2018/9/8 第47回望遠鏡および観測装置会議@キャンパスプラザ京都

極限補償光学の進捗
山本広大,木野勝, 西岡秀樹, 津久井遼(京都大学)
入部正継, 藤田勝(大阪電気通信大学)
SEICA
惑星撮像装置SEICA[Second-genera@on
Exoplanet Imager with Coronagraphic Ao]
京大岡山3.8m
せいめい望遠鏡架台

bottom-right

HR 8799 e

1000

4.0

0.75×A60, 0.25×E60

equilibrium5

他観測で発見済の惑星を観測→キャラクタリゼーション

SEICA: 意義・目標

1’(60’’)
HR8799 (Currie+2014)
b 7MJ
1’’.7+

主星との光度比はおよそ10-5
d 10MJ0’’.7

c 10MJ
1’’.1

e 9MJ
0’’.4

惑星質量 (木星質量)

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.
10101.01■ 木星Gaiaの観測領域

0.10.1

■土星

海王星

■■

天王星

0.01
0.01

0.0010.001

■■ 地球

金星
0.01

0.01

0.1

1

100.1 1.0 10離角 (秒角)Fig. 1.— Keck/NIRC2 L′ images of HR 8799 from 2012 data (left) and archival 2010 data (right) reduced using A-LOCI.
are all easily identifiable.

u木星型太陽系外惑星の直接撮像→0”.2—0”.3で10-5〜-6
u先進技術のテストベッド[FPGA制御,PDI WFS, SPLINE, ポストプロセス]

H31/2019にFL高コントラスト技術

10-6@0.2秒角ポストコロナグラフ

天体地球大気補正された波面地球大気で乱れた波面

補償光学

コロナグラフ

10-4〜5@0.2’’[新世代の概念と技術]² すばる/SCExAO [競合]
² 本研究

主星光が低減〜補償光学性能向上〜

望遠鏡

大気乱流で乱れた星像補正された星像本研究で開発する技術
京都 極限
補償光学uu北海道 コロナグラフ u
東大/ ポストu
国立天文台 コロナグラフ uu~高コントラスト装置の状況~[旧世代の技術の発展系]
Ø Gemini/GPI
Ø VLT/SPHEREØ Keck/NIRC2FPGA 制御装置
点回折干渉型センサ
ナリング干渉計型

従来の10倍- 高速 (→10kHz)- 精細 (→2000素子)- 精密 (→50nm)の計測・制御が可能にスペックルナリング
高分散分光器(目標)
瞳再配置撮像(将来)
基盤(S)ヒアリングスライドより

SEICA: 全体進捗: 前回
uExAO: Woofer AO– 実験環境再整備: 岡山上空(フリード長10cm, 風速10m/s)– AO実験: 制御実験(@633nm)=>シミュレーションへ
近赤外ではSR〜0.1程度– 実機設計: 設計中uExAO: Tweeter AO– 波面センサ: 点回折干渉計WFS原理実証中＋SHWFS開発中– FPGA制御装置：原理実証試験(カメラ読込)(TMT戦略経費)

uコロナグラフ: SPLINE– プリズム/サバール板: 確保・原理実証済, 環境試験中– 実機製作開始：設計中 (TMT戦略経費)

uポストプロセス: スペックルナリング方式– 原理実証試験準備開始: 物品確保完了, 実証試験中

予算状況 (18/09/08現在)
u昨年度獲得– ABCプロジェクト経費：Woofer WFS実機設計– TMT戦略経費：SPLINE(コロナグラフ)実機設計+Tweeter FPGA制御試験機開発

u本年度獲得– 基盤A(代表長田): 5年(開発4年観測1年)3300万
u光学系＋カメラ: 1500万u恒温定盤＋除湿筐体: 1500万– 基盤S(代表長田): 5年(開発3年観測2年)1.66億– TMT戦略経費: SPLINE実機製作 240万 (北大/村上)+FPGA制御開発 300万 (大電通大/入部)

