CTA報告176: CTA大口径望遠鏡初号機における分割鏡制御システムの試験運用現状
深見哲志A, 野田浩司A, Ievgen VovkA, 稲田知大A, 奥村曉B, 小原光太郎C, 加賀谷美佳A, 片桐秀明C,齋藤隆之A, 手嶋政廣A,D, 千川道幸A, 山本常夏E, 吉田龍生C, 他 CTA-Japan Consortiumプ

東大宇宙線研A, 名大 ISEE/KMIB, 茨城大理C, マックス

ランク物理学研究所D, 甲南大理工E

CTA 大口径望遠鏡 (Large Size Telescope, LST)
2018年10月完成、現在は安定観測中
望遠鏡の光学系仕様

1.5 m- 放物面鏡（分割鏡198枚で構成）- 口径 : 23 m (反射面積 : ~400 m2)- 焦点距離 : 28 m

28 m

分割鏡の仕様- 正六角形球面鏡（曲率半径 : 56 - 58.4 m）

23 m- 対辺距離 : 1.5 m (表面積 : 2.0 m2)- 質量 ~50 kg（アルミハニカム構造）- 鏡面5層コーティング

D80 測定@ICR
mirror No. 74- 結像性能(仕様値) : < 16.7 mm @ 1f

20秒で180 回転可能

(焦点面pixelの1/3)
D80 : 13.8 mm

R

物理学会第76回年次大会 online, 2021/3/13(突発天体に対応)
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深見哲志

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Active Mirror Control (AMC) システム
分割鏡に最大4分角程度の歪み (焦点面1ピクセル以上)
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

~ 1m

鏡面の方向ずれを観測中にリアルタイムで制御

天頂角:90°-11.9 mm-10.9 mm+1.0 mm-10.2 mm-10.1 mm-10.2 mm-0.1 mm

設計シミュレーション

1 mm difference (corr. 4 arcmin) Baseline Design Document for LST, 2013
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AMC 観測モード
観測時2つのリアルタイム補正モード
1. Look-Up Table (LUT)モード- 通常観測前の較正試験として、明るい星を追尾アクチュエータし、天頂角ごとに各分割鏡スポットをCCDカメラで撮影しながら方向を調整し、調整時のアクチュエータの長さをテーブルに記録する- 通常観測時は観測天体の天頂角に対応し

レーザーたテーブルを読み出して調整

CCD

カメ

近2. CMOSカメラモード

ラ赤外線

歪みの天頂角依存性を補正- 各分割鏡のCMOSカメラが焦点面の参照

CMOSカメラレーザースポットを撮影し、スポット位置のずれからリアルタイムの方向調整を行う

温度変化や強風での方向補正も可能
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AMC 観測モード
観測時2つのリアルタイム補正モード

本講演

1. Look-Up Table (LUT)モード- 通常観測前の較正試験として、明るい星を追尾アクチュエータし、天頂角ごとに各分割鏡スポットをCCDカメラで撮影しながら方向を調整し、調整時のアクチュエータの長さをテーブルに記録する- 通常観測時は観測天体の天頂角に対応しレーザーたテーブルを読み出して調整

CCDカメ

近2. CMOSカメラモード 準備中

ラ

赤外

線

歪みの天頂角依存性を補正- 各分割鏡のCMOSカメラが焦点面の参照

CMOSカメラレーザースポットを撮影し、スポット位置のずれからリアルタイムの方向調整を行う

温度変化や強風での方向補正も可能
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AMC 制御構造
ソフトウェア構造 :ハードウェア構造 :- AMC master server (地上): slave serverを統括- 望遠鏡内に16 個のAMC制御用ボックス- 16 × AMC slave server (望遠鏡内):- PC (slave server)

アクチュエータ、CMOSカメラを直接操作- DC変圧器- ネットワークスイッチ- 温湿度計- 各ボックスが最大13枚のミラーを制御
AMC GUI

試験用スクリプト

Telescope Control Unit (TCU)
OPCUA(自動制御通信規格)

AMC

AMC master server (C++)

cameraOPCUA

AMC slave server

16 (C++)

plugin ライブラリ (C)Ethernet
13 CMOSカメラ

drive
auxiliary
etc.

