2016/9/7-8 岡山ユーザーズミーティング@国立天文台

極限補償光学装置の開発状況
山本広大(京都大学)
SEICA-AO開発チーム[松尾太郎(大阪大学), 入部正継,中村祐一(大阪電通大), 木野勝(京都大学)]

惑星撮像装置SEICA[Second-generaBon
Exoplanet Imager with Coronagraphic Ao]
内容• SEICAの意義・目的• SEICA光学系概念図• SEICA: ExAO
• SEICA: ExAO:: WooferAO実験• SEICAスケジュール

SEICA
搭載予定

京大岡山3.8m望遠鏡架台

bottom-right

HR 8799 e

1000

4.00.75×A60, 0.25×E60

SEICAの意義・目標

equilibrium5

他観測で発見済の惑星を観測→キャラクタリゼーション

HR8799 (Currie+2014)
b 7MJ
1’’.7c 10MJ
1’’.1+

主星との光度比はおよそ10-5d 10MJ0’’.7e 9MJ0’’.4

惑星質量 (木星質量)

Note. — References: 1) Burrows et al. (2006), 2) Currie et al. (2011a), 3) Madhusudhan et al. (2011), 4) Skemer et al.
(2012), 5) this work.
10101.01
0.10.1木星■

Gaiaの観測領域

■

0.01
0.01

0.001
0.001

■■ 地球
0.01

0.01

0.1

1

100.1 1.0 10離角 (秒角)Fig. 1.— Keck/NIRC2 L′ images of HR 8799 from 2012 data (left) and archival 2010 data (right) reduced using A-LOCI.
are all easily identifiable.

• 木星型太陽系外惑星の直接撮像→0”.2—0”.3で10-5〜-6のコントラスト• 先進技術のテストベッド[FPGA制御,
PDI WFS, SPLINE, ポストプロセス]

H31/2019にFL

天体から

SEICA: 光学系:: 概念図

地球大気

望遠鏡→前置光学系からの入射光線
400
800

望遠鏡 (主-第三鏡)

5枚の軸外し放物面鏡(OAP)

SEICA
前置光学系

ExAO
1100

ExAO

図面省略

コロナグラフ
赤外カメラ

コロナグラフ
赤外カメラ

SEICA: ExAOパート(極限補償光学系)
位相計測: Tweeter
高速、高精度波面制御

傾斜計測: T/T＋Woofer
低速、粗い波面制御
Tip/Tilt部 視野内で星像を安定させる
T/T
望遠鏡
より→

CPU1

Woofer部 λ/4程度まで波面補償する

Tweeter部 λ/20程度まで波面補償する

Woofer DM
88 actuators

Tweeter
TweeterDM
DM
952
492actuators
actuators

BS1
DM1

BS2
DM2

λ:0.4-0.5µm

λ:0.5-0.7µmT/T sensor

Frame rate: 100Hz
LimiBng magnitude: 16mag

CPU2FPGASHWFS

Frame rate: 1kHz
LimiBng magnitude: 12mag

BS3
DM3

コロナグラフ・

λ:0.7-0.9µm

分光装置へ

PDI
位相センサ
SensorFrame rate: 6kHz
LimiBng magnitude: 7mag

目標

高精度 (λ/20; rms)
高頻度 (5-10 kHz)高空間周波数 (1辺24素子)←コロナグラフにおいて何処までの精度が必要か再検討中

0”.2—0”.3で105—6

SEICA: ExAO後のコントラスト
大気乱流のみ乱流層：
高度10kmフリード長:
10cm
風速:10m/s
天頂角: 60度 (仰角30度)
センサー波長:0.8um
観測波長:
1.65um波面測定:
8.5kHz (制御850Hz)
補償点数:
差し渡し24素子計495素子ExAOによる補償+10λ -λ/30-10λ+λ/302

PS [m ]

大気乱流と補償後のパワースペクトル105104103102101

補償なし

10010Strehl raBo 1%

PS [original]
PS fitting
PS anisoplanatism
PS servo-lag
PS aliasing
PS measure
PS total

Strehl raBo 97%

補償あり-110-210-310-4

直径1秒角の円
0.1
0.1

1.0
spatial frequency [1/m]
空間周波数
11010

補償前/後の位相形状と星像

SEICA: ExAOパート:: Woofer AO
低次の波面誤差を補償• 差し渡し8素子
1. DM
可変形鏡
3. 計算システム

大気乱流で乱れた波面ビーム
スプリッタ

補償された
波面 (λ/4: rms)

DMの制御点(88点)

2. WFS
波面センサ

WFSで取得されたスポット画像 (52点)SEICA: ExAOパート:: 性能評価試験
200

200

150

点光源 L1 (f=200)(λ=633nm)
150

SHWFS用カメラ
浜ホト
ORCA ﬂash4.06.5um, 2048x2048

100 150

L2(f=300)

SHWFS鏡筒

550

位相板

テスト光路
L3
リファレンス光 (f=250)

強度変化用
偏光板x2L4(f=400)

DM
リファレンス用点光源(λ=633nm)150

光源はシングルモードファイバー
NA=0.1-0.14

150750光軸高さは200mm

SHWFS用マイクロレンズ
焦点距離2.06mm
ピッチ136um
差し渡し8点, 全52点
焦点マスクなし
位相板
φ24mmでr0=10cm
DMφ20mmで差し渡し8素子

星像モニタでの回折像サイズ
半径=1.22fλ/D=28.9um=4.4pix
星像モニタ
浜ホト ORCA ﬂash4.06.5um, 2048x2048

SEICA: ExAOパート:: 現在の性能 (1/2)• Woofer AOはλ/4 (rms): P-V: 1λを目標→SR 10%

時系列(フレーム数)

900Hz
90Hz
9Hz0Hz0rms(arcsec)
最小P-V(arcmin)
4.2
39.5
0.54.8中央値

8.4

最大4010波面の傾斜@サブ開口

風速: 10m/s
制御: 900Hz
補償なしの場合
P-Vの中央値： 3’.41098765432
10Strehl RaBo @1.6μm(%)

スポットの移動量 (pix)Strehl RaBo @600nm(%)

AO制御中のWFSのスポットの重心移動(52点) 11

1.451015202530354045

時間(秒)サンプルレート(Hz) 平均SR 1σ9003.5 1.4

903.3 1.392.6 0.70(制御なし)

1.4 0.3

SEICA: ExAOパート:: 現在の性能 (2/2)• Woofer AOの目標: λ/4 (rms): P-V: 1λ→SR 10%
風速:: 10—20m/s
観測天体: 4-8等級(@500-700nm)
青: 風速20m/s

1040

987

赤: 風速10m/s

61054
1

10

100

サンプリングレート(Hz)

風速10-20m/sのとき100Hzで性能が飽和

1000

Strehl RaBo @1.6μm(%)

Strehl RaBo @600nm(%)

11

今後の改善
• 測定点数を増やす• 制御アルゴリズムの最適化→高精度化

SEICA: 開発スケジュール• FY2016(H28)[本年度]• FY2017(H29)• FY2018(H30)• FY2019(H31)• ExAO: WooferAOの制御/実機
PDI WFS(位相測定)開発(—H29)• コロナグラフ: SPLINE実機• ExAO: TweeterAOの開発(H30中まで)
FPGA制御• ポストプロセス開発• 前置光学系[イメージローテータ, ADC]
• 赤外カメラ(J, H, (+K?))• SEICA筐体[恒温/冷却, 除振, 電気系]
• ExAO＋SPLINE実験室試験↓• 望遠鏡でファーストライト

Back-up