SEICA全体図
u外観サイズイメージ

恒温(水冷)定盤(日本防振工業)で光学系を±0.1度環境で安定化

外観イメージ
2.2x1.4x1.5 (m)現状ただの箱だがフレームにパネルを取り付ける方式にして外形を小さくする予定

光学系はスペースに余裕あり
制御PC・ドライバなど
は定盤下、周囲へ
検討：窓材、曇り止め

SEICA: 極限補償光学
u要求仕様: 精度: λ/20, 速度: 5—10kHz, 測定点: 492 elements
FromTel.→Woofer DM
88 actuators

T/T

CPU1Tweeter DM
492 actuators

BS1
DM1

BS2
DM2BS3DM3

λ:0.4-0.5µm
λ:0.4—0.5μm

λ:0.5-0.7µm
λ:0.5—0.7μmλ:0.7-0.9µm
λ:0.7—0.9μm

T/T sensor

Frame rate: 100Hz
Limi@ng magnitude: 16mag

Tip/Tilt: 10mas poin@ng

CPU2SHWFS

Frame rate: 1kHz
Limi@ng magnitude: 12mag

FPGAPhaseSensor

λ:1.0μm--

Spectrograph

Frame rate: 6kHz
Limi@ng magnitude: 7mag

Woofer: 低速 [1kHz]
大まか [λ/4]
大-ダイナミックレンジ

Tweeter: 高速 [6.5kHz]
高精度 [λ/20]
高空間周波数: 242

amer Woofer AO
0.3

amer Tweeter AO
0.90’’.5No AO
Strehl ra@o 0.02

CoronagraphSEICA: opCcal design telescope
400usize: 1.2x1.4m
uAO+コロナグラフ
u5 軸外し放物面鏡
u3 可変形鏡
u3 ダイクロイックミラー Tip/Tilt
Dichroic Mirror2
u3 WFS

800

400

望遠鏡からの入射光線

T/T WFS(300—500um)

1200

Dichroic Mirror1

WooferT/T WFS: ガイダー兼用DM
W WFS: SHWFS
T WFS: 位相型WFS
Tweeter DM

Woofer WFS(500—700um)

Dichroic Mirror3
Tweeter WFS(700—900um)
SPLINEの構成次第で下方に大型化する

SPLINE

尺度
用紙サイズ
名称

SEIC
全体

Science CamCP0
図番

本日の報告uWoofer AO– センサー系: 実機設計
– 制御試験：実験とシミュレーション （藤田）uTweeter AO– センサー系: PDI波面センサ （西岡）– センサー系: SHWFS波面センサ （津久井/山本）– [制御装置: FPGA開発]

Woofer AO: センサー系:: 設計
試験光

L1(f=400, D=40)

Woofer用WFS実機

400

入射光
φ20

瞳縮小
30 2.06 22.5 22.530

参照光L2(f=22.5, D=9)
MLA
ピッチ136um(f=2.06)
L3(f=30, D=9)60

SHWFS鏡筒空間フィルタ挿抜リレー
L4(f=30, D=9)sCMOS[浜ホトORCA ﬂash4.0]
6.5um, 2048x2048

u AO系への組み込みを容易に
u ハーフミラーで可動部なし
u 高次の波面エラーをカットする空間フィルタを導入可能
近日中に設計完了、製作へ
実験、シミュレーションの詳細は藤田くん

Tweeter AO: 波面センサ開発
uTweeter AOの要求仕様：– 入射波面: λ/4 (rms: 〜300nm)→P-Vで〜900nm– 目標精度: λ/20 (rms: 〜60nm)– 波面測定点数: 24(1次元)→492素子(有効460素子)– 波面測定頻度: 6.5kHz
sCMOSカメラ
浜松ホトニクス
ORCA-ﬂash4.0 v2
読み出し速度:
2048x8:25kHz
2048x64:3.2kHz2048x192:
1.1kHz ←Woofer WFS現状
2048x256:
0.8kHz2048x512:
0.4kHz ←Tweeter SHWFSの場合

Tweeter測定点(色は開口率)

Tweeter AO: 実験用SHWFS の概要
・FPGAを用いたTweeter AOの制御実験に使用
・特徴- 測定点数：差し渡し24点- 測定レンジ：±400nm（PDI WFSと同等）- 波面誤差60nm（RMS）まで感度を持つ- 波長域：700-900nm （中心波長800nm）
・光路図
マイクロレンズアレイ
ピッチ136um
f=2.06mm