IEEE 802.15.4
26 actuators

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LUT作成過程 1

焦点面

1. ミラースポット画像の撮影
step 0 : ある天頂角範囲で明るい星を追尾

1 group

Step 1 : 1グループの全ミラースポット(12-13枚)をdefocus positionからスクリーンから少し離れcenter(1 mirror)
screenた場所に移動Step 2 : グループの各ミラーについて
Step a : スクリーン中心付近にスポットを移動
repeatfor 16
groups

400 mmdefocused

Step b : 望遠鏡中心のCCDカメラで撮影
Step c : 片方のアクチュエータを数mm伸ばす
Step d : 望遠鏡中心のCCDカメラで撮影

アクチュエータ変位とスポット変位のStep e : もう片方のアクチュエータを数mm伸ばす
Step f : 望遠鏡中心のCCDカメラで撮影

変換係数の計算に使用（各ミラーで最初の一度だけ）

Step g : 再びスクリーン中心から少し離れた場所に移動
Step 3 : グループをdefocus positionに戻す
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スクリプトにより上記手順は全自動化！
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LUT作成の流れ 2
2. スポットの画像解析- 各ミラーについて- アクチュエータ単位長さあたりのスポット変位 !
c2 を計算 (p7 step2, c-fの画像を解析)
c1 !

c を計算 (p7 step2, bの画像を解析)- ミラースポットの位置と焦点面カメラの中心の変位 ~- 各アクチュエータの伸縮長(a1 a2 )を下式で計算✓焦点面カメラ中心!
!
~c = a1 c1 + a2 c2

伸縮後の長さをLUTとして記録

a1a2

◆

!
!
1= ( c1 c2 ) ~c!
c1 : 単位ベクトル (アクチュエータ 1)!
c : 単位ベクトル (アクチュエータ2)
2!
c2!
c1

ミラースポット

物理学会第76回年次大会 online, 2021/3/13~c : 焦点面カメラ中心(a1 a2 ) : アクチュエータの伸縮長
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8天頂角ごとのLUT- 複数の天頂角範囲でLUTを作成- 小天頂角 : 15 - 25 deg- 中天頂角 : 35 - 45 deg- 大天頂角 : 50 - 60 deg- D80 (80%の光量が入る円の直径): 3つの範囲とも~32-33 mm
焦点面検出器1ピクセル(50 mm)に十分収まる結像性能を実現

low-zd LUT

50 m(0.1 deg)

middle-zd LUT

high-zd LUT

直径D80の円焦点面ピクセルサイズm

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9LUTの内挿- 実際の天体追尾では天頂角が連続的に変化求めた3つの天頂角範囲のLUTの値を内挿して各天頂角でのLUTを計算- 内挿方法 :interpolation LUT (1グループの26アクチュエータ)- 基準点の決定- 0°, 20°, 40°, 55°- 0°は20°と同じ値を使用- 補完方法
- 基準点間を線形補完

ミラー画像取得範囲
15°-25°, 35°-45°, 50°-60°

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10fi

内挿LUT : 性能評価
- 中-大天頂角において、小天頂角LUTと内挿LUTでのスポットサイズを比較- 小天頂角LUT : 大天頂角で大きく、天頂角とともに低下- 内挿LUT : 広い範囲でほぼ一定
D80 vs zd
xed low-zd LUT

vertical up

interpolation LUT

vertical up

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11LUTの内挿 2- 基準天頂角を20°, 40°, 55°からミラー毎に異なるスポット撮影時の天頂角に変更- スポット撮影時に星の天頂角が徐々に変化（現スクリプトで1グループ20分 : 最大5°）
ミラー毎により正確なLUT

修正版 内挿LUT (各グループから1アクチュエータ)- 内挿方法 :- 基準点の決定- スポット撮影時の天頂角- 0°は小天頂角と同じ値- 補完方法
- 基準点間を線形補完
ミラー撮影時の基準天頂角

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内挿LUT 2 : 性能評価
- 小-中天頂角において、小天頂角LUT(前出)と新しい内挿LUTでのスポットサイズを比較- 小天頂角LUT : 中天頂角から天頂角とともに低下- 内挿LUT : 小中天頂角でほぼ一定- zenith 35°-40°では2種類の内挿LUTがほぼ同じD80値を示している
D80 vs zd

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13まとめと今後
まとめ- LST初号機の分割鏡の初期方向補正試験を行った。
- AMCの2種類の運転モードのうちLUTモードでの観測を目指し、LUTの作成を行った。
- 3種類の天頂角範囲でLUTを作成し、それぞれのLUTがD80 ~33 mmの集光精度を達成した。
- 2種類のinterpolation LUTを求め、広い天頂角範囲でほぼ一定の集光性能が得られることを確認した。

今後- 集光精度向上のため、異なる内挿方法でのinterpolation LUTの精度比較を行う。
- CMOSモードを実装する。

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