JP6921391B2

JP6921391B2 - 望遠鏡システム

Info

Publication number: JP6921391B2
Application number: JP2017010430A
Authority: JP
Inventors: 良知前田; 学石田; 亮飯塚; 多佳由林
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: WO2018139425A1; JP2018120061A; US11163148B2; US20190384052A1

Description

本発明は、望遠鏡システムに関するものであり、より詳細には、望遠鏡が本来有する感度に加え、望遠鏡単体の解像度を超える解像度を実現する望遠鏡システムに関する。

天体などの微弱な光源を観測するために、高い集光能力を持つ望遠鏡システムを用いて感度や解像度を上げることが有効である。例えば、Ｘ線望遠鏡とその焦点面に二次元検出器を置いた望遠鏡システムは、高い集光能力を有するため、高感度、高解像度を達成する（例えば、下記非特許文献１参照）。

Ｘ線望遠鏡を使わない高解像システムとしては、検出器の前段に微細構造を設置する変調コリメータ（modulation collimator）や符号化マスクを用いた観測システムが開発され、秒角程度の分解能を実現している (例えば、下記非特許文献２、３参照）。

Yang Soong et al. "ASTRO-H Soft X-ray Telescope (SXT)", Proc. of SPIE Vol. 9144 914428 1-14 M. Oda, "High-Resolution X-Ray Collimator with Broad Field of View for Astronomical Use," Applied Optics, 4, 143 (1965) E. E. Fenimore and T. M. Cannon、"Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays", Applied Optics Vol.17 No.3 337-347, 1978

しかしながら、Ｘ線望遠鏡の性能は、反射鏡の鏡面粗さ精度、鏡面形状精度とその位置決め精度で制限される。すなわち、集光面積の大きなＸ線望遠鏡は、反射鏡を組み合わせて実現されるが、この反射鏡への入射角は斜入射に限られる。そのため、反射鏡を薄くし、それを多層に重ねる製造方法が一般的である。集光面績を上げるには、より多数のこの薄い反射鏡を重ねる必要があるが、形状精度やその正確な位置決めが難しいため、望遠鏡システムとして解像度を向上させるのが困難になる。

また、変調コリメータや符号化マスクを用いた観測システムは、集光を行わないため、その微細構造全体の面積と検出器の面積がほぼ同じとなり、検出器のバックグランドが高く、検出感度が低い。

そこで、本発明は、望遠鏡が本来持つ高い感度に加え、望遠鏡単体の解像度を超える解像度を実現する望遠鏡システムを提供することを目的の１つとする。

本発明の１つの態様は、望遠鏡と、観測対象電磁波に対する通過許容領域と、該観測対象電磁波に対する通過阻止領域とを有する部材を少なくとも１つ備えた選択的遮蔽ユニットとを備え、前記望遠鏡は、その焦点面とは異なる面で前記観測対象電磁波を検出する、位置検出可能な検出器を備え、前記選択的遮蔽ユニットは、前記検出器よりも前側に配置され、少なくとも１つの前記部材の前記通過許容領域と前記通過阻止領域のパターン、及び少なくとも１つの前記部材の配置は、前記検出器において検出された像に基づいて観測像を再構成可能なように設定されていることを特徴とする望遠鏡システムを提供するものである。

前記望遠鏡システムは、前記検出器において検出された像に基づいて観測像を再構成する像再構成装置を更に備えるものとすることができる。

前記再構成は、前記検出器において検出された像を逆変換することにより行われるものとすることができる。

前記再構成は、電磁波の入射角と、その入射角の電磁波について前記検出器において検出される像のパターンとの対応関係を予め取得しておき、該取得した対応関係を参照して行われるものとすることができる。

