トモエのつくりかた

東京⼤学⼤学院理学系研究科附属天⽂学教育研究センター
科学技術振興機構さきがけ

酒向 重⾏

第6回 可視⾚外線観測装置技術ワークショップ
2016. 11. 25 10:50-11:10, 国⽴天⽂台三鷹

1．⽊曽超広視野⾼速CMOSカメラ Tomo-e Gozen
2．トモエのつくりかた

Sako et al. 2016, SPIE
Ohsawa et al. 2016, SPIE

Extremely wide‐field high‐speed camera

the Tomo‐e Gozen•

Telescope

Kiso 105‐cm wide‐field Schmidt•

Field of view

20 deg2 in φ9 deg, AΩ = 28•

Image sensors

84 chips of CMOS•

Data acquisition rate

2 fps (max)•Data production rate

30 TB/night (max)•Commissioning

Aug. 2018

常温・常圧運⽤, フィルタ(透過, g, r, grism)⽇中のみ交換

84 chips of high‐sensitive CMOS sensors

Completion of survey powers for transient events

CMOS

Field of View (deg2)

100CCD
ZTF

19
unexplored universe
1917102225

Tomo‐e2320
iPTFDecam

KWFC

HSC

1825 22TAOS II

0.1

Pan‐STARRS

20

16

1LSST

20

110SDSS

100

Temporal resolution (sec)
The numbers in the circles show
limiting magnitudes.

New fields developed by Tomo‐e• Survey for extremely rare transient events
極めて稀な時間変動イベントの探査• Survey for rapid transient events with τ < 1 sec
１秒以下で変化するイベントの探査Shock Breakout of core‐collapse SN

Explosion of Nova



Optical follow up of Gravitational waveAfterglow of Gamma‐ray burst



Optical candidate of fast radio burst



X‐ray time variable objects

Transit of ExoplanetOccultation by Trans‐Neptune object

Potentially Hazardous Asteroid

Faint meteor

NASA

Optical counterpart of GW

NASA

Neutron star merger

YouTubeNASA
NASA

Potentially hazardous asteroid

Transit of exoplanet

Timeline for Development
Commissioning in 20182013present day2014

2015

2016

2017

2018

Sensor development
Sensor evaluation
Data acquisition system
Camera body
Data analyzing system
AssembleTest observations↑ commissioning↑ commissioning

Tomo‐e Gozen Prototype model

8 chips of CMOS
sensorTomo‐e Gozen
prototype model

Sako et al. 2016, SPIE
Ohsawa et al. 2016, SPIE

380 mmSpider structureof telescope

590 mmKiso 105cm
Schmidt telescopeTest observations• Observation date

First light on 24th Nov. 2015
Dec. 1st – 21st, 2015 (21 nights, usable ~11nights)• Main observation mode2 fps, full‐frame, no‐filter, Gain=High• Data production rate

3 TB/night (average), 35 TB/run• Targets

Flash survey, Meteors, CometData sample obtained by Tomo‐e PMFirst light image, h‐x Per open star cluster(1 chip, 5 sec exposure, FoV of 39.7’ x 22.4’)

High dynamic image of M42 Orion nebula(1 chip, 0.5 sec/exposure x 5,018 frames)

Sporadic meteors of > 5,000 events/night detected

Movie data (10 fps, partial readout, 1 chip)Faint meteors

Trail of faint meteor‐ Faint meteors up to 14 mag detected. (> 9 mag in previous study)‐ About 1,000 events of sporadic meteors detected in a night.

Ground based observation of X‐ray space telescope
HITOMINE

622“

75W

25“

40“

43S210
HITOMI / JAXA

8.2 deg
Sensor 7Sensor 5Sensor 6Sensor 42 fps, 50 sec starting from 20:24:08 31st Mar. 2016

Relative brightness• Light curveTime (sec)Press release from Kiso observatory. U. of Tokyo
Used in press releases at JAXA
Reported in NHK news and major news papers

Flash•Unidentified Flash Objects detected in frames taken in 2‐fps

Contamination of Artificial stellar objects

Low orbit satellite
YouTubeExample of flashing and moving object
Geostationary orbit satellite JCSAT2
30th Nov. 2015, 10 fps

Geostationary orbit satellite, 36,000 km
JCSAT2/Boeing•

Space debris with φ 1 cm on the geostationary orbit can be detected.

•Rotating debris are observed as “flash phenome”.  Serious problem!!

