2018/4/28 第46回望遠鏡および観測装置会議@キャンパスプラザ京都

極限補償光学の進捗
山本広大,木野勝, 西岡秀樹, 津久井遼(京都大学)
入部正継, 藤田勝(大阪電気通信大学)
SEICA
惑星撮像装置SEICA[Second-generation
Exoplanet Imager with Coronagraphic Ao]
京大岡山3.8m
せいめい望遠鏡架台

b ottom -right

H R 8799 e

1000

4.0

0.75×A 60, 0.25×E 60

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)

c 10MJ
1’’.1

b 7MJ
1’’.7+
主星との光度比はおよそ10-5

d 10MJ0’’.7

e 9MJ0’’.4

惑星質量 (木星質量)N o t e. — R efer en ces: 1) B u r row s et a l . ( 2006) , 2) C u r ri e et a l . ( 2011a) , 3) M ad h u su d h an et al . ( 2011 ) , 4) Sk em er et al .
( 2012) , 5) th i s w ork .
1010■ 木星

1.01
Gaiaの観測領域

0.10.1

■土星

海王星

■■

天王星

0.010.01

■■ 地球

0.001

金星

0.001

0.01

0.01

0.1

1

100.1 1.0 10離角 (秒角)K eck/N I R C 2 L ′im ages of H R 8799 from 2012 data (left) and archival 2010 data (right) reduced using A -L O CI .

F ig . 1. —are all easily identiﬁ able.

木星型太陽系外惑星の直接撮像→0”.2—0”.3で10-5〜-6
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

高コントラスト技術

10-6@0.2秒角ポストコロナグラフ

天体
地球大気補正された波面地球大気で乱れた波面

補償光学

コロナグラフ

10-4〜5@0.2’’[新世代の概念と技術]
 すばる/SCExAO [競合]
 本研究

主星光が低減〜補償光学性能向上〜

望遠鏡

大気乱流で乱れた星像補正された星像本研究で開発する技術

京都 極限補償光学

北海道 コロナグラフ 
東大/ ポスト
国立天文台 コロナグラフ ~高コントラスト装置の状況~[旧世代の技術の発展系]
 Gemini/GPI
 VLT/SPHERE Keck/NIRC2FPGA 制御装置
点回折干渉型センサ
ナリング干渉計型

従来の10倍- 高速 (→10kHz)- 精細 (→2000素子)- 精密 (→50nm)の計測・制御が可能にスペックルナリング
高分散分光器(目標)
瞳再配置撮像(将来)

基盤(S)ヒアリングスライドより

SEICA: 全体進捗: 前回
ExAO: 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: 制御実験(@633nm)– 実機設計: 設計中 (ABCプロジェクト経費) 近赤外ではSR〜0.1程度– Tweeter制御装置：設計開始(TMT戦略経費)

コロナグラフ: SPLINE– プリズム/サバール板確保・原理実証済, 環境試験中– 実機製作開始：設計中 (TMT戦略経費)

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, 実証試験中

温度管理範囲– コロナグラフで温度測定、管理の試験

予算状況
昨年度獲得– ABCプロジェクト経費：Woofer WFS実機設計– TMT戦略経費：SPLINE(コロナグラフ)実機設計+Tweeter FPGA制御試験機開発

獲得– 基盤A(代表長田): 5年(開発4年観測1年)3300万

応募中→ヒアリングへ！！！！

– 基盤S(代表長田): 5年(開発3年観測2年)1.66億– TMT戦略経費: SPLINE実機製作+FPGA制御開発

SEICA: optical design telescopesize: 1.2x1.4m
AO+コロナグラフ
5 軸外し放物面鏡
3 可変形鏡
3 ダイクロイックミラー Tip/Tilt
Dichroic Mirror2
3 WFS

T/T WFS(300—500um)

Dichroic Mirror1

WooferT/T WFS: ガイダー兼用DM
W WFS: SHWFS
T WFS: 位相型WFS
Tweeter DM

Woofer WFS(500—700um)

Dichroic Mirror3
Tweeter WFS(700—900um)

SPLINE
Science Cam

SEICA: 極限補償光学
要求仕様: 精度: λ/20, 速度: 5—10kHz, 測定点: 492 elements
FromTel.→Woofer DM
88 actuators

