CTA報告 129 :CTA大口径望遠鏡用分割鏡制御システムの開発状況
深見哲志A，手嶋政廣A,B，野田浩司C，稲田知大A, 奥村曉D，加賀谷美佳E，片桐秀明E,黒田隼人A，齋藤隆之A，千川道幸F，中嶋大輔A，林田将明G，山本常夏H，吉田龍生E，李健F，他CTA-Japan consortium
東大宇宙線研A，Max-Planck-Inst. fuer Phys.B，IFAEC，名大ISEED，茨城大理E，近畿大理工F，千葉大理G，甲南大理工H

1

2017/9/13 秋季物理学会@宇都宮大学

CTA大口径望遠鏡
現在建設中、2018年夏頃初観測予定
望遠鏡全体の光学的特性. 放物面鏡（ 分割鏡約200枚で構成）. 口径 : 23 m
. 焦点距離 : 28 m
. 20秒で180 回転可能 (突発天体に対応)

28 m

分割鏡.
.
.
.
.

分割鏡約200枚球面鏡
対辺距離 : 1.5m
焦点距離 : ~28m

23 m1.5 m

重さ ~50 kg
集光精度(仕様値)
16.7mm @ 焦点(焦点面pixelの1/3)
2

2017/9/13 秋季物理学会@宇都宮大学

AMC (Active Mirror Control) システム
方向制御の必要性
・

焦点面イメージの変形

分割鏡に生じる方向の歪み (最大4分角程度)
望遠鏡の自重による天頂角に依存した構造体の歪み
強風、気温による構造体の変形

天頂角:0-10.9 mm

角度分解能の低下及びγ線の識別性能の低下

天頂角:90~ 1m-11.9 mm-10.9 mm-10.2 mm-10.1 mm-10.2 mm
1mm / 1m [rad] ~ 4 arcmin
3

Baseline Design Document for LST, 20132017/9/13 秋季物理学会@宇都宮大学

分割鏡方向補正過程
光検出器（PMTs）
レーザースポット

光軸

焦点面⓪ 方向変化が非常に小さい望遠鏡中心から焦点面にレーザーを照射する① 各分割鏡が正しい方向を向く時、固定されたカメラで焦点面のレーザースポットを撮影する

CMOSカメラCMOSカメラレーザー(DMK23GM021)
近赤外線レーザー. 読み出しレンジ : 8 bit. 1280 960 pixel. 使用レンズ: f=25 mm

780nm, 5mW
42017/9/13 秋季物理学会@宇都宮大学

分割鏡方向補正過程② スポット位置を解析し、基準点とのずれを計算する③ 分割鏡を支えるアクチュエータの長さを調整することでスポットの位置を元に戻す
現在の位置
基準点

分割鏡 200枚

光軸
カメラの焦点面画像

アクチュエータ...
レーザー
近赤外線レーザー

方向制御. 日本とチューリッヒ大の共同生産. 5 μmの精度で伸縮可能( ① ~ ③ ) の操作を200枚分行う

780nm, 5mW
52017/9/13 秋季物理学会@宇都宮大学

分割鏡グループと制御PC(☆印)

AMCシステムデバイス. アクチュエータ、CMOSカメラ、分割鏡

1
1333
3

初号機分の製作完了、現地に輸送済み

666. その他 (インターフェースプレート、CMOSカメラジグ、無線モジュール等)
ほぼ全て製作完了、現地に輸送済み

671111141114141412151512151515161013101313131610101013161610101351010161615101313

55109161659131255101313

1215
15

9859981212995559812151598121215

14881212141485995524422498122978

14422447811242224481114147141

77111114722144771117211477111117611

年内に製作、現地に輸送予定 (1台が約13枚の分割鏡を制御)

6111336611361113366. 電源ボックス（+ 制御PC、ネットスイッチ等）

333631131316161616

インターフェースプレート

電源ボックス

防水アンテナ（TWE-AN-D114）
CMOSカメラ固定ジグ

AMC制御PC
6無線モジュールXBee(XBP24-ASI-001)

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AMCシステム稼働試験
・ 現状のAMCシステムの性能確認のため、以下の2つの試験を実施

Ⅰ 試験構造体を用いた実地試験＠Max Planck Institute(MPI)・ 28 m離れた場所のLEDを用いて2枚の分割鏡の方向を同時に補正（7晩の測定）＊ 試験構造体 : 大口径望遠鏡の1/8を模した構造体

試験構造体
AB

Ⅱ 実際と同じハードウェア（PC、アクチュエータ、カメラジグ等）を用いた試験＠宇宙線研・ 28 m離れたLEDを用いて分割鏡を補正（1晩の測定）

分割鏡@宇宙線研
A,B2枚の分割鏡を試験
LED
red LED

スクリーン (構造体の28m先)スクリーン (鏡の28m先)
7

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試験方法① カメラ画像上においてスポットをランダムに動かす。

