ULTIMATE-Subaru：
地表層補償光学(GLAO)の制御について

大野 良人、美濃和 陽典、吉田 裕茂、寺尾 航暉
(ハワイ観測所 )2022年12月21日

第11回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

目次• 地表層補償光学(GLAO)とは？
• GLAO制御の概要• 制御に関する課題• まとめと今後

2022年12月21日

第11回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ2

目次• 地表層補償光学(GLAO)とは？
• GLAO制御の概要• 制御に関する課題• まとめと今後

2022年12月21日

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地表層補償光学 (GLAO)
複数のガイド星・波面センサーを用いて補償光学の広視野化を実現する。
14ʼx14ʼという広視野で大体シーイングサイズが2倍向上する。(MedianでFWHM~0.25” @K)
マウナケアの典型的な大気揺らぎプロファイル

Ono et al 2017 (MNRAS)

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地表層補償光学 (GLAO)
複数のガイド星・波面センサーを用いて補償光学の広視野化を実現する。
14ʼx14ʼという広視野で大体シーイングサイズが2倍向上する。(MedianでFWHM~0.25” @K)
GLAOでは補正されないマウナケアの典型的な大気揺らぎプロファイル

視野の場所ごとに異なる揺らぎ成分

GLAOで補正する
異なる方向で共通の揺らぎ成分
Ono et al 2017 (MNRAS)

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地表層補償光学 (GLAO)
複数のガイド星・波面センサーを用いて補償光学の広視野化を実現する。
14ʼx14ʼという広視野で大体シーイングサイズが2倍向上する。(MedianでFWHM~0.25” @K)
GLAOでは補正されない

マウナケアの典型的な大気揺らぎプロファイル

視野の場所ごとに異なる揺らぎ成分

地表付近の揺らぎが支配的！
GLAOで補正する
異なる方向で共通の揺らぎ成分
Ono et al 2017 (MNRAS)

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ULTIMATE-Subaru GLAOULTIMATE-Subaru : 将来の広視野近赤外撮像装置＋GLAO
先月にGLAOのPreliminary Design Reviewが行われ、現在はCritical Design Phaseに向けて準備中

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ULTIMATE-Subaru GLAO

合計4本のレーザーを空に打ち上げて、４つのLGSを生成する

LGS ~10ʼ

レーザーガイド星システム

NGS

14ʼx14ʼ

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ULTIMATE-Subaru GLAO
可変副鏡

望遠鏡の副鏡を可変形鏡に改造。
924本のアクチュエータでリアルタイムに大気揺らぎを補正する

レーザーガイド星システム
14ʼx14ʼ

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9波面センサーシステム

ULTIMATE-Subaru GLAO
可変副鏡

4つのLGS用のWFSと、４つのNGS用のWFSがそれぞれ動いて焦点面でガイド星の光を捕まえる

レーザーガイド星システム
14ʼx14ʼ

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• GLAO制御の概要• 制御に関する課題• まとめと今後

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GLAO補正制御
Targetナトリウム層〜９０km

NGS
LGS

大気揺らぎ

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GLAO補正制御
Targetナトリウム層〜９０km

NGS

4 x LGS WFS(32x32)3 x NGS WFS(1x1)

NGS WFS
(2x2)

LGS

大気揺らぎ

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GLAO補正制御
Targetナトリウム層〜９０km

NGS

4 x LGS WFS(32x32)3 x NGS WFS(1x1)

NGS WFS
(2x2)

LGS

大気揺らぎ

LGS Tip/Tilt

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LGS 高次成分

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NGS Tip/TIlt

NGS Focus

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GLAO補正制御
Targetナトリウム層〜９０km

NGS

4 x LGS WFS(32x32)3 x NGS WFS(1x1)

NGS WFS
(2x2)

LGS

大気揺らぎ

LGS Tip/Tilt

LGS 高次成分

可変副鏡の高次モード

NGS Focus

NGS Tip/TIlt

可変副鏡のTip/Tiltモード

補正前

補正後

最終的な可変副鏡の形状
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LGSの制御(Jitter制御)
Targetナトリウム層〜９０km

レーザー打ち上げ時に大気揺らぎの影響を受ける

NGS

4 x LGS WFS(32x32)3 x NGS WFS(1x1)

NGS WFS(2x2)

LGS

大気揺らぎLGS Tip/Tilt

LGS 高次成分

NGS Tip/TIlt

NGS Focus

余分なjitter成分を含むの
でGLAOの補正には使わない

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LGSの制御(Jitter制御)
Targetナトリウム層〜９０km

レーザー打ち上げ時に大気揺らぎの影響を受ける

4 x LGS WFS(32x32)NGS

3 x NGS WFS(1x1)

NGS WFS
(2x2)