T/T

Tweeter DM
492 actuators

BS1DM1BS2DM2BS3DM3

λ:0.4-0.5µm
λ:0.4—0.5μm

λ:0.5-0.7µm
λ:0.5—0.7μm

λ:0.7-0.9µm
λ:0.7—
0.9μm

CPU1T/T sensor

Frame rate: 100Hz
Limiting magnitude: 16mag

Tip/Tilt: 10mas pointing

CPU2SHWFS

Frame rate: 1kHz
Limiting magnitude: 12mag

FPGA

PhaseSensor

λ:1.0μm--

Spectrograph

Frame rate: 6kHzLimiting magnitude: 7mag

Woofer: 低速 [1kHz]
大まか [λ/4]
大-ダイナミックレンジ

Tweeter: 高速 [6.5kHz]
高精度 [λ/20]
高空間周波数: 242

after Woofer AO
0.3

after Tweeter AO
0.90’’.5
No AO
Strehl ratio 0.02

Coronagraph本日の報告Woofer AO– センサー系: 実機製作
– 制御試験：シミュレーションTweeter AO– センサー系: PDI波面センサ– センサー系: SHWFS波面センサ– 制御装置: FPGA開発

Woofer AO: センサー系:: 設計
L1(f=400, D=40)

試験光

400

入射光
φ20

Woofer用WFS実機

瞳縮小
30 2.06 22.5 22.5

参照光L2
(f=22.5, D=9)
MLA
ピッチ136um(f=2.06)
L3(f=30, D=9)3060

SHWFS鏡筒

空間フィルタ挿抜リレー
L4(f=30, D=9)sCMOS[浜ホトORCA flash4.0]
6.5um, 2048x2048←次頁

 AO系への組み込みを容易に ハーフミラーで可動部なし
 高次の波面エラーをカットする空間フィルタを導入可能

Woofer AO: 制御シミュレーション
藤田くん

Tweeter AO: 波面センサ開発
Tweeter AOの要求仕様：– 入射波面: λ/4 (rms: 〜300nm)→P-Vで〜900nm– 目標精度: λ/20 (rms: 〜60nm)– 波面測定点数: 24(1次元)→492素子(有効460素子)– 波面測定頻度: 6.5kHz
sCMOSカメラ
浜松ホトニクス
ORCA-flash4.0 v2
読み出し速度:
2048x8:25kHz
2048x64:3.2kHz2048x192:
1.1kHz ←Woofer WFS現状
2048x256:
0.8kHz2048x512:
0.4kHz ←Tweeter SHWFSの場合
Tweeter測定点(色は開口率)

Tweeter AO: WFS方式の選択
WFS (波面センサ)による波面形状(エラー)の計測方法

A. 幾何学的計測
計測対象の波面理想的な波面

計測対象の波面理想的な波面
波面の傾斜/曲率

幾何学的計測取得量 傾斜・曲率

長所

短所

B . 直接位相計測!
・測定可能なレンジが大きい!
1!
・光学系が比較的簡素!
21
・採用実績が多い2・形状計測で誤差伝藩が生じる- 傾斜は1階積分- 曲率は2階積分・SHWFSは重心計算が必要→素子数大で不利

位相差φ
直接位相計測参照面との位相差・形状測定で誤差伝藩がない
多点・高精度で有利・計算が簡単(ex. 差分2回と除算1回)
・測定レンジが小さい±1λ、±π [rad]・最低3つの位相差測定(ex. 0, π, π/2,-π/2)が必要

使用例 シャックハルトマンセンサ(ex. GPI,fixed-ピラミッドセンサ(ex. SCExAO)SEICA:Woofer AO) Zernikeセンサ(ex. Palomar)
曲率センサ(ex. HiCIAO/AO188)
点源回折干渉計センサ(ex. SEICA)!
!

Tweeter AO: 直接位相計測
主に干渉を用いる
マッハ-ツェンダ型– 光路を2つに分割– 片側のみ波面を整形– 結合させ干渉– 位相差を与えて4つの干渉像を取得– 非共通光路が長い

Mach-Zehnder型

点回折干渉系型– ピンホールで整形– 非共通光路なし– 光路が単純で安定– 瞬間で1位相しかとれない

点回折干渉計型

Smart & Steel 1975

Tweeter AO: PDI 波面センサ
点回折干渉波面センサ(PDIWFS)
点回折干渉計(Point-diffraction interferometer)
点回折素子

𝐼0𝐼𝜋

(点回折素子)偏光ビームスプリッタ

I -I
tan f = p /2 - p /2
I 0 - Ip
偏光ビームスプリッタのピンホール内外で
𝐼−𝜋/2
𝐼𝜋/2
参照光・被検光に24pix→6.5kHz相当
0分割π π/2 -π/2

透過軸
西岡くん(京大)スライド改変

Tweeter AO: 点回折素子
電子ビーム描画による微細エッチング
0.6mm10μm

顕微鏡写真(偏光フィルタ)

電子顕微鏡写真

ワイヤグリッド：幅100nm 高さ60nm ピッチ230nm
基盤: 1-2nmのシリコン, 表面: 電子顕微鏡用に数nmのプラチナ層
パターン表面は金
西岡くん(京大)スライド改変