可変形鏡
位置

L2

L1

D=25.4mm
f=200mm

約600mm

D=25.4mm
f=100mm

CMOSセンサ
位置L3, L4

D=25.4mm
f=50mmTweeter AO: SHWFSの機械設計
マイクロレンズアレイ(ピッチ136um; f=2.06mm)
調整用ピンホール(D=100um)
調整用絞り(D=6.45mm)

CMOSカメラ
L3, L4(f=30mm)

L2(f=100mm)

L1(f=200mm))

可変形鏡
200 mmReference光により原点を設定

Tweeter AO: SHWFSの実機作成

Tweeter AO: SHWFSの波面誤差(1/2)
・検出面でのノイズ→ spot位置の検出誤差（SN比に依存）→ 波面形状の測定誤差・SN比と測定誤差（RMS）との関係をシミュレーション- ポアソンノイズ，読み出しノイズを考慮

Tweeter AO: SHWFSの波面誤差(2/2)
シミュレーションの結果

60nm(= λ /20@1.2um)

光源強度の目標

検出器の飽和Tweeter AO: SHWFSのReference光源
・808nm半導体レーザー（Thorlabs CPS808S）をファイバーに集光→ SHWFS実機のリファレンス光源用ファイバーホルダに接続
アクロマートレンズ(f = 10mm)

半導体レーザー

シングルモードファイバー

ファイバー端位置調整機構

Tweeter AO: SHWFSのReference光源
Reference光源
SHWFS

中央部のspotの強度：S/N > 200（露光 1/400 sec）
各spotのFWHM〜2pix(設計値) 1.7pix

24spot24spotTweeter AO: SHWFSのTest光源
・タングステンハロゲン光源（Thorlabs SLS201L, T=2796K）＋ バンドパスフィルタ（800±5nm）
・将来的にTest光を1.2umとすることを考慮して白色光源を選択
・当面は800nmで制御実験

Tweeter AO: SHWFSのTest光源
・想定：Reference光源と同様にファイバーに集光→ 実際：集光の効率が想定よりも非常に悪く強度不充分
・対応を検討- 露光時間の延長- Reference光源用レーザーの流用

Tweeter AO: SHWFS開発の今後・光源強度の実測、確認を進める・spot形状、間隔、強度ムラなどの確認
・Tweeter AO制御実験の光学系へのSHWFS組み込み、調整→制御実験へ

SEICA: 極限補償光学u要求仕様: 精度: λ/20, 速度: 5—10kHz, 測定点: 492 elements
FromTel.→Woofer DM
88 actuators

T/T

CPU1Tweeter DM
492 actuators

BS1
DM1

BS2
DM2

BS3
DM3

λ:0.4-0.5µm
λ:0.4—0.5μm

λ:0.5-0.7µm
λ:0.5—0.7μm

λ:0.7-0.9µm
λ:0.7—0.9μm

T/T sensor

Frame rate: 100Hz
Limi@ng magnitude: 16mag

Tip/Tilt: 10mas poin@ng

CPU2SHWFS

Frame rate: 1kHz
Limi@ng magnitude: 12mag

FPGAPhaseSensor

λ:1.0μm--

Spectrograph

Frame rate: 6kHz
Limi@ng magnitude: 7mag

Woofer: 低速 [1kHz]
大まか [λ/4]
大-ダイナミックレンジ

Tweeter: 高速 [6.5kHz]
高精度 [λ/20]
高空間周波数: 242

amer Woofer AO
0.3

amer Tweeter AO
0.90’’.5
No AO
Strehl ra@o 0.02

CoronagraphSEICA: 全体進捗: 今回
uExAO: Woofer AO– 実験環境再整備: 岡山上空(フリード長10cm, 風速10m/s)– AO実験: 制御実験(@633nm)=>シミュレーションへ
近赤外ではSR〜0.1程度– 実機設計: 設計中uExAO: Tweeter AO– 波面センサ: 点回折干渉計WFS原理実証中＋SHWFS開発中– FPGA制御装置：原理実証試験(カメラ読込)(TMT戦略経費)

uコロナグラフ: SPLINE– プリズム/サバール板: 確保・原理実証済, 環境試験中– 実機製作開始：設計中 (TMT戦略経費)

uポストプロセス: スペックルナリング方式– 原理実証試験準備開始: 物品確保完了, 実証試験中

まとめ
u極限補償光学の予算獲得に可能性が
uWoofer実機の製作進行中
uWoofer試験の最終評価=>論文へ
uWoofer試験の結果からシミュレーションへ
uTweeterセンサー2種開発中
uTweeter制御用FPGA開発中

