2023年度せいめいUM#5 @ 京大+zoom

2023/9/12—13

系外惑星撮像装置SEICA開発：
全体進捗○山本広大(京都大学),

長田哲也, 栗田光樹夫, 木野勝,
○津久井遼 (京都大学),入部正継, 高橋陸, 大谷拓也(大阪電気通信大),河原創(東京大学), 小谷隆行(ABC/NOAJ),
村上尚史(北海道大学),
田村元秀(東京大学/ABC/NOAJ)

本日の内容
・SEICAの紹介/進捗 (山本)設計, 試験,・点回折干渉計型波面センサ (津久井)0Keck 2005 H band
P1640 J and H band

(0.98 [0.42], 0.99+)(0.10 [0.43], 0.99+)(0.42 [0.38], 0.99+)(0.58 [0.38], 0.99+)(0.14 [0.36], 0.99+)(0.74 [0.35], 0.99+)(0.64 [0.90],0.77)(0.35 [0.87],0.77)(0.01 [0.83], 0.59)(0.64 [0.80], 0.92)(0.19 [0.96], 0.11)(0.27 [0.92], 0.28)

SEICA (Second-generation Exoplanet Imager with Coronagraphic Adaptive Optics)
Note. — Confidence limits at which two pairs of planets’ (scaled) photometry differ as determined from the goodness-of-fit statistic given the number of degrees of freedom – Ndata- 2 for scaled photometry, Ndata -1 for non-scaled photometry – and the χ2 value. For HR 8799 bcd comparisons, Ndata = 7 while comparisons with HR 8799 e have Ndata = 5. The
different rows indicate the nominal case, using photometry listed in Table 4, the Currie et al. (2012b) H-band photometry, and the Oppenheimer et al. (2013) J and H photometry.
The two entries (enclosed by parentheses) list the correlation from scaling the planets’ fluxes with respect to one another (left entry) and the nominal correlation (no scaling of thespectra) (right entry). A value closer to one means that the photometry significantly differ (e.g. 0.95 = the planets’ photometry differ at the 2-σ/95% confidence limit). The “[]” values
enclose the scaling factor applied to the second planet in each listed pair that minimizes χ2 .

目的: 系外惑星直接撮像 + 装置開発
熱放射
木星質量の惑星の検出
1. 0’’.2秒角以遠(2AU@10pc)でTABLE 6
Atmospheric Models/ キャラクタリゼーション
FigurePanel
PlanetT (K) log(g)Cloud TypeChemistry
Reference
先進技術開発･実証
2. 惑星撮像装置(for8
top-left
HR 8799 b
900TMT)に搭載する
4.0
A60
equilibrium
1,2
ef f

middle-leftbottom-left
top-right
middle-rightbottom-right
top-leftbottom-left
top-right
bottom-right””HR 8799 d””
HR 8799 b
HR 8799 c
HR 8799 d
HR 8799 e

850
850
1000
975
1000
900
1000
1000
1000

1. 系外惑星
9
撮像観測

4.0
4.3
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0

AE30
AE60
A60
AE60
AE60
0.85×A60, 0.15×E60
0.7×A60, 0.3×E60
0.9×A60, 0.1×AE60
0.75×A60, 0.25×E60

1’(60’’)

equilibrium
100×CO, 0.01×CH4
equilibrium
equilibrium
100×CO, 0.01×CH4
equilibrium
equilibrium
equilibrium
equilibrium

341,2345555

2. 技術開発
補償光学(ExAO)

uu

Note. — References: 1) Burrows et al. (2006), 2) Currie et al. (2011a), 3) Madhusudhan et al. (2011), 4) Skemer et al.
(2012), 5) this work.