前記望遠鏡は、同心円状、且つ層状に配置された複数の反射鏡を備えたＸ線望遠鏡とすることができる。

前記通過許容領域と前記通過阻止領域とは、前記部材上でそれぞれ放射状に形成されているものとすることができる。

上記構成を有する本発明によれば、望遠鏡が本来持つ高い感度に加え、望遠鏡単体の解像度を超える解像度を実現する望遠鏡システムを提供することができる。

本発明の一実施形態において選択的遮蔽ユニットが取り付けられるＸ線望遠鏡の構成概略図。図１のＸ線望遠鏡に選択的遮蔽ユニットを取り付けたＸ線望遠鏡システムの構成概略図。選択的遮蔽ユニットに含まれる第１スリット部材６の一例を、図４の矢印Ａの方向から見たときの構成概略図。選択的遮蔽ユニットに含まれる第２スリット部材７の一例を、図４の矢印Ａの方向から見たときの構成概略図。選択的遮蔽ユニットの主面に垂直な方向及び選択的遮蔽ユニットの主面に対して傾斜した方向から入射したＸ線が、２次元検出器３上に形成する像のパターンを模式的に示す図。スリットの中心角がそれぞれ０．１°、０．０２５°の選択的遮蔽ユニットを取り付けてなるＸ線望遠鏡システムと、選択的遮蔽ユニットを取り付けないＸ線望遠鏡システムについて、計算機シミュレーションで算出した、入射角を変えつつＸ線を観測した時の検出像を示す図。スリットの中心角がそれぞれ０．１°、０．０２５°の選択的遮蔽ユニットを取り付けてなるＸ線望遠鏡システムと、選択的遮蔽ユニットを取り付けないＸ線望遠鏡システムについて、計算機シミュレーションで算出した、２次元検出器３の検出面の中心を通る縦方向の軸上におけるＸ線強度を示す図。スリットの中心角がそれぞれ０．１°、０．０２５°の選択的遮蔽ユニットを取り付けてなるＸ線望遠鏡システムと、選択的遮蔽ユニットを取り付けないＸ線望遠鏡システムについて、計算機シミュレーションで算出した、２次元検出器３の検出面の中心を通る縦方向の軸上におけるＸ線強度を示す図。

これより図面を用いて、本発明に係る望遠鏡システムを説明する。但し、本発明に係る望遠鏡システムの構成は、各図面にて示される特定の具体的構成へと限定されるわけではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、以下においては放射源が無限遠に位置し、且つ選択的遮蔽ユニットに含まれる部材がスリット部材であるとして説明するが、部材中の通過許容領域がスリットである必要はなく、観測対象電磁波に対して透過性を有する任意の素材によって充填されていてもよい。観測対象電磁波も、Ｘ線に限らず任意の波長域の電磁波であってよい。

図１に、本発明の一実施形態において選択的遮蔽ユニットが取り付けられるＸ線望遠鏡の構成概略図を示す。Ｘ線望遠鏡１は、ハウジング４内に複数の反射鏡２ａ−１〜２ａ−３，２ｂ−１〜２ｂ−３を有し、また焦点面とは異なる面で像を検出するための検出器３を備えている。反射鏡２ａ−１〜２ａ−３，２ｂ−１〜２ｂ−３は、それぞれ円錐の部分的側面（円錐を、その底面から頂点までの高さ方向について途中で切断し、底面側に残った立体の側面）の形状を有しており、Ｘ線望遠鏡１の入射面（図１中、点線で示す）に垂直な方向から見た時に同心円状となるよう配置されている。また、反射鏡２ａ−１〜２ａ−３は層状に（入れ子上に）配置されており、反射鏡２ｂ−１〜２ｂ−３も層状に（入れ子上に）配置されている。

Ｘ線望遠鏡１の入射面から入射して反射鏡２ａ−１で反射されたＸ線は、反射鏡２ｂ−１で再度反射されて焦点面へと導かれる。同様に、反射鏡２ａ−２，２ａ−３で反射されたＸ線も、それぞれ反射鏡２ｂ−２，２ｂ−３で再度反射されて焦点面へと導かれる。焦点面ではこれら２回反射されたＸ線によって像が形成され、この像のデフォーカス像を、焦点面の後側に配置された、位置検出可能な二次元検出器３などによって検出する。２次元検出器３は、焦点面の後側ではなく、前側に配置されてもよい。検出結果を示す電気信号は、像再構成装置５に送信される。

