2022/12/21 第11回可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2022

小型屈折型補償光学装置CRAO
AOシミュレーションの理想と現実
京都産業大学大学院
理学研究科物理学専攻
坂部健太(D2)
小牧誠人(M1)、樽田順(D3)、池田優二、河北秀世(京都産業大学)
大屋真(国立天文台)
2022/12/21 装置ワークショップ目次
1.イントロダクション
2.室内実験による性能評価
3.TTステージの特性再調査
4.DMの特性再調査
5.まとめ

2022/12/21 装置ワークショップ

神山天文台におけるAO関連装置
補償光学装置CRAO
大気擾乱モニタMAMO
小牧誠人(M1)
高度毎の大気揺らぎをリアルタイム測定

1.3m荒木望遠鏡
2022/12/21 装置ワークショップ

大気擾乱モニタMAMO
高度毎の大気乱れ情報

AOシミュレーション
乱れのパターンごとに最適なAOパラメータを事前に計算

最適なAOパラメータ

小型屈折型補償光学装置CRAO
2022/12/21 装置ワークショップ

可変形鏡(DM)SATURN+
TTステージPSH4装置仕様 (Sakabe+ 2022)
光学系

透過型補償方式

Modal- Controlw/closed Loop

波長域400nm～700nm

装置視野
目標補償性能Seeing30”3.0”→0.8”2022/12/21 装置ワークショップ

レンズを使用し、ダブルパス光路により光路を短縮

天体
光サイエンスカメラ(SC)270㎜

ダブルパスレンズ(DPL)

iPhoneSE(第2世代)

波面センサ(WFS)GE680

小型AO装置CRAO(2021ver.)390㎜

補正後のシーイング[”]

観測結果

シミュレーションで期待された結果に到達していない

2022/12/21 装置ワークショップ

無補正でのシーイング[”]

補正後のシーイング[”]

観測結果

室内実験による検証

シミュレーションで期待された結果に到達していない

2022/12/21 装置ワークショップ

無補正でのシーイング[”]目次
1.イントロダクション
2.室内実験による性能評価
3.TTステージの特性再調査
4.DMの特性再調査
5.まとめ

2022/12/21 装置ワークショップ大気位相板の条件決定
大気擾乱位相板とシミュレーションの作る波面の比較使用したAOシミュレーター：yao(Rigaut+ 2013)

大気位相板
通過ビーム：Φ4.8㎜

2022/12/21 装置ワークショップ

シミュレーション
Seeing~1.4”

WFE(z36 rms [um]) TTあり TTなし
大気位相板
大気位相板
0.830.23
通過ビーム：Φ4.8㎜
シミュレーション
0.450.21
TT成分は位相板の平行度に起因する量があるためにTTなしで評価

シミュレーションと直接比較可能な大気状態を実現

2022/12/21 装置ワークショップ

性能評価結果▲：室内実験TT＋DM★：室内実験TTのみ

実験光学系

2022/12/21 装置ワークショップ

性能評価結果▲：室内実験TT＋DM★：室内実験TTのみ

風速15m/s

風速30m/s

風速1m/s

wo/AO

wo/AO

wo/AO

w/AO
w/AO

2022/12/21 装置ワークショップ

w/AO

室内実験AO条件
帯域幅150~180Hz

AO補正時間10s

TTゲイン

0.3

DMゲイン0.4

性能評価結果

風速が上がるにつれて補正がなくなる

2022/12/21 装置ワークショップ

性能評価結果▲：室内実験TT＋DM★：室内実験TTのみ：シミュレーション
TTのみ
室内実験AO条件
シミュレーション

TT＋DMｗ/測定影響関数

帯域幅150~180Hz

AO補正時間

10s

TTゲイン

0.3

DMゲイン0.4

シミュレーション条件
Seeing

1.4”

動作周波数

166Hz

AO動作時間 25s
大気層数2022/12/21 装置ワークショップ

1性能評価結果▲：室内実験TT＋DM★：室内実験TTのみ：シミュレーション
TTのみ
未到達分(TT)
シミュレーション

TT＋DMｗ/測定影響関数

室内実験AO条件
帯域幅150~180Hz

AO補正時間

10s

TTゲイン

0.3

DMゲイン

0.4

シミュレーション条件
Seeing

1.4”

動作周波数

166Hz

AO動作時間 25s
大気層数2022/12/21 装置ワークショップ

1

性能評価結果▲：室内実験TT＋DM★：室内実験TTのみ：シミュレーション
TTのみ
未到達分(TT)
シミュレーション

TT＋DM

未到達分(DM)

ｗ/測定影響関数

室内実験AO条件
帯域幅150~180Hz

AO補正時間10s

TTゲイン

0.3

DMゲイン

0.4

シミュレーション条件
Seeing1.4”

動作周波数166Hz

AO動作時間 25s
大気層数2022/12/21 装置ワークショップ

1目次
1.イントロダクション
2.室内実験による性能評価
3.TTステージの特性再調査
4.DMの特性再調査
5.まとめ

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TT成分の特性調査
大気位相板と位相スクリーンのパワースペクトル