HR8799 (Currie+2014)
c 10MJ
1’’.1b 7MJ
1’’.7+
光度比〜10-5

e 9MJ
0’’.4

コロナグラフ u

ナリング干渉計型

u
ポストu
コロナグラフ uu

スペックルナリング (SLM etc…)
瞳再配置撮像高分散分光器 など
分割主鏡ならではの高コントラスト技術など開発中
高精度温度制御その他
d 10MJ
0’’.7

FPGA controller for ExAO
直接位相計測型波面センサ

uFig. 1.— Keck/NIRC2 L! images of HR 8799 from 2012 data (left) and archival 2010 data (right) reduced using A-LOCI. HR 8799 bcde1SEICA: ExAO: 仕様と構成
装置目標

高精度 (ストレール比0.9→ λ/20; rms @Hバンド)→高頻度 (5-10 kHz)→高空間周波数 (1辺24素子)

1. 低次補償光学

2. 高次補償光学

傾斜計測: Tip-Tilt＋Woofer
低速、粗いが大振幅波面制御

位相計測: Tweeter
高速、高精度波面制御

Tip-Tilt部 星像を安定

Woofer部 λ/4程度まで

Tweeter部 λ/20程度

T-T: 2軸

Woofer DM
88 actuators

Tweeter
TweeterDM
DM
952492actuators
actuators

ダイクロ1

SR = 90%

ダイクロ2

ダイクロ3

コロナグラフ
装置へ

望遠鏡から

λ:0.4-0.5 µm
CPU15’’
無補償

T-T sensor
Frame rate: 100Hz
限界等級: 10mag@B

λ:0.5-0.7 µm
CPU2

λ:0.7-0.9 µmSHWFS

Frame rate: 1kHz
限界等級: 8mag@R

FPGA

位相波面センサ
Frame rate: 6.5kHz
限界等級: 6mag?

22

SEICA: ExAO: 低次補償光学系
装置目標

高精度 (ストレール比0.9→ λ/20; rms @Hバンド)→高頻度 (5-10 kHz)→高空間周波数 (1辺24素子)

1. 低次補償光学
傾斜計測: Tip-Tilt＋Woofer
低速、粗いが大振幅波面制御
Tip-Tilt部 星像を安定

Woofer部 λ/4程度まで

T-T: 2軸

Woofer DM
88 actuators

ダイクロ1

低次補償用
←アクチュエータ→

ダイクロ2

望遠鏡から

λ:0.4-0.5 µm
CPU15’’
無補償

T-T sensor
Frame rate: 100Hz
限界等級: 10mag@B

λ:0.5-0.7 µm
CPU2SHWFS
Frame rate: 1kHz
限界等級: 8mag@R

シミュレーション結果

低次補償光学を受けたあとの星像
SR〜30—50% (3’’x3’’; λ=1.6 um)

3

SEICA: 低次補償光学系: 実験室実験n 京大実験室にて以前の計測点配置

実験用光源

8行8列の52点で波面傾斜を計測

Woofer DM(8x8)Woofer WFS(SHWFS)

現在の計測点配置

9行9列の61点で波面傾斜を計測
4

SEICA: 低次補償光学系: 実験室実験

大気乱流を模した位相板を透過した星像（開始4秒から補償光学ON）

無補償時（10秒間の映像を平均化）

補償時（10秒間の映像を平均化）
大阪電気通信大学: 大谷くん
5

SEICA: 低次補償光学系: 実験室での星像回復
無補償時(10秒積分)
ピーク値 1650.60

補償時(10秒積分)
ピーク値 8245.35

約5倍

大阪電気通信大学: 大谷くん

可視光(λ=0.633 um)での結果なので、近赤外(Hバンド: 1.6 um)ではさらに改善する

6SEICA: ExAO: 仕様と構成
装置目標

高精度 (ストレール比0.9→ λ/20; rms @Hバンド)→高頻度 (5-10 kHz)→高空間周波数 (1辺24素子)

