レンズは不要
光学系温度：２Kを保持
偏光測定：アンテナ結合型
光線追跡では屈折型と同等の
条件を確保

Cross型での
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
反射型望遠鏡光学系の評価





GRASP9を使用
口径のサイズ：30cm，Crossed Dragone式
周波数を60GHz～250GHz
Feed：11.2度で-12dBのGaussianを仮定
FeedのBeam→反射鏡→(Beamによる誘導電
流→電場分布→)無限遠でのレスポンス
 主鏡：放物面，副鏡：双曲面
 Mizugutch-Dragone condisionを採用
 主光線に対しては交差偏波を抑えられるメリット
があるが，軸外しでもいえるのかは不明
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
光学系の配置
y軸
主鏡
y軸
副鏡
Feed：検出器
が配置される
x軸
二枚鏡を通るときの
X偏光ビームパターン
x軸
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
主偏波と交差偏波(主光線)
主偏波
250~300dB
交差偏波
±15度
60GHzと160GHzが重ねた図
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会
Feedの光軸外し
検出器をx軸+5cmずらす
y軸
x軸
x偏光ビームパターン
2010/03/20
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主偏波と交差偏波(x軸へ15cm)
250~300dB
この光学系での主偏波と交差偏波の差は250~300dB程度
2010/03/20
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60GHzの検出器（フィード）ずらした時
光軸から＋5cm
外すとビームは非対称
かつ拡がる傾向
→軸外しの検出器配置
は特に注意が必要(低
周波帯は外側では使え
ない可能性)
2010/03/20
メインビーム 光軸から＋10cm
光軸から＋15cm
日本物理学会第65回年次大会
まとめ
 LiteBIRD搭載望遠鏡光学系として反射
型望遠鏡の設計評価を行った。
 定量的な計算を進めていくことで今後，
多素子検出器の配置を考える際に検出
器が作るビームを考慮する指針となる
 今後，Zemaxでの評価とあわせて反射式
の光学系配置と検出器配置の最適解を
詰める
2010/03/20
日本物理学会第65回年次大会