極限補償光学装置の開発：
制御実験とシミュレーションによる評価

大阪電気通信大学大学院
工学研究科 制御機械工学専攻
MM18A012
藤田 勝
26

発表内容
1.補償光学概要
2.可変形鏡の仮想平面状態構築
3.制御実験
4.シミュレータ進捗
5.結言

27

1.補償光学概要

補償光学概要望遠鏡

出典:すばる望遠鏡補償光学系のガイド星生成用レーザーの開発
http://subarutelescope.org/
Pressrelease/2005/07/06/j_index.html

DM(可変形鏡)

大気ゆらぎ観測装置

制御器

WFS(波面センサ）
281.補償光学概要( 0, 0 )

⊿X

大気位相板
⊿Y

WFS

試験用点光源
補償作動前

補償作動時

モニタ用カメラ
リファレンス用点光源DM29

1.補償光学概要

補償光学装置概要

可変形鏡（ALPAO社製 ALPAO DM 88-25）

ピッチ2.5mm
Φ20(有効径)

MirrorSpring
Posts
Electrodes

30
Actua@on principle of DM発表内容
1.補償光学概要
2.可変形鏡の仮想平面状態構築
3.制御実験
4.シミュレータ進捗
5.結言

31

2.可変形鏡の仮想平面状態構築
DMに指令値0を入力
DM断面図
実際想像0になっている0になっていない32

2.可変形鏡の仮想平面状態構築

φ ref +－

制御器

ＤＭ

M

(xG-i, yG-i )
WFS

M-1

33

2.可変形鏡の仮想平面状態構築
大気位相板

WFS

試験用点光源

モニタ用カメラ
リファレンス用点光源

DM34

2.可変形鏡の仮想平面状態構築
仮想平面化前仮想平面化後35

発表内容
1.補償光学概要
2.可変形鏡の仮想平面状態構築
3.制御実験
4.シミュレータ進捗
5.結言

36

3.制御実験
213秒間(大気位相板5周分)の制御結果

ー補償無しの時の重心の軌跡
ー補償有りの時の重心の軌跡---補償有りの時の重心の最大値＋補償有りの時の重心の平均位置373.制御実験
補償をかけていない時の重心位置の分布
213秒間(大気位相板5周分)

38

3.制御実験
補償をかけている時の重心位置の分布
213秒間(大気位相板5周分)

39

3.制御実験

補償無し

補償有り

40

3.制御実験
風速を変えての実験
14mps→10mps→6mps

41

3.制御実験
6月に行った実験の結果(10sec)

テスト光源等調整後

42

3.制御実験
位相板を止めた状態でのSHWFSが取得している画像

43

発表内容
1.補償光学概要
2.可変形鏡の仮想平面状態構築
3.制御実験
4.シミュレータ進捗
5.結言

44

4.シミュレータ進捗φ ref +－制御器

ＤＭ

M(xG-i, yG-i )
WFS

M-1

45

4.シミュレータ進捗

46

4.シミュレータ進捗

ー補償無しの時の重心の軌跡
ー補償有りの時の重心の軌跡---補償有りの時の重心の最大値＋補償有りの時の重心の平均位置

ーとーはほぼ一致している．

47

発表内容
1.補償光学概要
2.可変形鏡の仮想平面状態構築
3.制御実験
4.シミュレータ進捗
5.結言

48

5.結言

実験：補償精度が上がらないのはTip/Tiltの影響が大きいと推測する．
今後，確認のため更に実験を行う．

シミュレータ：一先ず完成．
今後，実験系で行いづらいテストを行い実験系へのフィードバックを行う

49

極限補償光学装置の開発：
制御実験とシミュレーションによる評価

大阪電気通信大学大学院
工学研究科 制御機械工学専攻
MM18A012
藤田 勝
50

uおわり