1. 低次補償光学

2. 高次補償光学

傾斜計測: Tip-Tilt＋Woofer
低速、粗いが大振幅波面制御

位相計測: Tweeter
高速、高精度波面制御

Tip-Tilt部 星像を安定

Woofer部 λ/4程度まで

Tweeter部 λ/20程度

T-T: 2軸

Woofer DM
88 actuators

Tweeter
TweeterDM
DM
952
492actuators
actuators

ダイクロ1

SR = 90%

ダイクロ2

ダイクロ3

コロナグラフ
装置へ

望遠鏡から

λ:0.4-0.5 µm
CPU15’’
無補償

T-T sensor
Frame rate: 100Hz
限界等級: 10mag@B

λ:0.5-0.7 µm
CPU2

λ:0.7-0.9 µm
SHWFS

Frame rate: 1kHz
限界等級: 8mag@R

FPGA

位相波面センサ
Frame rate: 6.5kHz
限界等級: 6mag?

77

SEICA: ExAOの仕様と構成
Tweeter DMと波面センサ

装置目標

高精度 (ストレール比0.9→ λ/20; rms @Hバンド)→高頻度 (5-10 kHz)→高空間周波数 (1辺24素子)

2. 高次補償光学
低次補償後の星像

コロナグラフ
装置へ

位相計測: Tweeter
高速、高精度波面制御
Tweeter部 λ/20程度
Tweeter
TweeterDM
DM952
492actuators
actuators

FPGA制御装置

ダイクロ3

λ:0.7-0.9µm

SR = 30—50%

FPGA

位相波面センサ
Frame rate: 6.5kHz
限界等級: 6mag?

SR = 90%88

SEICA: ExAOの仕様と構成
装置目標

高精度 (ストレール比0.9→ λ/20; rms @Hバンド)→高頻度 (5-10 kHz)→高空間周波数 (1辺24素子)

1. 低次補償光学

2. 高次補償光学

傾斜計測: Tip-Tilt＋Woofer
低速、粗いが大振幅波面制御
Tip-Tilt部 星像を安定

Woofer部 λ/4程度まで

Tweeter部 λ/20程度

T-T: 2軸

Woofer DM
88 actuators

Tweeter
TweeterDM
DM
952
492actuators
actuators

ダイクロ1

ダイクロ2

コロナグラフ装置へ

位相計測: Tweeter
高速、高精度波面制御
ダイクロ3

望遠鏡から

λ:0.4-0.5 µm
CPU15’’
無補償

T-T sensor
Frame rate: 100Hz
限界等級: 10mag@B

λ:0.5-0.7 µm
CPU2

λ:0.7-0.9 µm
SHWFS

Frame rate: 1kHz
限界等級: 8mag@RFPGA

位相波面センサ
Frame rate: 6.5kHz
限界等級: 6mag?

SR = 90%

99

SEICA光学系

望遠鏡光線(F/6)
水冷定盤(1400x1400
通年22℃)

Tip/Tilt &pupilmonitor

ImR

400—500 μm
Tip/Tilt 補正
100 Hz< 70 mas (rms)

Tip/Tilt mirror
1400ADC
リレー放物面鏡

WooferAO

500—700 μm

TweeterDM(可変形鏡)

Alpao DM-88

WooferWFS
コロナグラフ(SPLINE)

TweeterWFS(PDI)
700—900 μm
BMC 492-DM

高次AO
24x24, 492
6.5 kHz, λ/20

低次AO
9x9, 64
1 kHz, < λ/4
Title: C-RED 2 USER MANUAL
Document: C-RED 2 User Manual_20190109
Issue: 005Classification: PUBLIC

Page : 1
Date : 09/01/2019

C-RED 2User Manual
C-RED 2 User Manual_20190109

FIRST LIGHT C-RED2
赤外カメラ 640x512
140010SEICA: 低次補償光学系搭載実験
n 2023年3月9日〜10日(9は天候不順)

天体の光を低次補償光学系(Tip-Tilt光学系＋Woofer AO)で補償光学試験
観測天体

視等級

観測期間 (3/10)

α Ori (ベテルギウス)

0.4

20:00—20:48

β Gem (ポルックス)