図１のＸ線望遠鏡１に選択的遮蔽ユニットを取り付けたＸ線望遠鏡システムの構成概略図を図２に示す。選択的遮蔽ユニットは、第１スリット部材６及び第２スリット部材７を保持部材８で保持してなる構造を有しており、Ｘ線望遠鏡１の入射面の前段に取り付けられている。これにより、Ｘ線望遠鏡１に入射しようとするＸ線は、まず選択的遮蔽ユニットの作用を受けることとなる。なお、選択的遮蔽ユニットは、二次元検出器３の前側であれば任意の適切な位置に配置することができる。

第１スリット部材６及び第２スリット部材７は、それぞれスリットが開けられた円盤状の形状を有している。第１スリット部材６の一例を、図２の矢印Ａの方向から見たときの構成概略図を図３ａに、第２スリット部材７の一例を、図２の矢印Ａの方向から見たときの構成概略図を図３ｂに、それぞれ示す。

第１スリット部材６においては、Ｘ線の通過を阻止する素材で形成される通過阻止領域６ａと、Ｘ線が通過できるスリット（通過許容領域）６ｂとが交互に形成されており、それぞれが等しい一定角度の扇形形状で形成されている。なお、図３ａ，図３ｂにおいては簡略化のために通過阻止領域、通過許容領域を大きく書いているが、同様に図示されているよりも微細な構造で各領域を形成してもよい。

第２スリット部材７においても、第１スリット部材６と同様に、Ｘ線の通過を阻止する素材で形成される通過阻止領域７ａと、Ｘ線が通過できるスリット（通過許容領域）７ｂとが交互に形成されている。図２に示すとおり、第１，第２スリット部材６，７は層状に、且つ間隔を空けて配置されるが、図２の矢印Ａの方向から見た時に、第１スリット部材６上のスリット６ｂの位置と、第２スリット部材７上のスリット７ｂの位置とが、スリット６ｂ、７ｂの中心角の１／２の角度だけ互いにずれるよう配置される。

図４は、このような選択的遮蔽ユニットに、選択的遮蔽ユニットの主面に垂直な方向（本実施例においては光軸方向とする。）、及び選択的遮蔽ユニットの主面に対して傾斜した方向から入射したＸ線が、２次元検出器３上に形成する像のパターンを模式的に示す図である。すなわち、入射したＸ線は、望遠鏡の光学系によって結像されるが、２次元検出器３は焦点面とは異なる位置に配置されているので、２次元検出器３上にはそのデフォーカス像を形成されることとなり、入射したＸ線が実際に２次元検出器３上に形成する像は、望遠鏡の光学系によって縮小された像となる。

したがって、２次元検出器３は、１点に結像された入射Ｘ線の像を検出するものではなく、図４から分かるように、入射角によって異なるパターンの（縮小）像が２次元検出器３によって検出される。すなわち、入射Ｘ線と選択的遮蔽ユニットのパターンの畳み込みの像が２次元検出器３において検出されるので、これを逆変換することにより観測像を再構成することができる。また、複数の放射線源や拡がった放射があれば、それらの輝度分布を選択的遮蔽ユニットのパターンで畳み込んだ重ね合わせの像が２次元検出器３において検出されるので、これを逆変換することにより観測像を再構成することができる。

また、上述のように入射角によって異なるパターンの像が２次元検出器３によって検出されるので、逆変換に代えて、以下のような構成としてもよい。すなわち、入射Ｘ線の入射角と、その入射角のＸ線について２次元検出器３において検出される像のパターンとの対応関係を、計算や実測で取得しておき、その取得された対応関係を参照して、観測対象のＸ線について２次元検出器３において検出された像から、観測像を再構成してもよい。

選択的遮蔽ユニットは、スリット部材のスリットと通過阻止領域のパターン、及びスリット部材の配置が、２次元検出器において検出された像に基づいて観測像を再構成可能なようにされていれば、任意の適切なスリットと通過阻止領域のパターン、スリット部材の数、スリット部材の配置等、任意の適切な構成とすることができる。

例えば、通過阻止領域やスリットの形状は、図３ａ，図３ｂに示した扇形形状以外にもさまざまな形状をとることができる。観測像の再構成に高速逆フーリエ変換を用いる場合は、スリットの形状を、スリットの各部分や各スリット間の寸法が、１／２の累乗の関係となるような形状とすると速く計算ができる。