1．超広視野⾼速CMOSカメラ Tomo-e Gozen
2．トモエのつくりかた
まだ完成していないので成功例とはかぎらないはじまり2010年ある⽇某所
C社：

実は、こんなCMOSセンサがあるのですが、なにかに使えませんか？

私：

ああ、この仕様だと、天⽂観測では使えませんねえ。

C社:

そうですか。しかし、ご迷惑でなければ試させていただけませんか？

私：

そうですねえ。搭載は簡単そうなので、やってみましょうか。
あまり期待しないでください。

2011年1⽉⽊曽観測所
C社：

わあ、さすがに星がたくさん写りますね。

私：はい、これくらいは写ると思います。

C社:

あ、雲がきた。あ！⼈⼯衛星、あ！流れ星、また、これも私：・・・・・・？？。 なんだろうこの違和感は、観測に使⽤した200mm x 200mm
CMOSセンサを搭載した試験カメラ

教訓• 仕様値からは想像できないことがある• データに触れて初めて感じることがある• 分野外の専⾨家のコメントは⼤切に

2011年9⽉15⽇キヤノン記者発表の様⼦

やってみる2012年ある⽇某所
C社：

実は、こんなCMOSセンサもあるのですが、使えませんか？

私：

ああ、この仕様だと天⽂観測では使えませんが、画素サイズはマッチしてますね。試験観測をやってみましょうか。

C社:

評価⽤の読み出し装置はありますよ。

私：

ああ、この仕様だと天⽂観測では使えませんが、すぐに試験ができて便利なのでお貸しください。

2012年12⽉⽊曽観測所
私：

まあまあ写りますね。でも、バックグラウンドが⾼いですね。

C社：

⾮冷却ですからね。触ると熱いくらいですから。

私:

天⽂観測に⽤いるには、冷却が必須なのですよ。

C社：

そうですものね。冷却がなければ楽なんですけどね。

カメラを準備する様⼦（B4藤堂さんら）

教訓• すぐに試験できる環境を持つことが⼤切• すぐに試験する意思が⼤切• これらこそ⼤学の研究室の役割

2012年12⽉35mmセンサの1回⽬の試験観測の様⼦⾼速観測ではCCDよりCMOSの⽅が⾼感度
しかも、⾮冷却で実現が可能
等級

検出限界等級21

2012年度東⼤B4卒業研究 藤堂⽒より0.2 mag
due to dQE

2019

検出限界等級 （CMOS）

18

積分時間 (sec)

等級171/10

15.3

161

17.2

10

18.7

100

19.9

15
140.1

1

10

積分時間 [sec/frame]

V-band, S/N = 5, Seeing = 3”
読み出し時間による観測効率の損失をふくまず

100- 天⽂⽤CCDと同程度の感度を達成- 10sec/frame以下では、CCDを上回る感度を達成

業界の伝統を疑ってみる• センサの冷却は必要なのか？
• センサの真空設置は必要なのか？
• センサの温度制御は必要なのか？
• センサは粗末に扱うと壊れるのか？
• センサは⾼感度でないと使えないのか？
• 練習中に⽔を呑んではだめなのか？

教訓• 技術はいつのまにか進んでいる• 伝統が⾜かせになっていないか。伝統を⼀度はうたがってみるべき。

トモエゴゼンの設計ポリシー• シンプルなシステムの追求- 軽量- ⾮冷却・⾮真空- 駆動部なし- 組み⽴て簡単• シンプルな⽬的（サイエンス）の追求- 突発天体の「発⾒」に注⼒する。
- フィルタ交換は⽇中のみ、⼿動。
- データを全て保存しない。

 他に類の無い観測装置の実現につながる

⼈皆直⾏
我独横⾏
榊 莫⼭
さかき ばくざん横⾏は慎重に• 横⾏すると決めたら慎重に歩くべき。地雷が埋まっているかも。
• 慎重でも迅速にやらないと、直⾏する世間に取り残される。

‐ 要素試験を迅速に繰り返す

トモエゴゼンの開発⽅針•

計算はほどほどに。

•実物を⾒ながら考える。

•試験機を迅速に製作。迅速に測定、設計にフィードバック。

これまでに製作した試験機

2012年

センサ単体試験機

2014年

センサ実験室評価試験機

2015年

センサ8台試験機（Tomo‐e PM）

2016年

熱試験機

2016年

コネクタ試験機2017年予定

光通信試験機フラットケーブルを通す⽳のサイズを検討するためだ
けの試験機

トモエゴゼンの開発体制
トモエサイエンスチーム
筐体

⾼橋

ATC/NAOJ
センテンシア社

光学系
⽉例会議

酒向

オプトクラフト社

酒向

東⼤院⽣
電気

キヤノン社

酒向

インターフェース社
望遠鏡

猿楽

⽊曽スタッフ
東⼤院⽣

ソフト

⼤澤

他研究機関のアドバイザ

特徴•

試験装置をメーカに依頼。試験を⼤学が担当。

•

試験結果をメーカに迅速にフィードバック。

•

⼤学院⽣にシステム概念設計を担当させる→実機へつなげる既存技術をとりいれる 既存技術をそのまま使うのではなく、いかに味付け（応⽤）して使うかがポイント。アイデアだけでなく試験も⼤切。
•