1.15

20:50—22:15

α Leo (レグルス)

1.4

22:26—22:50

11

SEICA: 実験風景
大阪電気通信大学
入部さん、大谷くん

12

SEICA: 天体導入時の低次波面センサ画像
望遠鏡EL変化による瞳像回転

マイクロレンズなし(El. 90°→30°)

マイクロレンズあり(El. 30°→90°)

9x9 SHWFS

2023年3月10日22時2分頃
20秒動画
制御なし10秒
制御あり10秒
Kp=0.1
Ki =0.000003
Kd=0.01
イメージローテータなし
望遠鏡第３鏡調整機構
故障中

13

SEICA: 低次補償光学系: 天体導入実験

星像（開始2秒から補償光学ON）

無補償時（10秒間の映像を平均化）

補償時（10秒間の映像を平均化）
大阪電気通信大学: 大谷くん

14

SEICA: 低次補償光学系: 天体導入実験
無補償時(10秒積分)
ピーク値 2203.23

補償時(10秒積分)
ピーク値 2933.81

大阪電気通信大学: 大谷くん

• 元々のシーイングが悪い(〜2秒程度)• 観測中瞳が固定出来ていない• PID制御パラメータが最適化されていない • 観測中にポインティングが外れていく15望遠鏡とのかみ合わせ第三鏡からの望遠鏡光線

u 瞳の固定u 4月：第三鏡のモータ修理
u 6月8—9日: 第3鏡角度調整(ズレ量5% -> 0.5%)

u ポインティングu 8月4日: PAを実施
u 300秒角 -> 5秒角(rms)u 9月の試験観測は悪天候

1400

室内
通年20—25℃

1400

16

SEICA: 高次補償光学系: 可変形鏡■系の構成要素：可変形鏡（DM:Deformable Mirror)
・492-DM@Kilo Driver std. （Boston Micromachines）
・アクチュエータ数：492（32×32を24×24で設定），ストローク：1.7 µm
制御用にナンバリング

123456780

12345678910111213

1415

16171819202122232425262728

2930

3132333435363738

3940414243444546474849505152535455

5657

58596061626364656667686970717273747576777881828384858687888990919293949596979899 100 101

12345680

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2479

7 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125
8 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149
9 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173
10 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197
11 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221
12 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245
13 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269
14 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293
15 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317
16 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341
17 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365
18 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389
19390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411

20412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431

21432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449

22450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465

23466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479

24480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491

大阪電気通信大 入部さん

SEICA: 高次補償光学系: 制御系■Tweeter補償光学系の制御装置：FPGAによる専用回路
PDI-WFSに使用する
CMOSカメラ(要素数548)
ORCA-Fusion BT

Wmeans計算

制御器
行列演算
ＰＩＤ制御器を実装使用するDM：492-DM(Boston Micromachine)

DMドライバデコード

CoaXpressデコード
Zynq ZCU102 評価キット（Xlinx）
一番最初だけ約130μs必要後は露光時間に依存DMアクチエータ
マッピング

シリアル通信デコードとSFP変換

約64μs

PCだと〜300 μs

CoaXpressカメラ処理

Wmeans算出

行列演算

制御演算

初期入力時間：約130μs

約5μs

約50μs

約0.5μs

最高制御速度≒15 kHz強DM出力 露光時間制限での速度8μs≒4.2 kHz強大阪電気通信大 入部さん

SEICA: 高次補償光学系: 波面センサ読出し試験
バイアスと4位相差画像の同時取得

制御なし

制御あり

26pix

大阪電気通信大 入部さん

まとめ
SEICA-AOは低次＋高次補償光学系の二段階
n 低次補償光学系を実験室から望遠鏡に移設して試験観測中
n 高次補償光学系を実験室にて波面センサ+FPGAでAO制御
試験中
n コロナグラフとの接続も本年度中に行いたい

FPGA制御装置

波面センサ+DMによる制御実験系

20

21