また、検出器は位置検出可能であればよく、２次元検出器３に換えて１次元検出器を用いることもできる。

Ｘ線望遠鏡１自体とは別個のユニットとして選択的遮蔽ユニットを設計できるため、スリットパターンを微細に形成すれば、望遠鏡が持つ解像度を超える解像度を実現することも可能となる。ここで、スリットパターンのスケールと観測対象電磁波の波長スケールが近い場合には観測対象電磁波がスリットを通過することによる干渉の影響が出る可能性があるため、観測対象電磁波の波長域としてはスリットパターンよりも十分に波長の短い波長域（例えば、１００Å（オングストローム）以下）をとることが有効である。

ＡＳＴＲＯ−Ｈ衛星搭載のＳＸＴ望遠鏡（非特許文献３のＦｉｇ．６参照）を微調整した上で、図３ａ，図３ｂを用いて説明した扇形形状のスリットを多数有するスリット部材２つを備えた選択的遮蔽ユニットをこれに取り付けてなるＸ線望遠鏡システムと、選択的遮蔽ユニットを取り付けないＸ線望遠鏡システムについて、入射角を変えつつＸ線を観測した時の検出像を計算機シミュレーションで算出した。

ＳＸＴ望遠鏡は、焦点距離５．６ｍ，入射口径４５０ｍｍとし、金からなる反射面が同心円状に２０３層配置されているとした（非特許文献１のＴａｂｌｅ１等参照）。第１，第２スリット部材６，７については、図３ａ，図３ｂに示す代表面の直径を４５０ｍｍとし（図３ａ，図３ｂ中、円環形の外枠や中心にある円形の領域は構造上必要とされるものであり、本シミュレーションでは存在しないものとした。）、通過阻止領域６ａ，７ａ及びスリット６ｂ，７ｂは、いずれも中心角が０．１°（ｄｅｇｒｅｅ，度）の扇形形状で互いに０．０５°（ｄｅｇｒｅｅ，度）ずらして配置した場合と、通過阻止領域６ａ，７ａ及びスリット６ｂ，７ｂは、いずれも中心角が０．０２５°（ｄｅｇｒｅｅ，度）の扇形形状で互いに０．０１２５°（ｄｅｇｒｅｅ，度）ずらして配置した場合についてシミュレーションを行った。第１，第２スリット部材の厚みはゼロとし、通過阻止領域６ａ，７ａはＸ線吸収率無限大の物質からなると仮定した。また第１，第２スリット部材の間隔は１０００ｍｍとした。２次元検出器３は、３０ｍｍ角でピクセルサイズが０．１ｍｍ×０．１ｍｍを仮定し、ＳＸＴ望遠鏡の焦点から５００ｍｍだけ光軸方向後ろに離れた位置に配置されているものとした。

以上の条件で、無限遠からＸ線望遠鏡に対してＸ線が所定の入射角で入射する状況をモンテカルロ法によりシミュレーションし、２次元検出器の各位置において検出されるＸ線を数え上げることでＸ線強度を算出した。

選択的遮蔽ユニットがない場合、選択的遮蔽ユニットのスリットの中心角が０．１°の場合、選択的遮蔽ユニットのスリットの中心角が０．０２５°の場合の検出像のシミュレーション結果を図５、図６ａ〜図６ｃにそれぞれ示す。

図５は、入射角が０．００'（分）、０．０５'、０．２０'、１．００'の各場合に検出される２次元検出器の検出面におけるＸ線強度について、選択的遮蔽ユニットがない場合を左列、選択的遮蔽ユニットのスリットの中心角が０．１°の場合を中央列、選択的遮蔽ユニットのスリットの中心角が０．０２５°の場合を右列に示したものである。

また、図６ａ〜図６ｂは、図５に示した２次元検出器３の検出面の中心を通る縦方向の軸上におけるＸ線強度プロファイルを、入射角が０．００'、０．０５'、０．１０'、、０．２０'、０．４０'、０．６０'、０．８０'、１．００'の各場合について示したものである。ここで、図６ａ〜図６ｂに示されるＸ線強度は、２次元検出器３の検出面の各位置でのＸ線検出数を、全Ｘ線検出数で正規化したものであり、これは強度確率を意味する。なお、シミュレーションの簡単化のため、軸上の各点のＸ線強度は、図に示される破線で挟まれた、軸上の各点を通る円弧上で検出されるＸ線検出数としている。