LGS

大気揺らぎ

LGS Tip/Tilt

LGS 高次成分

NGS Tip/TIlt

NGS Focus

LGS WFS上でスポットの位置を安定させるために、送信望遠鏡内のTip/Tilt
鏡を制御するのに用いる

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LGSの制御(Focus制御)
NGS

Target3 x NGS WFS(1x1)

NGS WFS(2x2)

LGSナトリウム層〜９０km大気揺らぎ

4 x LGS WFS(32x32)ナトリウム層の高さがゆっくり時間変化する
LGS Tip/Tilt

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LGS 高次成分

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NGS Tip/TIlt

NGS Focus

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LGSの制御(Focus制御)
NGS

TargetNGS WFS(2x2)

LGSナトリウム層〜９０km

大気揺らぎ

3 x NGS WFS(1x1)

4 x LGS WFS(32x32)LGS WFSの焦点がずれてデフォーカス成分が生じる

ナトリウム層の高さがゆっくり時間変化する
LGS Tip/Tilt

LGS 高次成分

可変副鏡がLGS WFSのデフォーカス成分を補正する。

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NGS Tip/TIlt

NGS Focus

NGS WFSと観測装置にデフォーカス成分が生じてしまう!!
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LGSの制御(Focus制御)
NGS

Target3 x NGS WFS(1x1)

NGS WFS(2x2)

LGSナトリウム層〜９０km

大気揺らぎ

4 x LGS WFS(32x32)ナトリウム層の高さがゆっくり時間変化する
LGS Tip/Tilt

LGS 高次成分

NGS Tip/TIlt

NGS Focus

LGS WFSの位置を調整して、LGS WFSを正しい焦点位置に持っていく。

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可変副鏡のオフロード制御• 大気揺らぎ以外に生じる収差成分• 望遠鏡のトラッキング誤差• 温度変化や重力によって望遠鏡構造の変形することで生じる収差• GLAOで十分補正が可能だが、可変副鏡のアクチュエータのストロークを損する。可変形鏡の形状をモニターしつつ、これらの収差を他に逃す（オフロード）必要がある。
• Tip/Tilt成分 à 望遠鏡のPointing• デフォーカス・コマ

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à 可変副鏡のマウントのヘキサポッド

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GLAO制御まとめ
揺らぎ・収差モードや変化の速度に分けて、さまざまな制御ループが同時並行で回っている

1. GLAO補正制御• LGS WFSと可変副鏡の高次成分の補正• NGS WFSと可変副鏡のTip/Tilt補正2. LGSに関する制御• LGSのJitter補正• LGSの高さ変化によるDefocus補正

3. 可変副鏡のオフロード制御• Tip/Tilt成分の望遠鏡Pointingへのオフロード• フォーカス・コマ成分のヘキサポッドへのオフロード
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目次• 地表層補償光学(GLAO)とは？
• GLAO制御の概要• 制御に関する課題• まとめと今後

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GLAO制御行列に関する課題
一般的な制御行列の生成プロセス

逆行列

可変副鏡のモード
係数ベクトル=

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制御行列

波面センサーの測定ベクトル×

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GLAO制御行列に関する課題
課題• 一度望遠鏡に取り付けるとキャリブレーション光源を置くことは困難。
• 可変副鏡、波面センサー系は装置交換のため取り外し・取り付けを繰り返す。再現性は？
• 望遠鏡の姿勢が変わることで、可変形鏡と波面センサーの相対的な位置関係が変わる可能性がある。波面センサー上の瞳ずれがサブ開口の20%以上だとGLAOの補償に影響が出る。

解決策•

望遠鏡取り付け後・GLAOの補正中でも制御行列をアップデートできるようにする。
1. オンスカイでレスポンス行列を取得する。大気揺らぎの影響を消すために工夫が必要（高速化・平均化)
2. GLAO補正中に波面センサーや可変副鏡から得られるデータを用いて制御行列を再構成できるようにする

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望遠鏡の振動の影響
課題• 望遠鏡のAz、ELによって5-10Hzの振動が生じることがわかっている。（Kanzawa et al 2006 SPIE)• GLAOでは観測領域を広げるために暗いNGSを使う必要がある場合もある。波面センサーに入る光量を増やすために波面センサーの積分時間を長くしたい ó 制御スピードが落ちて振動の影響が大きくなる

解決策

PyWFS

Lozi et al. 2018 (JATIS)

Accelerometer• 振動成分に最適な制御を行う。
• 予測制御• 別で望遠鏡の振動成分をリアルタイムで測定してTip/Tiltの制御にフィードバックをかける。
(SCExAOで同様の実験が既に行われている)

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今後の課題
1. キャリブレーションの手法と精度の検証
2. 望遠鏡振動に対する最適な制御方法の検討
3. GLAO・科学性能に対する影響の評価
4. GLAO制御の手順の確立と最適化(ガイド星のAcquisitionから補正開始まで5分以内、Dithering)

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