2021年度せいめいUM @ zoom

2021/8/11—12

系外惑星観測装置SEICAの開発：進捗報告○山本広大(京都大学)、
長田哲也, 栗田光樹夫, 木野勝,
○津久井遼, 渥美直也(京都大学),入部正継, 藤田勝, 高橋陸(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)・点回折干渉計型波面センサ (津久井)
青ナスミスを占有中

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 .

熱放射
目的: 系外惑星直接撮像 + 装置開発
1. 0’’.2秒角以遠(2AU@10pc)で木星質量の惑星の検出/ キャラクタリゼーション
2. 惑星撮像装置(for TMT)に搭載する先進技術開発･実証
TABLE 6
Atmospheric Models

FigurePanel

PlanetTef f (K)log(g)

Cloud TypeChemistry

Reference8

top-leftmiddle-leftbottom-left
top-right
middle-rightbottom-right
top-leftbottom-left
top-right
bottom-right

HR 8799 b””
HR 8799 d””
HR 8799 b
HR 8799 c
HR 8799 dHR 8799 e900
850
850
1000975
1000
900
1000
1000
1000

4.0
4.0
4.3
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0

A60
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

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

1,2
3
4
1,2
3
4555
5

1.9 系外惑星
撮像観測

1’(60’’)

2. 技術開発
補償光学uuFPGA controller for ExAO
直接位相計測型波面センサ

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
高精度温度制御その他
d 10MJ
0’’.7uFig. 1.— Keck/NIRC2 L! images of HR 8799 from 2012 data (left) and archival 2010 data (right) reduced using A-LOCI. HR 8799 bcdeなど開発中

2スペックルナリング

SEICA: 要求仕様

ポストプロセスなしu目標105—6のコントラスト
uコロナグラフ：SPLINE:: 瞳面干渉型コロナグラフ
uポストコロナグラフ: スペックルナリング

uコロナグラフ＋スペックルナリング– 平面波で性能を発揮→高精度波面補正– 光軸上の強度を抑圧→高精度星像安定
uコロナグラフからの要求
u星像安定性: <10mas
uStrehl比:>0.9 (回折限界は>0.8)u→波面残差 λ/20〜60nm (rms; @Jバンド[1.2μm])

ポストプロセスあり

3

SCExAO: Martinache+2014

3

SEICA: ExAOの仕様と構成
傾斜計測: Tip-Tilt＋Woofer 位相計測: Tweeter
高速、高精度波面制御
低速、粗い波面制御

望遠鏡
から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

λ:0.4-0.5µm
CPU1

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

装置目標

ダイクロ2

Tweeter部 λ/20程度
Tweeter
TweeterDM
DM
952
492actuators
actuators

λ:0.5-0.7µm
CPU2

ダイクロ3

コロナ
グラフ・分光装置
へ

λ:0.7-0.9µm
SHWFS

Frame rate: 1kHz
限界等級: 8mag@R

位相波面センサ

FPGA

Frame rate: 6.5kHz
限界等級: 6mag?

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

4※実際は蓋、扉あり

せいめい望遠鏡ナスミス台(青ナスミス)に遮光室(現状)を設置
吹出チャンバ3F[20±1℃]
空調空間(光学系)

年間 -5〜+30℃のドーム環境で通年20±2℃に温調(空調)1F
廃熱室

光学系はさらに水冷定盤で通年25±0.1℃に温調

空調機
(未導入)

水冷用チラー
青ナスミス

コロナグラフとAOの非共通光路
5
エラーを低減させるため

←

温調ブース配管

冷
却

←冷
却水→→水

水冷定盤配管

冷却水IN ↑

冷却水
↓OUT

水→

却

←冷

↑冷
却水
↓

1F廃熱室チラー↑冷
却水↓冷却水↓↑
室外へ
2021年3月から連続稼働中(2L/min)だが主鏡制御などへ影響は無し

6

SEICA:

断熱ブースイメージ

7

望遠鏡光線

1400

室内
通年20—25℃

1400

8

望遠鏡光線水冷定盤(1400x1400
通年20℃)

Tip/Tilt &pupil
monitorImR

Tip/Tilt mirror
ADC

1400

リレー放物面鏡

WooferAO
TweeterDM(可変形鏡+ダイクロ)

