中小プロジェクト向け
CCD読み出しシステムの開発
東京大学 天文学教育研究センター 三鷹/木曽観測所

酒向 重行
加藤（東大卒）、中尾（北大）、征矢野（木曽）、木曽KWFC開発チーム「可視赤外線観測装置技術ワークショップ」 2012年2月22-23日
国立天文台 三鷹キャンパス すばる棟大セミナー室

アウトライン• 中小望遠鏡プロジェクトの装置開発• 木曽アレイコントローラ (KAC)• 完全空乏型CCD対応版KAC

中小望遠鏡プロジェクト• すばる、TMT、SPICAへ進む一方、大学を中心に研究用の中小望遠鏡の整備が進む• 大学間連携観測に参加の望遠鏡
広大1.5m, 北大1.6m, 石垣島1.05m, 京産大1.3m,鹿児島大1.0m、岡山
1.88m, MITSuME, 東工大明野MITSuME, ぐんま1.5m, 西はりま2.0m,東大木曽観測所1.0m,東京大miniTAO 1.0m,名大南アフリカ1.3m,美星1.0m• 特定の科学的トピックに集中して独自性を得る
 科学的に「とがった」装置がほしい中小プロジェクトの装置開発へのアプローチ• アプローチ 1 : こだわりの装置をすべて自作する– 人が育つ、チームに開発力がつく– 開発時間がかかる– 必要な項目に絞って開発すること• アプローチ 2 : 企業の確かな技術で作る– 光学系
国内には秀でた設計、製造の会社がある。
– 制御系
 積極的に利用すべき。
– 検出器 商用パーケージ品を購入• アプローチ 3 : 「2」の中から、１つ以上の独自開発項目をもつ

 全国に、自然と互助会ネットワークができる中小望遠鏡プロジェクトの装置開発を通して技術拠点とネットワークを構築
国内企業
ネットワーク

国内大学
ネットワーク

強度計算
真空冷却

光学設計
分散素子

低温対応
制御ソフト
気象観測
遠隔システム遠隔システム制御ソフト

DBシステム検出器
メカトロニクス

光学設計
望遠鏡
精密加工
システム
強度計算

気象観測

低温対応
メカトロニクス

分散素子

DBシステム
真空冷却
望遠鏡精密加工
検出器
システム
熱設計

りんごは青森、うどんは香川TMTを支えるのは中小望遠鏡プロジェクトの技術と人TMT
国内大学

国内大学

TMTへの準備とは、国内の大学と企業の技術ネットワークをつくること

木曽観測所が、自分たちのために開発したCCD読み出しシステム

木曽アレイコントローラ KAC

木曽観測所 超広視野カメラ

KWFC (Kiso Wide Field Camera)
視野: 2°x 2°

CCD : MIT社製 2k x 4k (2ch出力)
x 4台
SITe社製 2k x 4k (2ch出力)
x 4台

読み出しシステム
木曽観測所で独自に開発したシステム
Kiso Array Controller; KAC

KACの構成図Linux PC

KWFCの場合

Interface社
PEX-292144 x2枚clock

ADC #1#2#3#4

DRV #1

#2

#3

#4

data

CCD
x8台

LVDSボード

preAmpなし

IFボードへ電源

LVDS信号(LANケーブル, <10m)

KACのアナログボードの構成
KWFCの場合

ADC用マザーボード

LVDSボード

4ch ADCボード
x 4枚

IFボード

DRVボードMIT-CCD用 x 2枚
SITe-CCD用 x 2枚
DRV用マザーボード

KACの完全空乏型CCDへの対応
KWFC用システムを設計しはじめたころ、「浜松ホトニクスの完全空乏型CCDを動かせないか？」
何件も問い合わせを受ける、国立天文台が大型プロジェクトが多忙になり、CCD読み出しシステムのサポートに手が回らなくなったことが背景に、あるようだ。
よくよく思い出してみれば、日本のCCD技術は木曽観測所から旅立っていったもの。
もう一度、木曽から頑張ろう。自分たちが使いやすい読み出しシステムを開発してみよう。

木曽観測所が、中小規模プロジェクト向けに開発したCCD読み出しシステム

完全空乏型CCD対応版 KAC

蕎麦といえば、木曽CCD読み出しといえば、木曽KACの系譜
1998
MICS中間赤外線装置用コントローラ
2003
COMICS中間赤外線装置用コントローラ

かたざ、宮田(D論)
創始者

かたざ、酒向(D論)FPGAでクロック生成、DMA転送、低消費ADC

2008
miniTAO赤外線装置用コントローラ
TAC

酒向、本原、内一LVDS採用、RealTime-OS採用  丌評
FPGA処理をすべてソフトで実行

2012
木曽観測所CCD用コントローラ
KAC

酒向、征矢野、加藤(M論)、中尾(M論)
非RealTime-OS、低ノイズ化、シンプル化

2014
TAO中間赤外線装置用コントローラ
TAC2

酒向、岡田(卒論, ポスター)
大容量データをどうしよう、設計中KACのデザインポリシー
中小望遠鏡プロジェクトが必要としているもの

 駆動するCCDを限定 最大8台、専用のDRVボード シンプルな構造

 調整機能を減、スイッチポン

 低コスト アナログ+デジタルで50万円

 アップグレードを容易に 母ボード、娘ボードの構成に

 情報をすべて公開
 入手性の良い部品
 開発体制が丌十分なグループには提供しない
以上の制限のなか、最高の性能を得る

ユーザが機能を理解ユーザがメンテユーザが育つ完全空乏型CCD対応版 KAC
浜松ホトニクス 2k x 4k (4ch出力) x1台用 アナログボード

高電圧と正方向シグナルに対応

10cm (3U)

