2017/1/21 望遠鏡および観測装置会議@キャンパスプラザ京都

極限補償光学装置の進捗
山本広大(京都大学)
SEICA開発チーム
京大岡山3.8m望遠鏡架台

惑星撮像装置SEICA[Second-genera=on
Exoplanet Imager with Coronagraphic Ao]

SEICA

内容
• SEICAの意義・目的• SEICA-ExAOの進捗

bottom-right

HR 8799 e

1000

4.0

0.75×A60, 0.25×E60

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

SEICA: 意義・目標

1’(60’’)
HR8799 (Currie+2014)
b 7MJ
1’’.7+

主星との光度比はおよそ10-5
d 10MJ0’’.7

c 10MJ
1’’.1

e 9MJ
0’’.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■ 木星Gaiaの観測領域

0.10.1

■土星

海王星

■■

天王星

0.01
0.01

0.0010.001

■■ 地球

金星
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.

u木星型太陽系外惑星の直接撮像→0”.2—0”.3で10-5〜-6
u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

SEICA: 意義：Imaging観測の難点
u天体からの光は大気乱流で乱れる

大気乱流のパワースペクトル1e14
Kolmogorov モデル
1e12∝K-11/3
1e10
1e8
1e6
1e4 outer scale: 10m
フリード長 : 10cm
100 観測波長 : 1.6μm (H)1
望遠鏡開口(φ3.8m)
10m 1m 10cm 10mm 1mm
小←空間周波数K→大望遠鏡主鏡面での位相ムラ(シミュレーション)

温度ムラ→密度ムラ→屈折率ムラ
乱流渦の大きさ 数cm—数十m
大気乱流(〜10km)

地上望遠鏡+3λ

望遠鏡瞳パターン
3.8m
8.2m
波面の断面

0-3λ

無補償±7.5λ

望遠鏡開口φ3.8m

SEICA: 意義:: 補償光学
u大気による波面乱れをリアルタイム補正
Woofer AOの例

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

DMの制御点(88点)

2. WFS
波面センサ

補償された
波面 (λ/4: rms)
仕様を決定する

WFSの測定点(52点)天体からSEICA: 光学系:: 概念図分散分光器）： 近年、望遠鏡→前置光学系からの入射光線
400
800

地球大気

リゼーション技術

Velocimetry）が話題
望遠鏡 (主-第三鏡)

5枚の軸外し放物面鏡(OAP)は恒星のドップラー偏SEICAるのに対し、PRV法
前置光学系

ExAO

接検出する手法であExAO

惑星に一酸化炭素や水

1100

ら大きくドップラーコロナグラフetれている（Brogi

Snellen et al. 2014,

赤外カメラ々は、コロナグラフとより、世界に先駆けポストプロセス
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
TweeterDMDM
952492actuators
actuators

BS1
DM1

BS2
DM2

λ:0.4-0.5µm

λ:0.5-0.7µm

T/T sensor

Frame rate: 100Hz
Limi=ng magnitude: 16mag

CPU2FPGA

SHWFS

Frame rate: 1kHz
Limi=ng 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
Limi=ng 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

望遠鏡瞳2PS [m ]5104103102101

補償なし

10010+10λ -λ/30-10λ大気乱流と補償後のパワースペクトル
10ExAOによる補償

Strehl ra=o 1%

PS [original]
PS fitting
PS anisoplanatism
PS servo-lag
PS aliasing
PS measure
PS total+λ/30

Strehl ra=o 97%

補償あり-110-210-310-4

直径1秒角の円
0.1
0.1

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

補償前/後の位相形状と星像(時間平均なし: 10msec)

ExAO進捗:
1. AO制御実験[Woofer AO]
1. Woofer実験環境整備
1. 光学系調整

2. Woofer実験開始
1. 基準実験系での試験 [AO基本性能, 風速, 等級etc...]
2. WFSパラメータの最適化試験[マイクロレンズ, ROI etc...]
3. 近赤外対応

2. SEICA実機設計: Woofer AO
1. Woofer用SHWFS構造体最終設計

3. H29年度予算への応募
1. 自然科学機構(NINS)分野融合共同研究
2. 国立天文台共同開発経費

ExAOパート:: WooferAO動作

AO時
FWHM 〜6pix
回折限界
FWHM 4.5pix

Woofer AO動作時の星像 (He-Neレーザ光源, 風速10m/s, 制御900Hz)ExAOパート:: 評価試験 星像モニタ
各制御周波数の比較

センサー値の平均

9000
8000

風速10m/s 制御無し

7000

制御周波数9Hz 風速10m/s

6000

制御周波数90Hz 風速10m/s

5000

制御周波数900Hz 風速10m/s

SR=0.4%SR=3.7%

風速 10m/s 制御無し

風速 10m/s 制御周波数900Hz

4000
3000
2000
1000
00246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28ピクセル

λ=633nm 風速10m/s 星像モニタ(16秒間平均 26fps)

中村君スライドExAOパート:: 評価試験 SR測定
観測カメラの画像の比較

センサー値の平均

9000
8000

風速10m/s 制御無し

7000

制御周波数9Hz 風速10m/s

6000

制御周波数90Hz 風速10m/s

5000

制御周波数900Hz 風速10m/s

SR=0.4%SR=3.7%

4000
3000
2000

風速 10m/s 制御無し

1000
00246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28ピクセル

制御無しに比べてSRが上昇しているが不安定なSR変動

時間ごとのSRの変化

風速 10m/s 制御周波数900Hz

λ=633nm 風速10m/s 星像モニタ(16秒間平均 26fps)制御帯域が高速化すると補償精度も向上

目標30%に足りない
中村君スライド

周波数とSRの比較

ExAOパート:: 性能評価試験
200

位相板

試験用点光源(λ=633nm)