Tweeter AO: 点回折素子の消光比要求される消光比>30

領域B領域A

3060 90 120 150 180 210
偏光フィルタの角度

 測定波長0.8um (Tweeter 0.7—0.9)
 領域Bの消光比: ER~3.6
 電磁波解析の計算値: 3—6程度→消光比は十分要求仕様を満たす

西岡くん(京大)スライド改変

Tweeter AO: PDI方式の原理実証1/2
光学試験による原理実証[f=80][f=170][f=100]点回折素子

傾斜10度e2v
EV76C570[φ=5.7: F/30]

ハロゲンランプ

光源

L1

PLF2

L2

絞り
PLF1

PBS

L3

カメラ

西岡くん(京大)スライド改変

Tweeter AO: PDI方式の原理実証2/2
平面波計測時+45度側（位相差0）-45度側（位相差π）

Tweeter AO: PDI 波面センサ
点回折干渉波面センサ(PDIWFS)
反射光路の試験を開始
点回折素子

𝐼0𝐼𝜋

(点回折素子)偏光ビームスプリッタ

偏光ビームスプリッタのピンホール内外で参照光・被検光に分割

𝐼−𝜋/2

𝐼𝜋/2
透過軸
西岡くん(京大)スライド改変

Tweeter AO: SHWFS津久井くんSEICA: 極限補償光学
要求仕様: 精度: λ/20, 速度: 5—10kHz, 測定点: 492 elements
FromTel.→Woofer DM
88 actuators

T/T

Tweeter DM
492 actuatorsBS1DM1BS2DM2BS3DM3

λ:0.4-0.5µm
λ:0.4—0.5μm

λ:0.5-0.7µm
λ:0.5—0.7μm

λ:0.7-0.9µm
λ:0.7—0.9μm

CPU1T/T sensor

Frame rate: 100HzLimiting magnitude: 16mag

Tip/Tilt: 10mas pointing

CPU2SHWFS

Frame rate: 1kHzLimiting magnitude: 12mag

FPGA

PhaseSensor

λ:1.0μm--Spectrograph

Frame rate: 6kHz
Limiting magnitude: 7mag

Woofer: 低速 [1kHz]
大まか [λ/4]
大-ダイナミックレンジ

Tweeter: 高速 [6.5kHz]
高精度 [λ/20]
高空間周波数: 242

after Woofer AO
0.3after Tweeter AO
0.90’’.5No AO
Strehl ratio 0.02

CoronagraphTweeter AO: FPGA制御1/2
Woofer 系の制御装置と処理速度の内容
800 [us]（横）2048×（縦）168 pix
浜松ホトニクス
CMOSカメラ
ORCA-Flash4.0 V2
C11440-22CU(WFSで利用)300 [us] 35 [us]1100 [us]65 [us]Fedora14 64bit(Linux kernel 2.6.35)
カメラ用デバイスドライバ
浜松ホトニクス提供

PCI Express

DM用デバイスドライバ
株式会社ステップワン

PCI

IO Board
LPC-292144

Camera Link Board(浜松ホトニクス指定） (インターフェース社製)

ALPAO
DM 88-25(可変形鏡)FPGA評価基板 ＋ カメラリンクフレームグラバTweeter AO: FPGA制御2/2(2018/4/28現在)

Tweeter 系の制御装置と処理速度の内容
目標：100～200 [us]（サンプル速度5～10kHz）
2500 [us]2.48 [us] ここまで伸ばしても 3～10 [us]（横）2048×（縦）504 pix（Wooferは→Wooferの3倍（Wooferはここで65+ [us]）35 [us]）FPGA評価基板（ザイリンクス製 Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU102 評価基板）

波面センサ
浜松ホトニクス社製
ORCA Flush 4.0 V2

フレーム
グラバ―ボード

可変形鏡（DM)
WFS入力処理（SHWFSの重心計算）

Sundance社製
FMC-CL

フィードバック
制御演算

DM出力処理Boston Micromachines 社製
DM492

SEICA: 全体進捗: 今回
ExAO: Woofer AO– 実験環境再整備: 岡山上空(フリード長10cm, 風速10m/s)– AO実験: 制御実験(@633nm)=>シミュレーションへ– 実機設計: 設計中 (ABCプロジェクト経費) 近赤外ではSR〜0.1程度

ExAO: Tweeter AO– 波面センサ: 点回折干渉計WFS原理実証中＋SHWFS開発中– FPGA制御装置：原理実証試験(カメラ読込)(TMT戦略経費)

コロナグラフ: SPLINE– プリズム/サバール板: 確保・原理実証済, 環境試験中– 実機製作開始：設計中 (TMT戦略経費)

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, 実証試験中

まとめ
極限補償光学の予算獲得に可能性がWoofer実機の製作進行中
Woofer試験の最終評価=>論文へWoofer試験の結果からシミュレーションへTweeterセンサー2種開発中
Tweeter制御用FPGA開発中