メインボード16cmLVDSボード

KACのアナログボードの構成
浜松ホトニクス 2k x 4k (4ch出力) x1台用 アナログボード

4ch ADCIFLVDS
CCD
4ch

電源+60V, +12V,+7V, -7V,-26V, +3.3V

preAmpなし

DRV

KACの構成図Linux PC

浜松ホトニクス 2k x 4k (4ch出力) x1台用

Interface社
PCIexpress-bus
PEX-292144 x2枚

デジタルデータ処理用のプロセッサ（DSP、FPGA）も持たないことが特長

10MHz
内部同期信号

すべて計算機上でおこなう。
4ch ADC

IFclock/16 data/16

パラレル(1m)

CCD
4chLVDSボード

電源

preAmpなし
DRV

LVDS信号(LANケーブル, <10m)アナログ部 ADCボード
入力オフセット調整 同設計の4回路
 16bit 500ksps 完全差動ADC
 3次LP差動ベッセルフィルタ
 多重サンプリングによるCDS#1#2#3#4 両極性（正負）信号に対応

RG

ADC

 CCDゲイン（e-/ADU）は抵抗RGのみで設定
Clamp

PreAmpInstr. Amp

3rd LP filter (BW=700kHz)

ADC
RG

アナログ部 DRVボード CCDによって交換
 8種クロックを出力
 7種バイアスの出力 一部バイアスは2ステートに切替え可

 調整機能なし（半固定） 電圧モニタ機能。適正電圧を確認後に、自動で出力ON
浜松完全空乏型用

MIT社, SITe社用

e2V社用

計画未定

アナログ部 IF + LVDSボード
LVDS/パラレル変換器

clock転送用
同期クロックLVDS/パラレル変換器

FPGA

16bit

LVDS

clock
16bit

frame-data転送用
同期クロック

frame-data
LVDSボード

IFボード

LVDS差動シリアル信号
LANケーブルを利用
最大長10m

10MHz同期
パラレル信号
最大長1.5m

 FPGAがADCデータをハンドリング。オンボード処理なし。

 LVDS信号に変換して長距離を転送

デジタル部 I/OボードとDAQ
36,540円 @通販サイト

 Interface社 PEX-292144
 PCIexpress-bus
 DMA(Direct Memory Access)転送バスマスタ式

Linux PC

10MHz内部
同期クロックメインメモリclock pattern buffer

最大20Mbyte/s
PEX292144

最大20Mbyte/s

DMA

00010111101010101010
10101001010100010101
10101001010010110001
010100….

frame data buffer

PEX292144

DMA

01101101011110101010
10101010101000101000
10111011010100101001
01001110001010100….

遂次
間欠的
展開

遂次
CPU
間欠的
転送

SSD

10MHz外部
同期クロックデジタルデータ処理用のプロセッサ（DSP、FPGA）も持たないことが特長
すべて計算機上でおこなう。

ソフトウェア
 付属のLinuxドライバを介して制御
 核となるソフトウエアは３つあらかじ作成しておく cｌｐ （クロックプロセッサ）
使い方: clp [クロックパタンファイル名]
ADCの出力そのまま

 frp （フレームプロセッサ）
使い方: frp [データ数] [rawデータファイル名]
最低限のヘッダが付加

 r2f （rawデータ  fitsデータ変換）
使い方: r2f [rawデータファイル名] [fitsファイル名]※CDSや配列変換はここでおこなわれる これらと他の支援ソフトを、スクリプトで順に実行すれば、欲しい画像データが得られる

性能試験の結果
 デジタル性能• 2kx4kCCD x8台を20秒で安定に読みだせることを確認 @KWFC
 12.8 Mbyte/secに相当• LVDSケーブル距離 約8mで安定運用 @KWFC• 安定したソフトウェア動作 @KWFC

 アナログ性能• 全機能が安定に動作• 読み出しノイズ～5e- @浜松完全空乏型CCD, 実験室（今後、調整により～3e-まで下がる可能性）• 線形性、温度安定性

未評価※KWFCの試験観測では天文観測に十分な値が計測されている開発の道のり
KWFC用KAC

完全空乏型対応KAC

JAXA/SPICA

2009/4
JAXA/SPICA

NAOJ CCD貸不設計、動作試験
京都3D、青学X線(東大M1-2加藤)NAOJ CCD情報提供

JAXA/SPICA
加藤M論

2011/4

2012/4

詳細試験
NAOJ(KWFCチーム)
東大共同利用開始北大
設計、動作試験(北大M2中尾)
北大へ
中尾M論

JAXAへ

詳細試験
(北大D中尾、東大M橋場)

2013/4
北大NaCSでファーストライト

東大へ

まとめ
 中小プロジェクトに適したCCD読み出しシステムを開発
 木曽観測所KWFCの読み出しシステムKACを完全空乏型CCDに対応させたもの
 北大1.6m望遠鏡をはじめ、複数の用途に導入されはじめている
 TMTと中小プロジェクトの溝をどのように埋めるべきか？
キーワードは「人」と「名産」。

真空、冷却システム
 低価格の冷凍機をつかってみる
 -130℃程度までは冷える
ツインバード工業
スターリング冷凍機
SC-UD08 80W

浜松ホトニクスCCD試験用のデュア