入力2 x 出力2L2(f=300)

SHWFS鏡筒

550
100 150SHWFS用カメラ
浜ホト
ORCA ﬂash4.06.5um, 2048x2048

150

L1 (f=350)
350

150

テスト光路

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

L3(f=250)

リファレンス光リファレンス用点光源(λ=633nm)

強度変化用
偏光板x2DM

光源はシングルモードファイバー
NA=0.1-0.14

150DM
φ20mmで差し渡し8素子光源(試験/リファレンス)の精度が悪かった: SR〜0.3—0.5

L4(f=400)150

位相板
φ24mmでr0=10cm750

光軸高さは200mm

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

ExAOパート: 光源精度の向上

実験用光源の調整
試験光源系

u 光源全体をひとつのユニットにu 非点収差が大→レンズの設置角度を±0.5度以内– 波面精度PV: 0.16λ, rms:0.04λ→SR=0.92
レンズの角度確認

光源(ファイバー)
高さ, 角度ズレ
レンズの背後に平面鏡設置
SR

高さ, 角度100um, 1分角で調整完了

位相板 前回

今回

リファレンス ー0.50.8

試験光源なし

0.30.8あり

0.004 0.003

実験用光源の調整
u 光源全体をひとつのユニットに
u 非点収差が大→レンズの設置角度を±0.5度以内– 波面精度PV: 0.16λ, rms:0.04λ→SR=0.92

試験光源系

レンズの角度確認

L1 (f=350)

L2(f=300)

光源(ファイバー)
高さ, 角度ズレ

試験用点光源(λ=633nm)
NA=1.2
シングルモードファイバー

レンズの背後に平面鏡設置
SRL3(f=250)

高さ, 角度100um, 1分角で調整完了

位相板 前回

今回

リファレンス ー0.50.8

試験光源なし

0.30.8あり

0.004 0.003

T-T Viewer

ExAOパート

T/Tパート

望遠鏡焦点
Unit 1: OAP1 (完了)
Unit 2: OAP2

T/T鏡

Unit 3: OAP3
Unit 4: OAP4

低次DM
高次DM
Unit 5: OAP5

Tweeter
波面センサ

惑星撮像カメラ(コロナグラフ・ポストプロセス部)へ
Tweeterパート

Wooferパート

Woofer波面センサ(完了)

AO設計: Woofer AO
400

瞳エドモンド製 f=100mm
φ 9 .2u ダイクロイックミラー
でのゴースト+色収差→WFSでは問題なし800

望遠鏡からの入射光線
瞳モニター系

400

エドモンド製 f=486mm
エドモンド製 f=200mm

T/Tセンサー(300—500um)

T-Tセンサー

φ 9.8φ2'相当
φ13.2

6.5μm/pixel
2k×2k検出器で受光

望遠鏡焦点

OAP-1
f = 261.45mm
off ax. 85mm
D = 55mm
C.A.= 50mm

光軸調整用ピンホール

T-T Mirror

46.0

DM-1
wedge=3'1200

ダイクロイックミラーのウェッジ角
DM1: 3分角
DM2: 12分角
DM3: 18.9分角

反射鏡（付け外し可能）

OAP-2
f = 717.8mm
off ax.171mm
D = 55mm
C.A.= 50mm

DM1

Field Stop設置？
OAP-3

φ19.3

DM2DM-2
wedge=12'WDM

OAP-4

Field Stop設置？

f = 302.2mm
off ax. 108mm
D = 35mm
C.A.= 30mm
f = 391.8mm
off ax. 90mm
D = 30mm
C.A.= 25mm

Wooferセンサー(500—700um)

WDMセンサーへ
φ6.4

TDM

TDMセンサーへ

φ6.4
2
φ 8.1
1

DM3

OAP-5
出射光線

φ2"光線外径

f = 129.78mm
off ax. 30mm
D= 25mm
C.A.= 15mm

サイエンス(コロナグラフ)

コリメート光線径

Tweeterセンサー(700—900um)
DM-3
wedge=18.9'

尺度

用紙サ
名称

図番

AO設計：ゴースト像
ゴースト像は結像面で6’’.8, 13’’ずれる位置へ→AOの視野は半径2秒、検出面を半径5秒で設計中• ゴースト像

SEICA出射部付近の拡大図

Tweeter可変形鏡

DM1とDM3によるゴースト～6.8" ずれTDM

元の光線までが本来の光路

f=100mmの仮想レンズを置いて光線追跡DM2によるゴースト～13" ずれDM3S EI C A 出 射 部 に 仮 想 レ ン ズ を 置 い た 場 合 の 結 像 の 様 子
DM1とDM3によるゴースト～6.8" ずれ

ここまでが本来の光路

元の光線
f=100mmの仮想レンズを置いて光線追跡

DM2によるゴースト～13" ずれ

SEICA出射部に仮想レンズを置いた場合の結像の様子

Tweeterセンサー
尺度

日付

SEICA: 全体進捗: 今回• ExAO: Woofer AOの開発進行– 実験環境再整備: 岡山上空(フリード長10cm, 風速10m/s)– AO実験 SR=0.03—0.05程度が何処まで改善するか(@633nm)
近赤外ではSR〜0.1程度– 実機設計開始: ABCとの協同で。
– NINS, 天文台へTweeter用予算• コロナグラフ: SPLINE– プリズム/サバール板確保・原理実証済– 実機製作開始：設計中• ポストプロセス: スペックルナリング方式– 原理実証試験準備開始: 物品確保完了• 温度管理範囲– コロナグラフで温度測定、管理の試験