木曽超広視野高速カメラTomo-e Gozen
プロトタイプ機の開発

酒向重行 (東京大学大学院理学系研究科付属天文学教育研究センター)
大澤亮, 高橋英則, 菊池勇輝, 土居守, 小林尚人, 本原顕太郎, 宮田隆志, 諸隈智貴, 小久保 充, 満田和真, 谷口由貴, 猿楽祐樹, 青木勉, 征矢野隆夫, 樽沢賢一, 三戸洋之, 中田好一, 臼井文彦, 松永典之, 谷川衝（東京大学）,渡部潤一, 田中雅臣, 前原裕之, 有松亘 (国立天文台), 冨永望（甲南大学), 板由房, 小野里宏樹（東北大学）, 吉川真（JAXA）, 浦川聖太郎（日本スペースガード協会）, 佐藤幹哉（かわさき宙と緑の科学館）, 河北秀世（京都産業大学)

第5回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ
2015.12.8 16:50-17:20, 東北大学

アウトライン□ Tomo‐eの概要□ Tomo‐eのユニークネス□ Tomo‐eプロトタイプ機

巴御前出陣図東京国立博物館蔵東京大学木曽観測所次期広視野観測装置

超広視野高速カメラ

Tomo‐e Gozen
 Telescope: Field of view : Sensor: Chips:
 Pixel scale : Frame rate : Filter :35mm CMOS sensor
x 84 chips

Kiso 105 cm Schmidt
20 deg2 in φ 9 deg
1k x 2k CMOS sensor
84
1.2 arcsec/pix
2 frames/sec (max)SDSS‐g+r, g, r, no‐filter

科研費基盤A
JSTさきがけ
新領域重力波国立天文台共同開発研究

P.I. 渡部潤一
P.I. 酒向重行
P.I. 中村卓史
P.I. 酒向重行

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

視野の比較

ZTF (1.2m) , 47 deg2 (2016‐)

Pan‐STARRS (1.8m), 9 deg2

KWFC, 4.8 deg2

LSST (8.4m), 9.6 deg2 (2023‐)

Tomo‐e Gozen
20 deg2 in φ 9 deg
Mosaic CMOS sensors

the Tomoe Gozen
Kiso Observatorythe Tomoe Gozen
Kiso Observatory

時間変動現象の検出能力の比較

CMOS

100

CCD
ZTF

視野 (deg2)

19Unexplored space

1710

19
22 25

Tomo-e

20
23

15

10.1

2025

110
時間分解能 (sec)LSST
Pan‐STARRPTF

20KWFC
Decam

HSC

22SDSS

100
丸の大きさと数字は限界等級the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Tomo-eが切り開く新領域
Rare and Transient Phenomena
 Shock Breakout of core‐collapse SN Explosion of Nova
 Optical follow up of Gravitational wave
 Afterglow of Gamma‐ray burst

Occultation by TNO

Gamma ray burst

Neutron star marger  GWPlanet transit

 Optical candidate of fast radio burst
 X‐ray time variable objects
 Transit of Exoplanet Occultation by Trans‐Neptune object
 Potentially Hazardous Asteroid
 Faint meteor

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

開発スケジュール

2017年完成予定

現在

2013

2014

2015

2016

2017

2018

センサ開発
センサ評価
読み出し部
筐体
組み立て
試験観測

↑ commissioning↑ commissioningアウトライン□ Tomo‐eの概要□ Tomo‐eのユニークネス□ Tomo‐eプロトタイプ機

内田三郎の首をねじ切る巴御前（月岡芳年画）

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
イメージセンサといえば裏面照射CCD。

【トモエ】
あえて表面照射CMOSセンサ。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
表面照射は低効率。測光ができないのでは？

【トモエ】
マイクロレンズアレイと、適切なサンプリングで、そこそこいける。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
表面照射は感度波長が狭いと聞きましたが。

【トモエ】
はい、そのとおり。
必要性はサイエンス次第。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
やはり裏面照射ＣＣＤは最強ですね。

【トモエ】
そうでもない。表面照射CMOSは、• 読み出しノイズが低い• 読み出しが高速• 安い

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
センサは冷やすと良い。だから強制冷却。

【トモエ】
大変なので常温駆動。受動的冷却。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
センサは精密に温度制御。

【トモエ】
大変なので外気温の変化にゆだねる。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
センサは真空下。頑丈な筐体に納めるべし。

【トモエ】
大変なので大気圧。軽量な筐体。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
光路をセンサの都合に合わせて曲げる。

【トモエ】
大変なのでレンズなし。
センサを光路の都合に合わせて曲げる。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
センサの固定は強固で安定な接着剤。

【トモエ】
大変なので両面テープ。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
センサのアライメントの調整は念入りに。

【トモエ】
大変なので、形状を測定した後、補正パーツを外注。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
センサの表面はデリケート。触れてはいけません。

【トモエ】
カバーガラスを布でふきましょう。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
モザイク配置がスカスカは勿体ない。

【トモエ】
木曽は視野は余っているが、お金は余っていない
視野は不動産。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
複数枚のフィルタを搭載。精巧な交換メカ。

【トモエ】
大変なのでフィルタは１夜１種。手動交換。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
観測装置は1人でひっくりかえせない。

【トモエ】
ひっくりかえせる。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
静止画が基本。

【トモエ】
動画が基本。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
取得した生データをすべて保存。

【トモエ】
大変なので生データを捨てる。

the Tomoe GozenKiso Observatory【天文の常識】
雲が晴れた瞬間にデータを取得。

【トモエ】
雲が晴れた瞬間のデータをピックアップ。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
装置の名前は正式名の頭文字。

【トモエ】
人の名前。
特に深い意味はない。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
口径１ｍで何ができるのか？