（アクチュエータをランダムに動かす）② 分割鏡補正過程を行いスポットを元の正しい位置に戻す。

10（AMC補正1回目）③ この状態からもう一度分割鏡補正を行う。

（AMC補正2回目）

AMC補正1回目① ~ ③ のループを繰り返し行い、制御の安定性を確認

LED拡大画像（左図から重心解析によりスポット位置を算出する）

AMC補正2回目

結果1 : AMC補正 (②,③) 後のスポット位置の2次元分布
結果2 : 補正後スポット位置の目標点からのずれの大きさ分布
結果3 : 一回のAMC補正にかかる制御時間82017/9/13 秋季物理学会@宇都宮大学

結果1 : 補正後のスポット分布

700

500

3500

0.43000-0.2

2000-0.4

1500

200-0.6

1000

100-0.8

0-1-1300-0.6

1 pixel ~ 31秒角
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

00.2

0.4

0.6 0.8
1x residual [pixel]

1350.8
30

0.6
0.4

2500

0400

-0.4

y residual[pixel]

4000

0.6

0.2-0.2

II

4500

0.8

600

0-1-1900800(鏡Aの結果のみ。 0.60.4
鏡Bもほぼ同じ0.2結果。)-0.8

y residual [pixel]

0.8

要求精度円 (半径14秒角)

2回目補正後のスポットの位置
1

y residual[pixel]y residual [pixel]

I

1回目補正後のスポットの位置
1

1 pixel ~ 31秒角
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

00.2

0.4

500

0.6 0.8
1x residual [pixel]

11400.8

120

0.6
0.4

250.2

1000.2
20080

015-0.2-0.4-0.2

60-0.410-0.640-0.65-0.8-1-10-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

00.2

0.4

0.6 0.8
1x residual[pixel]

20-0.80-1-1-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

00.2

0.4

0.6 0.8
1x residual[pixel]

0

AMCの要求精度(14秒角)以内に十分補正可能
92017/9/13 秋季物理学会@宇都宮大学

countI

1st alignment

8000
7000
6000

Entries

30646

Mean0.1225

RMS0.07036

IIcount

結果2 : 補正後のずれの大きさ分布
hist_res_1

350
300

Entries

1457

Mean0.1442

RMS0.07038

2nd alignment

hist_res_2

Entries

30646

Entries

1457

Mean0.05225

Mean0.06334

RMS0.0287

RMS

0.03352

250

5000

200

4000

150

3000
100
2000
50

1000
00・

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

000.8 0.9
1residual [pixel]

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9
1
[pixel]I,IIの結果共に
・1回の補正の場合は平均約3-4秒角の精度で制御可能

・2回の補正の場合は平均約2秒角の精度で制御可能

・

1回の補正でも要求精度を下回る確率は~10-4程度(0.02/200枚)-> 1回の補正(5秒程度)で十分な精度を達成
10

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AMCソフトウェア
CTA内で個々に開発された各システムについて、以下を実現するソフト開発が必要

1. 統一のオートメーション用通信規格OPCUAを用いた制御・ 異なる通信規格のデバイスを最終的に1箇所から制御・ CTA内でのOPCUAの開発、管理の簡易化

2. 観測用GUIによる制御 + デバッグ用GUIによる制御
・ 直感的なシステム操作 + デバッグを効率化するためのインターフェースの構築

Telescope Control
本観測用

drive

AMC part

GUI

Camera Control

...

OPCUA

AMC master PC

AMC PC

OPCUA

デバッグ用

AMC PCGUI

plugin ライブラリ
ethernet
13 CMOSカメラ

15

IEEE 802.15.4...
今回はデバッグ用GUIを開発

26 actuators11

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AMCソフトウェア
・ 1グループ用の分割鏡制御のデバッグGUIを作成し、3枚分の制御により動作を確認

アクチュエータとの接続状態モニター

接続失敗
接続成功
無線通信強度を表す色

12

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まとめ・ CTA大口径望遠鏡AMCシステムは、現行の望遠鏡と比べ1桁以上の高感度、高分解能のガンマ線観測を実現させるために必要不可欠な能動的分割鏡制御システムである。
・ CTA大口径望遠鏡初号機の建設に向け、AMCシステムを構成する多くのデバイスは製造が完了し、建設地に到着した。
・ LEDを用いて、MPIでの実地試験と最新ハードを使用した宇宙線研での試験により、現在のAMCシステムの補正精度が十分であると確認した。
・ AMCデバイスを制御するGUIを作成し、直接デバイスに接続したAMCPCからそのGUIを通して動作を確認した。

今後の予定
今年末頃まで : ・ 一部の分割鏡を初号機にインストールし、各種AMCデバイスのセットアップと動作確認を行う。
・ ICRR等で実際のレーザーを用いたAMCシステムの性能評価を行う。

年度末頃まで : ・ 初号機にレーザーとスクリーンを搭載し、初号機にてシステム性能評価を行う。
・ OPCUA経由で制御する観測用のGUIを開発する。

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