WooferWFS
コロナグラフ(SPLINE)

TweeterWFS
(PDI)

カメラ
(C-RED2)

1400

9

赤外カメラWoofer AO

光学系設計製作状況
製作済: リレー光学系(OAP1, 3—4)、
Woofer AO(DM/WFS),
Tweeter WFS (PDI)

コロナグラフPDI
Woofer AO

T/Tモニタ

未製作: ADC, T/Tモニタ, コロナグラフ
未設計: リレー光学系(OAP2, 5)、
Tweeter DM

入射opt

済
済
済
未済

済

光軸高さは光学定盤上面から200mm
未10SEICA: AO実験
n 2021/06/08—10 Tip/Tilt系試験
温調ブース入射窓
望遠鏡焦点(視野絞り)
L1

L2

sCMOSカメラ
Thorlabs
CS505CU

Tip/Tilt鏡
PI: S-330.2
2軸アクチュエータ

11

SEICA: AO実験

1’’
モニタカメラ(TipTilt制御用カメラではない)にて撮影 (実時間録画: 制御時間1分15秒間)
・2021年6月10日23:30：α Boo
制御パラメータの調整実験
・放射状の光条はレンズによる色収差→強風+悪天候で決定出来ず
・非制御時： > 0’’.5 (rms)・制御時：〜0’’.2 (rms; 最善：動画とは別の条件時)
12

SEICA: ExAOの開発 (1/2)
n 新方式波面センサの開発：点回折干渉計(PDI)→津久井
u位相計測のためSHWFSよりも多点で高速に高精度計測可能
u他位相計測より測定可能レンジが広い
u複屈折を用いた点回折ピンホール試作中(画像略)u2021年度上記光学素子の性能評価, 22年度AO系へ波面誤差(RMS) [nm]

PDI波面センサによるAO制御シミュレーション
PDI波面センサ実機
10回ループで目標精度達成[制御ループ: 6.5 kHz]

SR~0.9 @ H-band
制御回数13

SEICA: ExAOの開発 (2/2)
n FPGAを用いた多点高速制御システムの開発
u 従来の汎用PCでの制御と比べ、時間遅れ300→11μsecに短縮
u 6.5kHzでの制御ループが可能(最大90kHz)
u 現在、WFS→FPGA→DMへの制御ループは動作確認済
u 21年度は大気乱流模擬位相板を用いたAO制御実験(本来はPDIだがSHWFSで試験)
u 22年度は上流AOと組み合わせて総合性能試験へ
PC→FPGAボード
従来200μsec
転送

転送
7.9μsec

2.5μsec

波面センサ[492測定点]
I/Oボード制御計算 0.7μsec
SHWFS像従来65μsec

従来35μsec

可変形鏡[492制御点]
14

SEICA: 体制

u5機関/10名でそれぞれ開発進行中
u 補償光学n 全体光学系：
n 波面センサ：n FPGA制御装置：

京都大学
京都大学
大阪電気通信大学

n コロナグラフ系：
北海道大学
u コロナグラフ
u ポストコロナグラフ n スペックルナリング： 北海道大学

n 惑星RV分光器?： 東京大学/ABC

u開発場所: 京都大学 → せいめい望遠鏡ドーム
サイエンス

ポストコロナグラフ開発

コロナグラフ開発

補償光学開発東京大学
ABC/NAOJ

京都大学
北海道大学

大阪電気通信大学15

SEICAスケジュール & 観測n FY2021: 低次AOまでの試験観測(HiCIAO相当)
n FY2022: 高次AO(SHWFS)+コロナグラフ試験 & F.L.
n FY2023: 高次AO(位相式)+コロナグラフ試験
n FY2025〜？: 共用開始？
n 見込まれる使い勝手 (京大/共同利用時)
uuuu

AO制御PCの立ち上げで自動キャリブレーションまで(10分程度？)
天体と露光時間、枚数指定(AOパラメータなどは自動)データ解析手法が提供できるかは不透明
観測可能条件はやや厳しいと思われる(Seeing < 1’’.2程度)

n 系外惑星(点源)特化: 円盤観測(偏光観測)を希望する人は装置開発を共同でさせて頂きたい16

17