WFE[𝝁𝒎𝟐 ]

大気位相板
X方向
シミュレーション

2022/12/21 装置ワークショップ

Y方向

位相スクリーン：Seeing1.4”,風速25m/s,口径1.3m

TT成分の特性調査
大気位相板と位相スクリーンのパワースペクトル

全体の90%
TT周波数特性

Y方向

Amplitude

WFE[𝝁𝒎𝟐 ]

大気位相板
X方向
シミュレーション

全体の90%
2022/12/21 装置ワークショップ

21Hz

位相スクリーン：Seeing1.4”,風速25m/s,口径1.3m

⚫ TTステージでは、大気によって発生する波面エラーのティルト成分90％までを補正可能。
残りの10%で未到達分を説明できるか検証中。
⚫ シミュレーションにおけるTT周波数特性についても検証中。

2022/12/21 装置ワークショップ目次
1.イントロダクション
2.室内実験による性能評価
3.TTステージの特性再調査
4.DMの特性再調査
5.まとめ

2022/12/21 装置ワークショップ

フィッティングエラー

シミュレーション条件

室内実験

Seeing1.4”位相板を通した光に対し静的補正をかけた際の波面残差

動作周波数

166Hz

AO動作時間25s

風速0m/s

シミュレーション
静的補正の波面残差ｗ/測定影響関数

2022/12/21 装置ワークショップ

フィッティングエラー

シミュレーション条件

室内実験

Seeing1.4”位相板を通した光に対し静的補正をかけた際の波面残差

動作周波数

166Hz

AO動作時間25s

風速0m/s

低次モードに明らかな違い

2022/12/21 装置ワークショップ

シミュレーション
静的補正の波面残差ｗ/測定影響関数

WFE[nm](z36, rms)

TTなし

室内実験

160.0+/-126.3

シミュレーション

74.3+/-63.8

Zernikeモードの比較
DM電極配置(Adaptica社 SATURN)

表
2022/12/21 装置ワークショップ裏Zernikeモードの比較
DM電圧配置(Adaptica社 SATURN)
印加
電圧

高

低
表
2022/12/21 装置ワークショップ

裏

変形Zernikeモード
例：Ast-YZernikeモードの比較⚫ 計算によるDM形状
印加電圧

シミュレーション用DM影響関数

裏

表

両者を比較

⚫ 実機のDM形状

表

DM形状

裏
印加電圧

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Zygo干渉計

DM

測定結果

Zernikeモードの比較
Coma-Y Zernike係数=-0.3[um]
計算結果

2022/12/21 装置ワークショップ

測定結果

Zernikeモードの比較
Peak-to- Valley[um]Coma-X

測定結果
計算結果

Coma-Y

パターンは合っているが、ストローク不足
2022/12/21 装置ワークショップコマ収差(Coma-Y) Zernike係数=-0.3[um]

電圧

高

表

裏

裏面2、3週目でコマの形状はほぼ決まる。
ストロークが振り切っている。

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低Zernikeモードの比較
Ast-X

Zernike係数=-0.5[um]

計算結果

2022/12/21 装置ワークショップ

測定結果

Zernikeモードの比較
Peak-to- Valley[um]Ast-X2022/12/21 装置ワークショップ

測定結果
計算結果

比較的再現度は良い

Ast-Y非点収差(Ast-X) Zernike係数=-0.5[um]

電圧

高表

裏

両面の4周目の素子で非点収差の形状は決まる。
4周目のストロークに余裕がある。

2022/12/21 装置ワークショップ

低Zernikeモードの比較
Prime-Sph Zernike係数=-0.3[um]
計算結果

2022/12/21 装置ワークショップ

測定結果

Zernikeモードの比較
Peak-to- Valley[um]Defocus
計算結果

測定結果

Primary-Sph
全く再現できていない

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球面収差(Sph) Zernike係数=-0.3[um]

電圧

高表裏

ほとんどの素子でストロークが振り切っている。
球面収差を実現する自由度がない。
2022/12/21 装置ワークショップ

低Zernikeモードの比較

2022/12/21 装置ワークショップZernikeモードの比較
Zernike変換行列の問題

表

裏

シミュレーションでのDMは、裏面のみ

2022/12/21 装置ワークショップZernikeモードの比較
DMのストローク不足が疑われる。
今後、追加調査。

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まとめ⚫ 京都産業大学神山天文台では小型AO装置CRAOを開発中。
⚫ 室内実験を通して性能評価を行ったところ、2点の問題点が見つかった。
1. TT補正は、10ｍ/sを超える風速で補正が効いていない
2. DM補正では、シミュレーションによる補正結果と大きく乖離⚫ 1については、大気乱れのパワースペクトルとTTステージの周波数特性を比較
TTステージの周波数特性は10Hz程度から低下するため、風速25m/sの大気乱れでは10%程度補正出来ないことが判明。
⚫ 2は、実際のDM形状と影響関数を考慮し、計算で得られた形状と比較したところ、低次のモードにおいて形状が再現できておらず、ストロークも不足している場合があることが分かった。

2022/12/21 装置ワークショップ