【トモエ】
AΩはHSCが95。SCが13。
トモエは16。

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
シーイング4秒角で何ができるのか？

【トモエ】
20um/pixにちょうどよい。
これより良いとアンダーサンプリング

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory【天文の常識】
木曽は天気が悪いって本当ですか？

【トモエ】
国内平均の3割程度
これを悪いと言うなら、国内は皆悪い
トモエは天気に強い相対測光が基本

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Tomo-eのユニークネス• 超広視野• 高速• 軽量• 非冷却・非真空• 駆動部なし• 組み立て簡単• 動画

アウトライン□ Tomo‐eの概要□ Tomo‐eのユニークネス□ Tomo‐eプロトタイプ機

浮世絵の巴御前（歌川豊国画）

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Tomo-e prototype model• 概要-Tomoeの技術実証、科学観測実証が目的
CMOSセンサ x8台
視野2 deg2
2015/11/24-12/22試験観測
DEC+
RA-RA+
DEC-Moon

Andromeda M31

39.7ʼ

Orionʼs belt

22.4ʼ

25.0ʼ

4.1 deg
ε = 0.65

ε = 0.85

vignetting free,ε = 1.0

ε = 0.85

ε = 0.65

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Specifications- Chips

8 sensors- Format

2000 x 1128 pix2/chip (photosensitive area)- File size (full-area)

4.9 Mbyte/frame/chip
30 GByte (800 frames, 8 chips)- Pix size and scale

19 um/pix, 1.19 arcsec/pix- Frame rate

0.5 sec/frame- Available exposure time

0.5 ‒ 60 sec (full-area readout)
0.05 sec (512x512 readout)- Available continuous read

800 frames (full-area readout)
8,000 frames (512x512 readout)- Sensor gain

Low (read noise= 7 e-, full-well = 55,000 e-)
Mid (read noise= 4 e-, full-well = 23,000 e-)
High (read noise= 2 e-, full-well = 6,100 e-)- Sensitive wavelength

λ = 400 ‒ 650 nm- Filter

None (transparent windows)

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Detection limit and Saturation
High-Gain

No filter

0.2magIntegration time(sec)

Limiting
Mag (10σ)

Saturation
Mag

0.1

16.0

11.6

1

17.6

14.0

10

18.8

16.8

100

20.2

saturated by sky

Integration time(sec)Limiting
Mag (10σ)

Saturation
Mag

0.1

15.2

9.2

1

17.4

11.6

1018.8

14.2

100

20.2

16.6

Magnitude

Detection limit (10σ)
High-G
Mid-G
Low-G

Low-GainCCD
Saturation
High-G
Mid-G
Low-G- Higher sensitivity than CCD in tinteg < 10 sec.
-Higher exposure efficiency expected in continues
observations owing to zero readout time.

Relative QE

Observation time (sec) including readout-time

300

500

700(nm)

9001100

筐体 約30kg
KWFCより軽いTomoe-PM First Light Successfully Achieved on Nov. 24th, 2015

First light image(h‐x Per, FoV 40’ x 22’, 5sec, 1chip)the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

M42 star forming region HDR image

2Hz, 5108 frames

22.4ʼ

Meteors39.7ʼ

25.0ʼ2Hz

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Cosmic ray‐ 1‐2 events/sec/frame‐ 大半は1pixのイベント‐ 複数pixにまたがるイベントは1/100程度

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

運用を終えた静止衛星 JCSAT-2の周期フラッシュ

2015/11/30
10Hzthe Tomoe Gozen
Kiso Observatory

人工衛星と微光流星2015/11/30
10Hz
5,000個/夜の散在流星（<16mag）を検出見込み

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

ローリングシャッタと動画観測- 画素間の同時性がない- 対象が動くときは注意が必要

2Hz動画観測の連続する2フレームの引き算画像

この領域内を走り抜けた
軌跡はこのフレームにこの列を読み出す瞬間に流星がとんだ

この領域内を走り抜けた
軌跡は次のフレームに最下段から横へ順に読み出し

微光流星the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Tomoe-PMの生成データレート- 2Hz,フルフレーム, 8 chips読み出しで観測- 400 sec積分  30 GB- 0.5 ‒ 1 TB/night（実績値）- Max 2 TB/night

参考- HSC 300 GB/夜- LSST 15 TB/夜- Tomoe 10-20 TB/夜the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

http://www.mtk.ioa.s.u‐
tokyo.ac.jp/kisohp/NEWS/hayabusa2/hayabusa2.html

2015/12/03 18:03:20
2Hzフルフレーム
1秒 x 35セットの重ね合わせ（時間間隔１秒）

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

2015/12/03 18:08:20
2Hzフルフレーム （10倍速再生）

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

2015/12/03 18:28:20
2Hzフルフレーム （10倍速再生）

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

試験科学観測2015/12/22まで• ふたご座流星群の微光流星の観測（2Hz, Gain-High, フルフレーム）• 遠方宇宙からのフラッシュの探査（2Hz, Gain-High, フルフレーム）• 系内天体のフラッシュの探査（2Hz, Gain-High, フルフレーム）• 高エネルギー突発現象のフォローアップ（5sec, Gain-Mid, フルフレーム）

the Tomoe Gozen
Kiso Observatory

Summary▼ 東京大学木曽観測所 超広視野高速CMOSカメラ
Tomoe-Gozen Field of view :20 deg2 in φ 9 deg Sensor:

84 CMOS chips

 Frame rate :2 frames/sec (max) Commissioning :2017▼ Tomo-e Gozenプロトタイプ機
 Field of view :2 deg2

 Sensor:

8 CMOS chips

 Frame rate :2 frames/sec (max) First light :2015/11/24