コンシュマー向け35mm CMOSセンサ（キヤノン社）•

半導体⽤熱伝導両⾯テープ（3M社）•汎⽤アナログー光変換システム（インターフェース社）•精密加⼯技術（先端技術センター／国⽴天⽂台）•

⾚外線CMOSセンサ⽤動画読み出しシステム（東京⼤学）•

⾚外線CMOSセンサ⽤データ伝送システム（東京⼤学）•

超広視野望遠鏡（1974年建設、東京⼤学⽊曽観測所）•

情報数理処理技術（統計数理研、情報研、各⼤学）

熱伝導両⾯テープの⻑期耐久⽐較試験の様⼦。
結果、3M社8904‐02が選ばれる。

トモエゴゼンの開発ツール
 トモエチーム（⼤学）が利⽤するソフト•

ドキュメント作成

Power Point, Excel•

CAD

Sketch up（3D, 指⽰書⽤）, Auto CAD（2D, 製造⽤）

•

回路設計

EAGLE, Xilinxデザインツール•

観測視野確認ステラナビゲータ（広い視野をカバー）

 トモエチーム（⼤学）が利⽤するサービス•

情報管理

Pukiwiki•スケジューリング

みんなでガント.com•

電⼦回路部品Chip1Stop, RSコンポーネンツ•

電気⼀般、アルミ製品 MISUMI, タカチ電機（ラック）•電気基板製作・実装

P板.com•Web即時購⼊

Amazon.com, モノタロウ, アズワン

Conceptual design

Data flow for 1‐night data

Telescopes
around the world

KISO OBSERVATORY
Telescope building

Support building
Camera Controller

50 TB/d50 TB

Analysis Server

150 TB

30 TB/nightServers forscientific projects

τ ~ 3 days

supernova
GW+WCS
file split

meteordebris50 TB/dflash
pulsarτ ~ 1 day
day timealert

Servers on
external site

Onsite DB

Short time‐
Detected fast Co‐addedscale eventsmoving objects Image files
Masked movie Image files

τ ~ 1 monthcopy

1‐2 TB/d
τ ~ 1 year

copyeverymonthExternal DB

Light curvesof all sources
Text files

300 TB

30 TB

1‐2 TB/dInformatical approach
These studies are now ongoingunder collaborative research.

• Machine learning
Collaborator: Wide‐field survey team/CREST, IPMU (PI Prof. Yoshida)‐Source detection‐Classification• Sparse modelingSupernova on parent galaxy‐
Ref‐image=Obs‐image

Subtracted‐image

Collaborator: Prof. Ikeda, Dr. Morii @ CREST, ISM‐Flash detection‐Movie compression• Data mining / compression
Collaborator: Dr. Yamamoto @ SAKIGAKE, Yamanashi U.

‐Source detection‐

Fast computation

GoDec method
Raw data

Low‐RankSparsehttps://www.youtube.com/watch?v=BTrbow8u4Cw

Looking for “Spark‐joy” = “ときめき”
in Movie Big data.

When keeping only the items you feel“spark joy”, you will definitely become happy.
ときめくモノだけを残すとかならず幸せになれます。

KONDO Marie “The Life‐Changing Magic of Tidying Up”
ISBN 1607747308 (2014)近藤⿇理恵 “⼈⽣がときめく⽚づけの魔法”
ISBN 4763131206 (2010)

トモエPMでの失敗例•加⼯は精確だった。図⾯をまちがえた。

正しい

数値が間違っていた•

IOA035D’IOA035C’IOA035B’IOA035A’IOASIDE
035A
VIEW
”

IOA035B”

IOA035C”

21.272

IOA035D”

筐体内の空冷のために圧縮乾燥空気を通す⽳をあけた。
でも⾵がでない 計算をまちがえた。筐体内の空冷を中⽌。

•アナログ⾼速通信の線が⻑すぎて通信エラーが多発 光ファイバに変換

180°(21.265)

27.775(24.766)

27.101(27.099)27.854(27.854)27.853(27.854)27.097(27.099)24.763(24.766)

21.254基準線(21.265)

20.276 22.253 24.061 25.471 26.676 27.522 27.713 27.995 27.995 27.713 27.522 26.676 25.471 24.061 22.253 20.276
20.265 22.242 24.058 25.468 26.674 27.520 27.712 27.994 27.995 27.713 27.524 26.678 25.480 24.070 22.260 20.283

間違いまとめ ⽊曽超広視野⾼速カメラ Tomo‐e Gozen•

世界初の天⽂⽤広視野CMOSカメラ•

CMOS x 84枚、20平⽅度、最⼤2 fps、最⼤30 TB/夜。

•2018年完成予定

 トモエのつくりかた•

データに触れて初めて感じることがある。

•

すぐに試験する環境と意思が⼤切。⼤学の研究室の役割•

装置の設計とサイエンスを⽬的をできる限りシンプルにする。

•

技術はいつの間にか進んでいる。伝統を疑う。

•

既存技術をできるだけ上⼿に使う。使うときは少し⼯夫と試験をする。

•

試験装置の開発もメーカの援助を受けて迅速化する。

•

ビッグデータ的考え⽅を導⼊する。