SEICA極限補償光学のWooferシステム制御

大阪電気通信大学
工学部 電子機械工学科
EH14A079
藤田 勝

発表内容
1.背景
2.補償光学装置概要
3.現在の状況
4.検証

4.1.風速を変えての実験
4.2.光軸ズレの検証

5.結言

1.背景
太陽系外惑星・太陽系外の恒星を中心に周回する惑星・観測技術の発達・ケプラーの打ち上げ→2000以上の太陽系外惑星が確認

ハビタブルゾーン・ 宇宙で生命が誕生する可能性がある
・ 惑星表面に液体の水が存在する空間
・ 2008年，惑星候補の光子の直接観測
太陽系外惑星概要図(Kepler 452b)
出典:https://www.nasa.gov/keplerbriefing0723

現在の直接観測の技術（直接撮像）ではより詳しい解析は困難

1.背景

SEICA

(Second-generation Exoplanet Imager withCoronagraphic Adaptive optics)

SEICA
搭載予定

研究目標
木星型惑星の直接観測と調査
次世代技術の開発

京大岡山3.8m望遠鏡

・各種先進技術のテストベッド
・極限補償光学系が搭載
・京大岡山3.8m望遠鏡に設置

SEIT(Second Earth Imager for Thirty meter telescope)

30m望遠鏡

補償光学システムの開発を行う

補償光学装置概要

望遠鏡

出典:すばる望遠鏡補償光学系のガイド星生成用レーザーの開発

http://subarutelescope.org/Pressrelea
se/2005/07/06/j_index.html

DM(可変形鏡)

大気ゆらぎ
観測装置

制御器

WFS(波面センサ）

補償光学装置概要
波面センサ(WFS: Wave-Front Sensor )• 浜松ホトニクス社製 ORCA-Flash4.0 V2
レンズアレイCMOSカメラ星の光平行光が入射すると各レンズ毎の焦点に結像波面が乱れるときは結像点の移動量より波面の傾きを測定

補償光学装置概要

可変形鏡（ALPAO社製 ALPAO DM 88-25）

ピッチ2.5mm
Φ20(有効径)

MirrorSpring
Posts
Electrodes

Actuation principle of DM7補償光学装置概要 制御器周辺 作用行列
波面が乱れた観測光
鏡面の変形

φ ref +制御器

ＤＭMφM-1－M-1

 M inv −11d
 1  :  =  M inv − 21
   :
 d n   M inv − n ,1

 x1 
M inv −12 ⋅⋅⋅ M inv −1,2 m   :  M inv − 22 ⋅⋅⋅ M inv − 2,2 m   xm   y1 :: 
M inv − n ,2 ⋅⋅⋅ M inv − n ,2 m   :   ym 疑似逆行列

波面乱れ計測(xG-i, yG-i )WFSM
 x1  :  M M ⋅⋅⋅ M1n    11 12d  xm  M 21 M 22 ⋅⋅⋅ M 2 n   1 
 : =
:  
 y1   : :d  :   M m1 M m 2 ⋅⋅⋅ M mn   n   
非正則な写像 ym 

補償光学装置概要 制御器周辺 作用行列
DMとWFSの間の相関を測定し多項式近似する
DMの変位にともなうWFSのセンシング

DMの変位（一つずつ一定時間変位）補償光学装置概要

現在の状況 DM素子選定■＜5.0＜■0.200499 0.345211 0.450182 0.401188 0.331592

0.202670.260397 0.440942 0.545867 0.611573 0.633837 0.587958 0.469602 0.247471

0.188761 0.449884 0.547321 0.767091 0.830673 0.773835 0.698487 0.607232 0.478752 0.216352

0.336518 0.548766 0.711108 0.820817 0.809976 0.838437 0.869287 0.732567 0.535985 0.362058

0.435856

0.67991 0.806733 0.898595 0.769313 0.848026 0.864285 0.815803 0.629655 0.469902

0.427334 0.722339 0.804632 0.850749 0.913118 0.822186 0.812833 0.869493 0.689872 0.460235

0.375017 0.614397 0.854376 0.822981 0.888191 0.851859 0.912569 0.835937 0.626279 0.433757

0.246102 0.538219 0.652655 0.791341 0.847725 0.832096 0.741823 0.668172 0.569797 0.273862

0.303406 0.515813 0.615114 0.643879 0.715914

0.64071 0.603228 0.353611

DM24𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

DM34𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

DM44𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

DM54𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

DM64𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

DM74𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅：現在使用している素子

0.297591 0.438806 0.586921 0.558083 0.482889 0.317436

有効径Φ20

実験結果
サイエンスカメラの撮像データ

観測光が広がり，輝度も低い観測光が中央に集中し，輝度が高い

波面補償無し波面補償有り輝度値(peek-peek)
NoAO 9500-10000
WithAO 10000-62000

現在の状況
・原点からの距離（全開口）
平均0.3623[pix]標準偏差0.1968[pix]・原点からの距離（peek-peek）
平均0.7250-0.1777 [pix]標準偏差0.4098-0.1032 [pix]実験結果
開口No.11(最悪)開口No.48(最良)実験結果

大気位相板の影響？
光軸ズレ？

補償のかかりが悪くなっていく

風速を変えての実験

大気位相板
設定した速度に対して，通過点の端では約±4.0[m/s]の差が出る

現在，左側は約1.4倍の位相変化を補償している（右側は約0.6倍）●：位相板●：光の通過場所●：風速設定の点風速を変えての実験
それぞれの風速での軌跡を重ねて比較

平均位置

移動平均

ほぼ一致してるように見えるが・・・

6m/s

10m/s

14m/s

MAX.