図５、図６ａ〜図６ｂから、選択的遮蔽ユニットがない場合は、入射角が０．００'（分）〜１．００'にわたって、入射角の変化に対して、Ｘ線強度プロファイルにほとんど変化が見られなかったのに対して、選択的遮蔽ユニットがある場合は、入射角の変化に対してＸ線強度プロファイルに変化が見られた。また、スリットの中心角が小さいほど、すなわち選択的遮蔽ユニットの構造が微細であるほど、入射角の変化に対する検出像がより敏感に変化することが分かった。具体的には、選択的遮蔽ユニットがない場合の解像度が約１．０'であるのに対し、選択的遮蔽ユニットのスリットの中心角が０．１°の場合は少なくとも０．２'、選択的遮蔽ユニットのスリットの中心角が０．０２５°の場合は少なくとも０．０５'の解像度が得られることが分かった。したがって、選択的遮蔽ユニットを設けることによって、解像度が向上し、更に、選択的遮蔽ユニットのスリットと通過阻止領域のパターンがより微細になるほど、解像度が向上することが分かった。また、電磁波の入射角と、その入射角の電磁波について２次元検出器３において検出される像のパターンとの対応関係を予め取得しておき、取得した対応関係を参照すれば、入射角を推定することが可能であることが分かる。

本実施形態によれば、Ｘ線望遠鏡の集光能力によってバックグランドを低く抑えることができるので、Ｘ線望遠鏡が本来持つ高い感度に加え、Ｘ望遠鏡単体の解像度を超える解像度を実現することができる。

また、本実施形態によれば、Ｘ線望遠鏡の集光能力によってバックグランドを低く抑えることができるので、宇宙空間などの高いバックグランド環境下でも感度が高い。

また、本実施形態によれば、検出器のサイズを小さくできるので、エネルギー分解能や偏光感度の高い検出器を導入しやくなる。

上記実施形態においては、望遠鏡として、同心円状、且つ層状に配置された複数の反射鏡を備えたＸ線望遠鏡を用いたが、これに限定されるものではなく、屈折式望遠鏡、赤外波長域用の望遠鏡等、任意の適切な望遠鏡に適用することができる。

以上、本発明について、例示のためにいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細について、様々な変形及び修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。

１Ｘ線望遠鏡
２ａ−１〜２ｂ−３反射鏡
３２次元検出器
４ハウジング
５像再構成装置
６第１スリット部材
７第２スリット部材
６ａ，７ａ通過阻止領域
６ｂ，７ｂスリット（通過許容領域）
８保持部材

Claims

望遠鏡と、
観測対象電磁波に対する通過許容領域と、該観測対象電磁波に対する通過阻止領域とを有する部材を少なくとも１つ備えた選択的遮蔽ユニットと、
を備え、
前記望遠鏡は、その焦点面とは異なる面で前記観測対象電磁波を検出する、位置検出可能な検出器を備え、
前記選択的遮蔽ユニットは、前記検出器よりも前側に配置され、
少なくとも１つの前記部材の前記通過許容領域と前記通過阻止領域のパターン、及び少なくとも１つの前記部材の配置は、前記検出器において検出された像に基づいて観測像を再構成可能なように設定されていることを特徴とする望遠鏡システム。
前記検出器において検出された像に基づいて観測像を再構成する像再構成装置を更に備える請求項１に記載の望遠鏡システム。
前記再構成は、前記検出器において検出された像を逆変換することにより行われる請求項１又は２に記載の望遠鏡システム。
前記再構成は、電磁波の入射角と、その入射角の電磁波について前記検出器において検出される像のパターンとの対応関係を予め取得しておき、該取得した対応関係を参照して行われる請求項１又は２に記載の望遠鏡システム。
前記望遠鏡は、同心円状、且つ層状に配置された複数の反射鏡を備えたＸ線望遠鏡である請求項１〜４のいずれか１項に記載の望遠鏡システム。
前記通過許容領域と前記通過阻止領域とが、前記部材上でそれぞれ放射状に形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の望遠鏡システム。