0.85750.84580.8100MIN.

0.17980.18990.2003AVE.

0.37690.3916

0.3852

MAX.

0.46210.51640.3634MIN.

0.09740.12080.1247

AVE.

0.20760.21530.2056

光軸ズレの検証■＜0.5＜■0.200499 0.345211 0.450182 0.401188 0.331592

0.202670.260397 0.440942 0.545867 0.611573 0.633837 0.587958 0.469602 0.247471

0.188761 0.449884 0.547321 0.767091 0.830673 0.773835 0.698487 0.607232 0.478752 0.216352

0.336518 0.548766 0.711108 0.820817 0.809976 0.838437 0.869287 0.732567 0.535985 0.362058

0.435856

0.67991 0.806733 0.898595 0.769313 0.848026 0.864285 0.815803 0.629655 0.469902

0.427334 0.722339 0.804632 0.850749 0.913118 0.822186 0.812833 0.869493 0.689872 0.460235

0.375017 0.614397 0.854376 0.822981 0.888191 0.851859 0.912569 0.835937 0.626279 0.433757

0.246102 0.538219 0.652655 0.791341 0.847725 0.832096 0.741823 0.668172 0.569797 0.273862

0.303406 0.515813 0.615114 0.643879 0.715914

0.64071 0.603228 0.353611

0.297591 0.438806 0.586921 0.558083 0.482889 0.317436

作用行列Mの要素の値（DM→WFSの相関の強さを示す）

上方に比べ下方のスコアが良く，光軸ズレが懸念される

作用行列
波面が乱れた観測光
鏡面の変形

φ ref +制御器

ＤＭ

M

φM-1

－M-1

 M inv −11d
 1 
 :  =  M inv − 21
   :
 d n   M inv − n ,1

 x1 M inv −12 ⋅⋅⋅ M inv −1,2 m   :  M inv − 22 ⋅⋅⋅ M inv − 2,2 m   xm   y1 :: 
M inv − n ,2 ⋅⋅⋅ M inv − n ,2 m   :   ym 疑似逆行列

波面乱れ計測(xG-i, yG-i )WFSM
 x1 
 :  M M ⋅⋅⋅ M1n    11 12d  xm  M 21 M 22 ⋅⋅⋅ M 2 n   1 
 :
 =
:  
 y1   : :d  :   M m1 M m 2 ⋅⋅⋅ M mn   n   
非正則な写像 ym 

光軸ズレの検証■＜1.0＜■2.659622 2.310105 1.809231 1.730337 2.500892 2.990748

2.365566 1.135161 0.961389 0.573071 0.374954 0.621599 1.038698 0.931205

2.581235 1.239365 0.546591 0.343625 0.201868 0.137751 0.243405 0.247856 0.519827 1.325141

1.056752 0.787565 0.261042 0.151115 0.108977 0.078275 0.117082 0.142498 0.220091 0.731652

0.569177 0.404042 0.202391 0.102608 0.083684 0.068774 0.067891 0.098487 0.153101 0.352437

0.677662 0.284925 0.176662 0.116474 0.068745 0.070926

0.06963 0.077118 0.108502 0.338475

1.039105 0.400592 0.211155 0.119093 0.070709 0.059987 0.056249 0.063558 0.145795 0.490442

1.361163 0.549109 0.307283 0.149445 0.094492 0.078123 0.078235 0.121523 0.375767 0.768749

0.852274 0.378992 0.213154 0.185059 0.128183 0.165607 0.371054 0.389497

1.571525：実際の中心点

1.00548 0.399876 0.263899 0.463876 0.638005

擬似逆行列M−1 の要素の値（WFS→DMの相関の強さを示す）

ズレによりレンズアレイで作られる結像点の輝度が低い（？）

光軸ズレの検証
通常時

移動時どこかの素子が動く

反応の良い開口反応の悪い開口□：開口●：光が入っている全体位置●：ピークが立ちうる位置

結言
◆まとめ
ＤＭの素子を決定し補償をかけた結果，開口それぞれの抑圧度合いに差が出ており，その原因を調査した．
その結果，光軸ズレに依る開口のピークの立ち方に依って，取得される作用行列要素が変わる為，補償に差異が現れていると推定した．
◆今後の予定・素子選定時の作用行列取得回数を複数回の平均にすることにより対応．（済）・また，その取得回数を幾度取得すれば安定した抑圧ができるかの調査．（現在は10回取得しているが…）
・他の要因がないかのさらなる調査．